王小東，張 云，陳志同，劉瑞松，劉隨建，吳志新

（1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191；2.棗莊北航機床創(chuàng)新研究院有限公司，棗莊 277000；3.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，沈陽 110043）

渦輪葉片是航空發(fā)動機內的核心零件，其加工精度對整機性能有著重要影響。大多數(shù)發(fā)動機的渦輪組件由渦輪盤和葉片分體構成，其中葉片由葉身和榫頭組成，榫頭再與渦輪盤榫槽連接，構成渦輪組合件[1]。傳統(tǒng)渦輪葉片多采用樅樹形結構，該類結構的優(yōu)點是允許榫頭連接處受熱后能自由膨脹，以減少熱應力，同時榫頭的傳熱性好，使葉片上的熱量容易散走[2]。

在葉片加工中由于通常以榫頭為工藝基準，并且榫槽的幾何形狀復雜，精度高，表面質量要求高，故對榫頭的加工工藝有嚴格的要求，以防止在榫頭表面造成加工缺陷。針對榫頭加工的夾具設計、刀具選用和參數(shù)選擇也非常關鍵。現(xiàn)在工廠通用的榫頭數(shù)控加工工藝是：在臥式加工中心進行粗加工，再用平底銑刀精加工榫頭側面，最后用成型刀加工榫頭上下成型面[3]。針對單件難加工材料制成的榫頭，多采用緩進磨削加工的方式，但砂輪在整圈加工中前后磨損大,磨削出的榫頭尺寸變化大[4]。對于榫頭側面圓角加工，目前的銑削加工需要較高的設備成本，占用機床工時較長，且需要后續(xù)進行機械光飾處理保證表面質量[5]；而手工倒圓則存在不均勻現(xiàn)象，易產生應力集中點。在此背景下，本文提出了基于三軸聯(lián)動矩形陣列數(shù)控機床的超硬磨料數(shù)控磨拋倒圓工藝系統(tǒng)，為精度、表面質量、效率、成本等各方面的改進探索一條新工藝途徑。

1 榫頭側邊倒圓磨拋工藝系統(tǒng)

針對渦輪葉片榫頭側面圓角加工，基于三軸數(shù)控機床的超硬磨料數(shù)控磨拋倒圓工藝系統(tǒng)主要由多主軸矩形陣列磨削機床與超硬磨料磨具組成，并配合快換工裝進行高精度裝夾，重點解決加工精度、加工效率及經濟性難題。

1.1 夾具設計

針對渦輪葉片榫頭的榫槽形狀設計的專用夾具如圖1所示，利用對稱結構夾持，夾持部分為與榫槽貼合的兩段圓柱面。夾具底部有法蘭方便在機床工作臺上安裝。

1.2 刀具選擇

隨著數(shù)控加工高速電主軸的發(fā)展，主軸穩(wěn)定轉速進一步提高，小尺寸超硬磨料磨具的線速度也可滿足高溫合金等難加工材料的磨削要求，從而利用該工具對渦輪葉片榫頭進行高速磨削加工，發(fā)揮磨料顆粒多、磨削過程連續(xù)、微量去除能力等優(yōu)勢[6]。如圖2所示[7]，為了防止刀具與夾具和葉片榫頭產生碰撞干涉，本文選用小尺寸電鍍CBN 圓環(huán)面砂輪（環(huán)心圓直徑D=20mm，圓環(huán)半徑R=1mm，厚度FL=2mm）開展葉片榫頭倒圓試驗。

1.3 陣列加工

德國CHIRON公司所研制的多主軸銑削機床采用直線排列方式，北京航空航天大學有學者將線陣機床結構拓展成矩陣機床結構[8]，同時利用多個減速器的輸入輸出軸增加互聯(lián)齒輪相互消隙的方法在小空間中研制出高重復定位精度矩形陣列無間隙轉臺[9]。八主軸矩形陣列磨削機床加工如圖3所示，配有8 支轉速可達60000r/min的高速磨削主軸，各直線軸的定位精度可達到5μm。

在此工藝系統(tǒng)內，以渦輪葉片榫頭側邊圓角為研究對象，驗證數(shù)控磨拋倒圓工藝有效性。由于圓環(huán)面砂輪柄部直徑遠小于環(huán)面直徑，故可以實現(xiàn)葉片榫頭的三軸磨削，大大簡化機床結構。首先將多套專用夾具布置在矩形陣列磨削機床上并將多個狀態(tài)相近的渦輪葉片榫頭裝夾在專用夾具上定位；然后選取合適的圓環(huán)面超硬磨料砂輪并在機床上安裝；再利用葉片榫頭的三維模型在軟件中編制數(shù)控加工程序并在軟件中進行后置處理，生成相應的NC 代碼輸入到機床中；最后進行陣列磨削加工。若后續(xù)需要進一步提高倒圓表面質量，可更換超硬磨料彈性拋光工具在同一矩形陣列磨削機床上進行陣列拋光。工藝流程圖如圖4所示。

圖1 專用夾具Fig.1 Special fixture

圖2 電鍍CBN圓環(huán)面砂輪Fig.2 Electroplated CBN toroidal grinding wheel

圖3 八主軸矩形陣列(三聯(lián)動)磨削機床Fig.3 Eight-spindle rectangular array grinding machine tool (3-axis simultaneous NC machining)

2 榫頭側邊倒圓試驗

在磨削工藝系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的情況下，對某型號渦輪葉片榫頭側邊進行倒圓，證明榫頭側邊圓角磨拋工藝系統(tǒng)的可行性。

2.1 試驗方案

本試驗所針對的渦輪葉片榫頭側邊圓角如圖5所示，圓角設計尺寸為R=0.6mm。

采用本文所述的渦輪葉片榫頭側邊倒圓角磨拋工藝系統(tǒng)，在矩形陣列磨削機床上進行加工。利用專用夾具對榫頭進行裝夾定位，選用加工刀具為超硬磨料砂輪。

根據軟件編制榫頭側面頂棱邊的數(shù)控加工走刀軌跡，將榫頭側面棱邊分為3個加工區(qū)域，即兩條側棱邊一條頂棱邊，如圖6所示。以與側棱邊相似形狀的刀軌擬合出倒圓加工軌跡。其中砂輪優(yōu)選為D20R1的200#電鍍CBN 圓環(huán)面砂輪，主軸轉速優(yōu)選為20000r/min，砂輪線速度20.9m/s，進給速度600mm/min。切削運動方式優(yōu)選為往復運動，切削步距數(shù)優(yōu)選為10～15，非切削移動的方式優(yōu)選為線性垂直于部件進退刀[10]。類似的，以與頂棱邊相似形狀的刀軌擬合出倒圓加工軌跡，刀軌如圖7所示。

2.2 試驗結果

根據以上試驗方案開展渦輪葉片榫頭側邊磨削倒圓試驗，試驗結果如圖8所示。

圖4 工藝流程圖Fig.4 Process flow chart

圖5 榫頭側邊圓角Fig.5 Fillet of tenon side

圖6 加工區(qū)域示意圖Fig.6 Machining region

圖7 榫頭棱邊加工刀軌示意圖Fig.7 Tenon edge machining tool path diagram

在三坐標測量機上對加工后側邊圓角抽取3個部位a、b、c進行采點測量，如圖9所示。計算測點到理論模型上測量軌跡的最小距離后計算加工誤差，如圖10所示，可以看出采用本文所提出的磨拋工藝系統(tǒng)加工誤差小于20μm，且整體波動幅度較小，沒有超差，證明誤差分布較為均勻，加工后輪廓度可達到20μm以內；同時使用Taylor-Hobson 輪廓儀畫線取樣測得加工表面粗糙度Ra在0.8μm以內；多個榫頭同時加工，所用加工工時可控制在180s以內。

3 結論

本文提出了針對渦輪葉片榫頭側邊倒圓的磨拋工藝系統(tǒng)，詳述了榫頭側邊倒圓的試驗方案，隨后在多主軸陣列磨削機床上進行了多個渦輪葉片榫頭側邊倒圓的批量驗證，并成倍提高了效率。

圖8 榫頭側邊倒圓結果Fig.8 Result of tenon side rounding

圖9 測點位置示意圖Fig.9 Measuring point position

圖10 測量誤差圖Fig.10 Measurement error chart

（1）搭建了針對渦輪葉片榫頭側邊倒圓的磨拋工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)了重要型號葉片榫頭倒圓的三軸聯(lián)動高效率高精度陣列加工，測量結果表明陣列加工葉片榫頭形位精度一致性極好，在0.02mm以內,表面粗糙度Ra在0.8μm以內。

（2）采用磨拋工藝系統(tǒng)，可以將單個榫頭倒圓時間控制在180s以內，配合陣列加工，大幅度縮短了機床加工工時，提高了加工效率。

（3）若要進一步去除榫頭側邊圓角的加工刀紋，建議后續(xù)可進行振動光飾處理。