劉訓(xùn)海，李超，馬麗娜

（江蘇漢龍航空科技發(fā)展有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

空天飛行中最關(guān)鍵的就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，性能優(yōu)秀的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)國(guó)家整體工業(yè)能力的最頂級(jí)的體現(xiàn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在極為有限的空間內(nèi)和極端惡劣條件下保持長(zhǎng)期、穩(wěn)定的、極端的性能，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片需要承受1700℃以上的高溫，必須承載相當(dāng)于中國(guó)三峽水庫(kù)3倍質(zhì)量的巨大壓力，其材料合成和鍛造加工的工藝非常復(fù)雜，高端的航空葉片的表面超精微細(xì)研磨處理是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的關(guān)鍵工序，其重要性不亞于發(fā)動(dòng)機(jī)本身的任何一道工序，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的瓶頸工藝之一。

1 緒論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)國(guó)家最頂級(jí)的工業(yè)技術(shù)水平的體現(xiàn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心就是耐高溫、耐高強(qiáng)度的鈦合金整體葉盤(pán)的加工水平，其葉片的加工精度和表面質(zhì)量對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和壽命有直接影響。高水平的整體航空葉盤(pán)的磨拋工藝可以提高葉片的尺寸精度及表面質(zhì)量，由于傳統(tǒng)的研磨工藝過(guò)于復(fù)雜，操作人員往往很難熟練掌握，對(duì)葉盤(pán)葉片復(fù)雜的曲面和重疊葉根部死角等無(wú)法均勻觸及，導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)的超精微細(xì)拋光研磨成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能提升的一個(gè)工藝瓶頸，亟待突破[1-2]。

1.1 技術(shù)研究背景

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)葉片的復(fù)雜曲面、重疊葉根等采用數(shù)控自動(dòng)化整體b均勻磨拋過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù):磨削工藝方式、磨拋工藝優(yōu)化、整體葉盤(pán)超精微細(xì)自動(dòng)化研磨技術(shù)。

整體葉盤(pán)成型加工過(guò)程都不可避免地在零件加工表面留下一定缺陷，這些缺陷主要包括：曲面銑波痕、微倒伏毛刺等，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)（葉片）的曲面的整體非常復(fù)雜，整體葉盤(pán)葉片之間部分垂直方向重疊扇形分布，葉片之間間隙距離限制了磨具磨頭進(jìn)入，導(dǎo)致復(fù)雜曲面無(wú)法采用上述的傳統(tǒng)研磨工藝進(jìn)行超微細(xì)研磨。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)整體葉盤(pán)葉片也進(jìn)行了大量的研究，如瑞士PRECITRAE公司的Cyberpolish T拋光機(jī)、德國(guó)IBS公司的MTS1000-6CNC的六軸砂帶磨床、英國(guó)的Cyril-Adams和Rolls-Royce公司等對(duì)航空葉片的超精微細(xì)研磨方向均采用了多種研磨工藝，國(guó)內(nèi)如XX航空航天大學(xué)、重慶XX大學(xué)、XX理工大學(xué)、中航工業(yè)北京XX航天研究所等眾多國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也研發(fā)了諸如多軸砂帶研磨機(jī)等精密研磨磨床，其無(wú)一例外的主要都是對(duì)單片葉片有著一定的技術(shù)突破，但對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤(pán)葉片均有一定的重疊葉根等很難實(shí)現(xiàn)均勻一致的超微精細(xì)研磨作業(yè)，只能在單片葉片拋光上進(jìn)行使用，不能適用于復(fù)雜的整體葉片曲面拋光，整體葉片的一致性均勻曲型面拋光是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的發(fā)展瓶頸。

1.3 研究的內(nèi)容和意義

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)是將葉片與輪盤(pán)設(shè)計(jì)成一體，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。整體葉盤(pán)中的葉片存在型面的疊加變化，具有薄壁、弦寬、彎掠、葉片疊加等復(fù)雜整體幾何特征，傳統(tǒng)研磨加工過(guò)程中磨具很難進(jìn)近葉片內(nèi)根幾何死角位置，重疊的葉片亦容易導(dǎo)致磨頭干涉碰撞到葉片，這些都極可能導(dǎo)致整體葉盤(pán)報(bào)廢。目前國(guó)內(nèi)外整體葉盤(pán)的精密超微細(xì)研磨加工仍主要依靠熟練的鉗工進(jìn)行人工磨拋，普遍存在拋光效率低、各曲面研磨余量不均勻、有些用力過(guò)猛處形成過(guò)拋點(diǎn)位高溫變色、葉片重疊處研磨刀具無(wú)法均勻觸及等問(wèn)題使其難以適應(yīng)當(dāng)前新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和量產(chǎn)的需求。為滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比及高可靠性等性能提升的要求，提高整體葉盤(pán)的超精微細(xì)精密研磨加工的質(zhì)量與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)控均勻超微細(xì)研磨，就顯得非常迫切，江蘇漢龍航空科技有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐潛心研發(fā)出新型阻尼波動(dòng)超精微細(xì)自動(dòng)化整體葉盤(pán)拋光工藝，實(shí)現(xiàn)了整體航空葉盤(pán)的高精度、高效率、高質(zhì)量、自動(dòng)化的超精微細(xì)磨拋應(yīng)用加工技術(shù)[3]。

2 阻尼波超精微細(xì)自動(dòng)化拋光的工藝原理

2.1 工藝簡(jiǎn)介

江蘇漢龍航空科技發(fā)展有限公司劉訓(xùn)海、李超、馬麗娜團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，采用特殊的阻尼波超精微細(xì)光整加工方式，將整體葉盤(pán)固定在阻尼器波動(dòng)發(fā)生機(jī)頭夾具裝置上，采用數(shù)控工藝設(shè)定好自動(dòng)程序，將機(jī)頭零件按照設(shè)定好的程序侵入到機(jī)床的阻尼波動(dòng)磨料箱內(nèi)，在綜合阻尼波動(dòng)下的磨塊和磨劑等介質(zhì)在工件內(nèi)部的形成的阻尼波動(dòng)微渦流360°行程微波動(dòng)沖擊，獨(dú)立的機(jī)頭夾具同步輸出阻尼波動(dòng)，并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)自傳，在復(fù)雜的相對(duì)阻尼波混動(dòng)微沖擊運(yùn)動(dòng)下，游離狀態(tài)的磨料顆粒始終以一定的向心速度和壓力對(duì)整體葉盤(pán)件各型面進(jìn)行360°無(wú)死角滾壓及微量磨削，機(jī)頭夾具自身同步獨(dú)立輸出阻尼波動(dòng)動(dòng)力，使得磨料顆?？梢詮娜葸M(jìn)入葉盤(pán)重疊葉根處進(jìn)行均勻拋磨，從而達(dá)到均勻細(xì)化整體葉盤(pán)的復(fù)雜型面的粗糙度，去除加工毛刺和表面微觀缺陷，改善整體葉盤(pán)表面物理機(jī)械性能，同時(shí)機(jī)床設(shè)定工藝參數(shù)后實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)的自動(dòng)化研磨作業(yè)，達(dá)到不依賴(lài)人力地提高零件表面質(zhì)量和改善使用性能的目的，只需確定合適的磨粒種類(lèi)、裝入量、混合比、加工時(shí)間、自轉(zhuǎn)速度、阻尼輸出頻率等諸多參數(shù)后就能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化均勻超精微細(xì)拋磨，最終獲得理想的光整加工效果，自動(dòng)化數(shù)控阻尼波動(dòng)超精微細(xì)研磨加工工藝是這種技術(shù)的核心[4-5]。

2.2 工藝步驟

根據(jù)整體葉盤(pán)葉片表面粗糙度和加工刀紋紋路的不同區(qū)別，采用粗、中、細(xì)不同選中的磨料顆粒進(jìn)行分步驟進(jìn)行逐層次研磨，確保葉盤(pán)葉片的精度保證[6]。

2.3 阻尼波超精微細(xì)研磨拋光技術(shù)特點(diǎn)

見(jiàn)圖1：工藝優(yōu)點(diǎn)。

圖1 工藝優(yōu)點(diǎn)

2.4 超精微細(xì)拋光功能

（1）減小和細(xì)化整體葉盤(pán)葉片型面粗糙度，消除機(jī)加工痕跡、微觀紋痕等型面缺陷，提高和改善葉盤(pán)葉片整體型面質(zhì)量。

（2）拋光精度高，整體均勻微研磨去除余量小，在葉盤(pán)葉片整個(gè)型面拋光達(dá)到光潔度要求的同時(shí)，保持葉盤(pán)葉片整個(gè)型面的公差要求。

（3）通過(guò)超精微細(xì)拋光后表面光潔度高，葉盤(pán)葉片整個(gè)型面完全看不出加工痕跡，基本達(dá)到鏡面效果，表面粗糙度最低可達(dá)Ra0.16～0.05um。

（4）葉盤(pán)葉片整個(gè)型面拋光后表面均勻，一致性高，適合葉盤(pán)葉片整個(gè)型面批量超精微細(xì)加工生產(chǎn)。

（5）可徹底解決葉盤(pán)葉片整個(gè)型面曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人工和機(jī)器打磨無(wú)法完成的拋光難題。

（6）提高葉盤(pán)葉片整個(gè)型面物理力學(xué)性能，改善葉盤(pán)葉片整個(gè)型面應(yīng)力分布狀態(tài)。

（7）機(jī)床自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)一鍵輸入、一鍵啟動(dòng)、無(wú)人值守、傻瓜式超精微細(xì)研磨結(jié)果。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)阻尼波超精微細(xì)拋光結(jié)構(gòu)及工藝

3.1 機(jī)床阻尼器機(jī)架

采用數(shù)控自動(dòng)化控制系統(tǒng)自動(dòng)夾爪固定阻尼波動(dòng)夾具，夾持整體葉盤(pán)進(jìn)入阻尼波發(fā)生料箱區(qū)域，設(shè)定機(jī)夾頭的阻尼波發(fā)生頻率和自傳速度和方向，機(jī)頭和上梁架采用阻尼器固定安裝鏈接可自由整體升降系統(tǒng)，見(jiàn)圖2阻尼波動(dòng)機(jī)頭。

圖2 阻尼波動(dòng)機(jī)頭

3.2 阻尼波動(dòng)工作模式

阻尼懸掛設(shè)計(jì)機(jī)械固定抓手，將整體工件固定在阻尼懸掛梁上加懸浮機(jī)架臂上，整體沉入阻尼波動(dòng)料箱中，磨料為顆粒狀混動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)侵入復(fù)雜工件進(jìn)行非硬力整體阻尼動(dòng)微波研磨，確保復(fù)雜工件無(wú)死角，無(wú)微變形，無(wú)撞擊損壞情況下，一致性精密研磨完成！見(jiàn)圖3 整體葉盤(pán)無(wú)死角超精微細(xì)研磨、圖4微細(xì)研磨效果圖。

圖3 整體葉盤(pán)無(wú)死角超精微細(xì)研磨效果

圖4 微細(xì)研磨效果

3.3 阻尼波超精微細(xì)研磨效果

整體均勻一致，各型曲面粗糙度Ra0.2～0.16以下 ，表面紋理（放大20倍）倒伏微毛刺去除干凈，研磨刀具無(wú)法達(dá)到的根部盲區(qū)位置可以一次性粗糙度提高到Ra0.2～0.16以下，保持研磨一致性，見(jiàn)圖5研磨前后效果對(duì)比。

圖5 研磨前后效果對(duì)比

阻尼波超精微細(xì)研磨技術(shù)對(duì)整體航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜葉盤(pán)（葉片）工件可以整體一致性超微細(xì)精密研磨，整體葉盤(pán)超精微細(xì)拋光效果：①整機(jī)實(shí)行整體葉盤(pán)全自動(dòng)化數(shù)控控制一致性超微細(xì)研磨工作；②除整體葉盤(pán)毛刺、氧化皮、銹跡、雜質(zhì)等，使零件毛刺處去除后光滑、光亮；③實(shí)現(xiàn)整體葉盤(pán)的粗、中、細(xì)多種自動(dòng)化研磨工序選擇；④大幅度改善整體航空葉盤(pán)復(fù)雜型面零件毛刺部位的表面清潔度；⑤改善整體航空葉盤(pán)表面加工紋理，降低整體葉盤(pán)曲形面整體粗糙度；⑥不依賴(lài)產(chǎn)品曲面尺寸變化，整體均勻研磨360°全面拋光作業(yè)無(wú)葉根死角，確保均勻一致；⑦機(jī)床封閉加工作業(yè)，預(yù)設(shè)定參數(shù)后一鍵啟動(dòng)自動(dòng)化作業(yè)，確保工作區(qū)安全保障；⑧加工時(shí)間單位設(shè)定后自動(dòng)化精細(xì)研磨，無(wú)產(chǎn)品碰撞傷害危險(xiǎn)，不依賴(lài)人工，滿(mǎn)足工業(yè)產(chǎn)能要求；⑨一次性整體加工，不改變零件原來(lái)的形位公差，尺寸方面只有μ級(jí)變化，葉片粗糙度達(dá)Ra0.16以下。

4 結(jié)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)阻尼波超精微細(xì)自動(dòng)化拋光工藝解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)葉片整體拋光存在的整體研磨工藝缺陷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期困擾的針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)（葉片）自動(dòng)化超精微細(xì)研磨的技術(shù)、設(shè)備空白，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化數(shù)控控制機(jī)床自動(dòng)完成指令作業(yè)，同時(shí)保證葉盤(pán)葉片自有曲面精度和變形量精度控制，全面提升整體葉盤(pán)葉片的表面粗糙度，有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新！