汪 斌， 何 堅(jiān)， 余 杰， 裴潤(rùn)森， 戴晨偉

(1. 中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司， 西安 710021)(2. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 先進(jìn)制造技術(shù)研究所， 江蘇 常州 213164)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件加工過(guò)程中(如切削、磨削、鑄造、鍛造、沖壓等)，不可避免地會(huì)在工件表面或棱邊留下各種缺陷，如飛邊、毛刺、表面不平整、凸棱明顯、刀痕波紋、微觀裂紋等，這直接影響零件的外觀形貌及使用性能[1-3]。特別是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，長(zhǎng)期工作在環(huán)境惡劣、受力復(fù)雜的工況下，其表面質(zhì)量和加工精度的要求更為嚴(yán)苛[4-5]。

傳統(tǒng)的處理缺陷的加工方式，是采用手工方式對(duì)葉片型面、渦輪盤榫齒槽毛刺、尖邊進(jìn)行打磨拋光等，加工效率低、加工表面質(zhì)量一致性差，難以滿足航空行業(yè)對(duì)零部件的高質(zhì)量加工要求。光飾加工技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分[6]，能實(shí)現(xiàn)去毛刺、棱邊倒角、倒圓等加工，可大幅度改善工件的表面質(zhì)量，同時(shí)又能保持甚至提高原有工件的加工精度。因此，光飾加工技術(shù)成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。

目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家，光飾加工已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車、軸承、儀器儀表、電子、五金等行業(yè)。如日本豐田公司90%的零件最終加工均經(jīng)過(guò)光飾加工；美國(guó)用于光飾加工的投資每年約20億美元。盡管我國(guó)的光飾技術(shù)已有了一定水平的提升，但與發(fā)達(dá)國(guó)家日益提高的光飾加工水平還相差甚遠(yuǎn)。所以，對(duì)光飾加工技術(shù)的研究，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等加工方面的研究和應(yīng)用顯得頗為迫切和緊要[7]。

本文在概述光飾加工基本原理的基礎(chǔ)上，全面分析了高效光飾加工技術(shù)在光飾機(jī)、磨塊和光飾劑等方面的研究成果，并簡(jiǎn)要闡述了高效光飾加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤、軸、機(jī)匣等典型零件加工中的應(yīng)用情況。

1 光飾加工基本原理

光飾加工的工作原理是：將一定比例的工件、磨塊與光飾劑投放到光飾機(jī)料斗中，在電機(jī)的激振作用下，光飾機(jī)筒體產(chǎn)生水平振動(dòng)和搖擺振動(dòng)，依靠筒體的周期性迫振，產(chǎn)生螺旋式前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，使磨塊與工件均勻地混合在一起。磨塊和工件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各自的形狀、大小和質(zhì)量不同，因而運(yùn)動(dòng)的速度、加速度也不同，彼此相互摩擦并不斷翻動(dòng)[8-9]。因此，工件表面和周邊毛刺就會(huì)被磨掉，棱角被倒圓，表面被拋光，氧化皮或銹蝕被除掉，促使工件表面粗糙度值降低從而達(dá)到表面光飾的目的；同時(shí)在工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高工件的加工表面完整性。

2 高效光飾加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀

光飾機(jī)、磨塊和光飾劑是光飾加工的3個(gè)要素。影響光飾加工效率的主要因素是筒體的垂直振幅和振動(dòng)頻率(即激振頻率)。垂直振幅越大、振動(dòng)頻率越高，則磨削效率越高、沖擊載荷越大；但是過(guò)大的沖擊載荷會(huì)使薄壁件產(chǎn)生變形，降低零件精度。此外，零件的材質(zhì)、形狀、尺寸和工藝要求等直接影響光飾加工效果。只要工藝參數(shù)選擇合理，即可在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的光飾目的[10]。

2.1 光飾機(jī)

高效光飾加工是在常規(guī)振動(dòng)式、回轉(zhuǎn)式、渦流式等運(yùn)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)或附加了提高效能和光飾效果的其他運(yùn)動(dòng)方式，如離心、高能旋流運(yùn)動(dòng)、可調(diào)整的交變垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)、可換向的交變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏心軌跡移動(dòng)和可調(diào)整角度的工位姿態(tài)等方式，以及采用光飾系統(tǒng)串聯(lián)配置，與分選裝置、清洗設(shè)備或表面強(qiáng)化設(shè)備組合使用，在自動(dòng)化生產(chǎn)線上系統(tǒng)集成而成。其加工效率比常規(guī)振動(dòng)光飾提高10～30倍。

適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的高效光飾加工用光飾機(jī)工作方式主要有高能旋流盤式、離心式、拖動(dòng)式、嵌入式、往復(fù)擦光式、滾筒式等。以下對(duì)幾種工業(yè)中常用的光飾機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述。

(1)高能旋流盤式光飾機(jī)

圖1所示為高能旋流盤式光飾機(jī)：磨塊和零件均勻地混合在環(huán)形槽內(nèi)，既圍繞環(huán)形槽中心圓柱公轉(zhuǎn)，又在環(huán)形槽內(nèi)翻滾，合成運(yùn)動(dòng)為環(huán)形螺旋運(yùn)動(dòng)，適用于大批量、中等尺寸零件的表面光整，尤其適用于熱處理后的滾動(dòng)體去氧化皮、光亮外表。采用高速旋轉(zhuǎn)式光飾加工時(shí)，應(yīng)遵守磨塊總質(zhì)量大于被加工零件總質(zhì)量、轉(zhuǎn)速不應(yīng)過(guò)快的原則。否則，磨塊會(huì)受到較大的碰撞力而破碎，劃傷零件表面，影響零件尺寸和形位精度。因此，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇磨塊類型和工藝參數(shù)。

(a) 原理圖(b) 可分選高能旋流盤式圖1 高能旋流盤式光飾機(jī)

(2)離心式光飾機(jī)

采用離心式光飾加工時(shí)，磨塊和零件在光飾機(jī)中均勻地混合，并在離心力的作用下高速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零件的表面光飾加工，如圖2所示。

(a) 原理圖(b) 自動(dòng)化線集成圖2 離心式光飾機(jī)

離心式光飾機(jī)可作為一個(gè)生產(chǎn)單元單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可被整合到自動(dòng)化生產(chǎn)線中；既可加工薄壁彈簧零件，又可加工厚重的齒輪箱組件，更適用于長(zhǎng)度小于150 mm的零件的去毛刺、倒角或光飾。

(3)拖動(dòng)式光飾機(jī)

拖動(dòng)式光飾是一種在振動(dòng)光飾工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)力光整工藝，其工藝過(guò)程是將工件固定在有多個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)工位軸的回轉(zhuǎn)盤上，并在非運(yùn)動(dòng)磨塊中拖動(dòng)。加工零件與磨塊之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)提供強(qiáng)大的研磨力，光飾效果是普通振動(dòng)光飾工藝的幾十倍[11]。單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的工件不僅可以在主回轉(zhuǎn)盤內(nèi)沿徑向移動(dòng)，且可調(diào)整角度到最佳的加工位置。如圖3所示，零件通過(guò)專用工裝固定在上部主軸上，隨主軸正反轉(zhuǎn)并上下移動(dòng)，下部磨塊筒中的磨塊、光磨劑和水隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)或不動(dòng)。拖動(dòng)式拋光可以避免加工過(guò)程中工件之間的相互接觸，適用于表面品質(zhì)要求嚴(yán)格的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸類、輪盤類零件等的去毛刺、倒角和表面光整。

(a) 原理圖(b) 拖動(dòng)式光飾機(jī)外觀圖3 拖動(dòng)式光飾機(jī)

(4)嵌入式光飾機(jī)

嵌入式光飾工藝是將工件通過(guò)夾具固定在高速旋轉(zhuǎn)軸上，除轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)外，還可以通過(guò)垂直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及偏心軌道的移動(dòng)來(lái)加強(qiáng)拋光效果。被加工工件根據(jù)設(shè)置的方式通過(guò)磨塊，如做行星軌道運(yùn)動(dòng)，達(dá)到相應(yīng)的加工目的[11]。該方法適合加工品質(zhì)要求高、不允許磕碰的工件。嵌入式光飾機(jī)如圖4所示。

(a) 原理圖(b) 嵌入式光飾機(jī)外觀圖4 嵌入式光飾機(jī)

(5)往復(fù)擦光式光飾機(jī)

圖5所示為往復(fù)擦光式光飾機(jī)。從圖5中可以看出：料箱內(nèi)盛裝磨塊及磨削溶液，料箱在工作時(shí)按一定頻率上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)磨塊和磨削溶液做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；主軸懸于料箱上部，加工前，盤類零件裝夾在處于水平狀態(tài)的主軸上，然后主軸向下旋轉(zhuǎn)90°處于垂直態(tài)，下降至零件沉沒(méi)于料箱的磨塊中。工作時(shí)，主軸帶動(dòng)工件在磨塊中進(jìn)行一定角度范圍的往復(fù)擺動(dòng)，達(dá)到去毛刺、表面光整的目的。它適用于渦輪盤榫槽拉削后去毛刺，以及提高其表面光潔度。

圖5 往復(fù)擦光式光飾機(jī)

(6)滾筒式光飾機(jī)

滾筒式光飾機(jī)如圖6所示，其主軸懸于滾筒上部，工件夾持在主軸上自轉(zhuǎn)，磨塊和磨削溶液在高速旋轉(zhuǎn)的滾筒中作與工件逆向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾筒轉(zhuǎn)速大于主軸自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。它適用于小規(guī)格盤類零件去毛刺。

(a) 光飾機(jī)工作部件(b) 工件夾持裝置圖6 滾筒式光飾機(jī)

2.2 磨塊

(1)磨塊的組成

光飾加工所用磨塊，一般是用磨料與黏結(jié)劑燒結(jié)或膠結(jié)制成各種形狀不同、大小不一的塊狀物，其在筒體內(nèi)受到振動(dòng)沖擊力或旋轉(zhuǎn)離心力。加工過(guò)程中，磨塊和工件一直在水和磨劑的混合液中，混合液可清洗掉堵塞在磨塊表面的細(xì)鐵削。同時(shí)，混合液與工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有助于提高磨塊對(duì)工件的加工效果。因此，磨塊必須組織致密、硬度高、吸水率低、韌性好、耐磨損、耐水、耐油、耐酸堿，并且具有良好的切削能力。

按黏結(jié)劑不同，磨塊可分為陶瓷磨塊、樹(shù)脂磨塊等；按磨料材質(zhì)又可分為剛玉系、碳化硅系、鋯英石系等。剛玉系和碳化硅系通用于金屬件光飾。其中，碳化硅磨料硬度高且鋒利，故加工效率相對(duì)較高。黏結(jié)劑除用于固結(jié)磨料外，還有擦光和拋光的作用：陶瓷黏結(jié)劑擦光作用強(qiáng)，樹(shù)脂黏結(jié)劑更適用于軟金屬的精研磨和拋光。黏結(jié)劑的比例越大，效率越低、光潔度越高。

(2)磨料的粒度

一般情況下，磨料越細(xì)，加工后的表面粗糙度值越小[12-13]。在光飾加工中，磨塊經(jīng)過(guò)自磨或使用一段時(shí)間后，磨料的尖角被磨平，等高性改善。在較小的壓力下，粗粒度磨料同樣可以獲得較小的表面粗糙度值。因此，磨料粒度對(duì)加工后工件表面粗糙度的影響并不明顯。一般來(lái)說(shuō)，通常使用細(xì)磨料進(jìn)行精加工。

磨料粒度大，則材料去除率大、去毛刺效率高，但光潔度低。一般粗研磨用106～250 μm的磨料，中研磨用53～106 μm的，細(xì)研磨用28～50 μm的，拋光研磨用小于10 μm的。在保證工件表面粗糙度要求的前提下，盡量選用材料去除率高且磨耗率小的磨料[14]。

(3)磨塊的形狀

磨塊的幾何形狀和尺寸大小對(duì)光飾效果的影響極大，它不但影響工件的表面粗糙度、表面碰傷和沖擊變形，而且對(duì)加工的效率和經(jīng)濟(jì)性也有很大的影響。磨塊的幾何形狀和尺寸大小的選擇正確與否，是決定能否達(dá)到工件加工要求的關(guān)鍵。

常見(jiàn)的磨塊形狀有正三棱柱、斜三棱柱、正圓柱、斜圓柱、立方體、V形柱、三星柱、扇形柱、正四面體和圓球體等。同一材質(zhì)、同一粒度的磨塊，由于形狀不同，加工后工件的表面粗糙度值差別很大。磨塊棱角越多、越尖銳，加工出的工件表面粗糙度值越大。就粗糙度而言，圓球形最好，斜三棱柱、斜圓柱次之，正三棱錐形磨塊最差。此外，材料去除率的差別也很大。棱角越多、越尖銳，被加工工件的材料去除率越大。其中，正四面體磨塊金屬去除率最大，斜三棱柱、斜圓柱次之，球形磨塊金屬去除率最小[14]。因此，如只用于去毛刺和氧化皮等粗加工，用正四面體或斜三棱柱磨塊滾磨效率較高。

選擇磨塊形狀時(shí)，應(yīng)確保磨塊能接觸到工件的所有待加工表面，從而保證工件能夠得到均勻加工。三角形磨塊通用于所有零件，圓球形磨塊最適用于板狀和弧狀零件，圓柱形磨塊較適用于平扁零件，棱狀磨塊較為適用于帶有溝槽的零件，細(xì)粒度不定形的磨塊適用于任何形狀零件的精研磨。對(duì)于有孔槽結(jié)構(gòu)的零件，磨塊的尺寸應(yīng)為孔徑或槽寬的1/3以下，以保證孔、槽表面都能得到加工，而且不堵塞。精加工所用的圓球形磨塊，其半徑應(yīng)小于零件的圓角半徑[15]。

2.3 光飾劑

光飾劑由一種或多種溶質(zhì)配制而成，常用的有酸性、堿性和中性3種。酸性用于去除氧化皮、毛刺、倒圓角；堿性能防止黑色金屬生銹，并保持金屬本色，常用于去油污和光亮處理；中性則用于最后的精飾。

3 高效光飾加工技術(shù)在航發(fā)零件上的應(yīng)用

3.1 盤類零件光飾加工

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類零件而言，表面應(yīng)力狀態(tài)、表面孔邊緣的粗糙度及轉(zhuǎn)接圓角處的表面粗糙度是影響零件疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[16-18]。常規(guī)工藝方法是在機(jī)械加工的基礎(chǔ)上，采用手工拋修來(lái)降低表面粗糙度。

為了改善零件的表面粗糙度和應(yīng)力等狀態(tài)，采用專用磨塊，通過(guò)高效往復(fù)擦光式振動(dòng)光飾，對(duì)渦輪盤、壓氣機(jī)盤進(jìn)行光飾加工，光飾后盤的所有棱邊圓角光滑一致，目視無(wú)明顯的加工刀痕，且應(yīng)力狀態(tài)改善。如渦輪盤榫齒槽表面粗糙度可改善2級(jí)，由原來(lái)機(jī)械加工后的Ra1.6 μm降低到Ra0.4 μm，并能高效去除榫槽拉削出口的邊角圓弧處凸出的毛刺。圖7所示為渦輪盤榫槽光飾加工前后的對(duì)比效果 。

(a) 光飾前(b) 光飾后圖7 渦輪盤榫槽光飾加工前后的對(duì)比效果

3.2 整體葉盤零件光飾加工

光飾加工后，整體葉盤葉型表面粗糙度由原來(lái)的Ra1.6 μm改善1～1.5個(gè)等級(jí)，最低可達(dá)Ra0.4 μm。通過(guò)對(duì)葉片進(jìn)排氣邊前后緣、葉尖與進(jìn)排氣邊轉(zhuǎn)接圓弧的檢測(cè)表明，采取合理的工藝方法和參數(shù)，以及對(duì)尖邊的有效保護(hù)，可減小光飾加工對(duì)尖角尺寸的影響，避免出現(xiàn)尖角過(guò)切現(xiàn)象。另外，對(duì)尖邊部位，也可通過(guò)在光飾前的銑削工序中預(yù)留余量，避免因過(guò)切造成尺寸超差。圖8所示為整體葉盤光飾加工前后的表面效果。

(a) 光飾前(b) 光飾后圖8 整體葉盤光飾加工效果

3.3 葉片類零件光飾加工

高能旋流盤式、拖動(dòng)式、離心式等高能振動(dòng)光飾機(jī)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的光飾加工中均有應(yīng)用。在光飾機(jī)筒體中可以放置多個(gè)/組葉片同時(shí)加工，加工效率很高。在有效控制加工工藝參數(shù)的前提下，明顯改善葉片表面的殘余應(yīng)力，有效消除各類微細(xì)裂紋、刀痕等產(chǎn)品服役疲勞源，將產(chǎn)品服役壽命控制在設(shè)計(jì)使用壽命范圍內(nèi)。在保證加工效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了微切削、全面隨形均勻加工。與傳統(tǒng)方法相比，單個(gè)葉片的加工成本降低30%以上，效率提高40%以上，葉片產(chǎn)品服役使用壽命提高10%以上。圖9所示為葉片光飾加工前后的對(duì)比效果。

(a) 光飾前(b) 光飾后圖9 葉片光飾加工效果

3.4 軸類零件光飾加工

光飾加工對(duì)軸類零件的表面光整處理效果非常明顯。由于粗糙度值降低、顯微硬度提高、殘余拉應(yīng)力被消除，零件的抗疲勞強(qiáng)度和耐磨性增強(qiáng)，使用壽命提高。同時(shí)，由于毛刺被消除，裝配精度得到保證，產(chǎn)品的清潔度也相應(yīng)提高。

將軸類樣件水平裝夾在主軸和頂尖間，由升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)插入料箱磨塊中。主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，料箱帶動(dòng)磨塊、磨液作線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整回轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)不同的速度配比，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高效微切削加工。光整加工后的軸樣件表面毛刺全部被去除，尖邊鈍化、棱邊倒圓，粗糙度由原來(lái)的Ra0.8 μm降低到Ra0.4 μm，表面光亮奪目。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，光整后樣件表面由原有的環(huán)型紋理變?yōu)镻型紋理，提高了零件表面的耐磨性和表面殘余壓應(yīng)力。圖10所示為軸光飾加工前后的對(duì)比效果。

(a) 光飾前(b) 光飾后(a) 光飾前(b) 光飾后圖10 軸光飾加工效果

3.5 機(jī)匣類零件光飾加工

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣數(shù)控加工后存在毛刺，表面粗糙度差、棱邊一致性差。利用光飾工藝對(duì)機(jī)匣件表面進(jìn)行處理，表面粗糙度得到改善，倒角光滑且一致性好，減少了應(yīng)力集中等質(zhì)量隱患。圖11所示為機(jī)匣光飾加工前后的對(duì)比效果。

(a) 光飾前(b) 光飾后圖11 機(jī)匣光飾加工效果

4 結(jié)論

光飾加工技術(shù)加工范圍廣、效率高、質(zhì)量好、成本低和操作簡(jiǎn)便等，正逐漸在國(guó)內(nèi)眾多機(jī)加行業(yè)中推廣和應(yīng)用。其中，高效光飾加工技術(shù)又比傳統(tǒng)振動(dòng)光飾的加工性能高出十多倍，可以用于表面質(zhì)量要求高的復(fù)雜型面零件的功能性光整加工及外觀美飾處理，實(shí)現(xiàn)手工拋修無(wú)法完成的零件表面的光整加工。

高效光飾加工技術(shù)可以解決葉片、整體葉盤、盤軸、機(jī)匣等產(chǎn)品的加工技術(shù)難題，為發(fā)動(dòng)機(jī)零件的高效、低成本、高性能制造(主要在提高服役壽命方面)提供一種完整的技術(shù)解決方案，可在今后的新型發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工中推廣應(yīng)用。

光飾加工同樣適用于民用產(chǎn)品的加工，也為相關(guān)產(chǎn)品的工程化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

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