黎先才，葉 歡，何志強(qiáng)

(1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002;2.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191;3.棗莊北航機(jī)床創(chuàng)新研究院，山東 棗莊 277599)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，設(shè)計(jì)是主導(dǎo)，材料是基礎(chǔ)，制造是保障，試驗(yàn)是關(guān)鍵，可以說沒有先進(jìn)的材料和制造技術(shù)就沒有更先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。就整體葉盤的拋光加工過程而言，由于其空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拋光難度很大，因此目前仍然以手工拋光為主。但手工拋光的一致性和穩(wěn)定性難以保證，尤其是針對(duì)整體葉盤零件，若單個(gè)葉片出現(xiàn)拋光失誤將導(dǎo)致整個(gè)零件報(bào)廢，造成十分嚴(yán)重的損失。此外，手工拋光的勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)工人的身體健康也有著嚴(yán)重危害。因此，急需突破整體葉盤零件的全型面自動(dòng)化拋光技術(shù)。

國外在整體葉盤自動(dòng)化拋光技術(shù)方面較早地開展了研究，目前已大量用于實(shí)際生產(chǎn)中。美國的ACME、Huck等公司采用機(jī)器人拋光的方式完成了整體葉盤的拋光加工，美國Dynatics公司利用磨粒流完成了美國某航天發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控銑削加工后的整體葉盤表面的拋光[2]，法國SNECMA公司也用磨粒流完成了精銑后整體葉盤的拋光[3]。國內(nèi)近些年也在逐步開展整體葉盤的自動(dòng)化拋光研究。重慶大學(xué)黃云教授團(tuán)隊(duì)利用多軸數(shù)控砂帶磨削實(shí)現(xiàn)了整體葉盤葉片型面的拋光，提出了運(yùn)用砂帶、尼龍輪等磨具結(jié)合機(jī)器人、多刀庫式的磨削方法實(shí)現(xiàn)整體葉盤全型面拋光，取得了一定的成果[4-5]。西北工藝大學(xué)史耀耀教授團(tuán)隊(duì)研制了用于整體葉盤拋光的柔性磨頭工具與磨頭機(jī)構(gòu)，同時(shí)在整體葉盤的拋光工藝方面開展了研究工作[6-8]。此外，國內(nèi)在機(jī)器人拋光整體葉盤的方面也開展了一定的研究[9-10]。然而，針對(duì)中小型整體葉盤的自動(dòng)化拋光，由于葉片彎扭更嚴(yán)重，葉片間距更小，干涉情況更復(fù)雜，導(dǎo)致其拋光輪、拋光工藝等要求更加嚴(yán)格。目前，國內(nèi)尚未有針對(duì)中小型整體葉盤全型面數(shù)控拋光的應(yīng)用報(bào)道。

北京航空航天大學(xué)和中國航發(fā)南方公司等在中小型整體葉盤的加工技術(shù)方面開展了長(zhǎng)期緊密的合作研究，基于北航在復(fù)雜曲面寬行加工領(lǐng)域取得的成果，已實(shí)現(xiàn)多種型號(hào)中小型整體葉盤的寬行加工。與此同時(shí)，基于北航提出的數(shù)控輪式定軌跡拋光工藝方案，通過設(shè)計(jì)合適的拋光輪，可以完成多種葉片特征結(jié)構(gòu)的拋光，目前已成功應(yīng)用于多種型號(hào)葉片的數(shù)控拋光。然而，整體葉盤的自動(dòng)化拋光并非簡(jiǎn)單的將傳統(tǒng)的加工技術(shù)與單個(gè)葉片的拋光技術(shù)組合起來，由于零件的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工程化應(yīng)用等實(shí)際要求，在工具設(shè)計(jì)與制作、軌跡規(guī)劃、參數(shù)優(yōu)化等方面仍然存在許多問題。因此，本文對(duì)中小型整體葉盤全型面自動(dòng)化拋光技術(shù)開展了研究，旨在提高整體葉盤零件的加工質(zhì)量，提升我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平。

1 整體葉盤零件分析

圖1為某型號(hào)中小型整體葉片的實(shí)際零件，零件材料為TC4鈦合金，待拋光表面包括葉盆葉背、進(jìn)排氣邊、葉根圓弧以及流道面。該零件精加工階段采用五軸數(shù)控銑削，銑削后零件表面殘留刀紋明顯，表面粗糙度約為Ra1.6，需要通過拋光去除，銑削紋路并達(dá)到Ra<0.4的技術(shù)要求，同時(shí)拋光去除深度要求在0.01～0.02 mm。目前該零件的拋光由手工完成，但漏拋、過拋、削邊等拋光缺陷時(shí)有發(fā)生，拋光表面的一致性難以得到保證。

圖1 整體葉盤實(shí)際零件

針對(duì)該中小型整體葉盤全型面拋光的難題，本文采用五軸數(shù)控機(jī)床輪式定軌跡拋光的工藝方法，研制了多種型號(hào)的拋光輪，并對(duì)零件的全型面拋光工藝方法開展了研究。通過開展拋光工藝實(shí)驗(yàn)，獲得了合理的拋光參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了零件的全型面數(shù)控拋光，拋光結(jié)果滿足技術(shù)要求與實(shí)際生產(chǎn)需要。

2 中小型整體葉盤全型面自動(dòng)化拋光技術(shù)

2.1 拋光特征區(qū)域劃分

整體葉盤拋光時(shí)，不同的零件表面特征需要采用不同的拋光工藝方法及參數(shù)。根據(jù)零件表面的曲率特征，將整體葉盤分為葉身型面、進(jìn)排氣邊、葉根圓弧以及流道面4個(gè)區(qū)域。如圖2所示。其中，葉身型面的拋光主要考慮拋光效率，因而采用鼓形拋光輪，進(jìn)排氣邊需要嚴(yán)格控制拋光深度，可采用去除能力更低的拋光輪，根部區(qū)域干涉情況最嚴(yán)重，需要采用小尺寸的球面拋光輪，而流道面相對(duì)空間較大，可適當(dāng)增大拋光輪的尺寸，提高拋光效率。

圖2 拋光區(qū)域劃分

2.2 拋光輪設(shè)計(jì)

在整體葉盤的拋光中，拋光輪的精度和壽命要求更高。因此，首先必須采用合理的磨料層結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)磨料層結(jié)構(gòu)存在精度差、壽命低等問題，難以用于整體葉盤的自動(dòng)化拋光。本文采用北航自主研制的復(fù)雜母線超硬磨料拋光輪，如圖3所示。通過采用超硬磨料與局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)[11]，拋光輪的壽命大幅度提高，同時(shí)采用模壓的成形方法，使得拋光輪的輪廓精度可以控制在0.05 mm以內(nèi)。

(a) 傳統(tǒng)磨料層結(jié)構(gòu) (b) 具有局部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)

確定磨料層結(jié)構(gòu)后，需要對(duì)拋光工具的形狀尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谇捌诒焙皆谥行⌒驼w葉盤寬行加工側(cè)銑加工中刀具的設(shè)計(jì)方法[12]，對(duì)各拋光區(qū)域拋光輪的形狀尺寸進(jìn)行了計(jì)算。此外，拋光輪的設(shè)計(jì)還包括物理層面的設(shè)計(jì)，如柔性基體剛度、磨料粒度等。對(duì)于要求去除銑削加工刀紋的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)采用剛度較大、磨料粒度較大的拋光輪，而對(duì)于進(jìn)排氣邊，以及主要要求降低表面粗糙度的場(chǎng)合，宜采用剛度較小、磨料粒度較小的拋光輪。以常用的橡膠基體為例，常用的橡膠硬度范圍為HA30～70，磨料粒度號(hào)為200#～6000#。最終，針對(duì)上述零件設(shè)計(jì)的拋光輪如圖4所示。圖4a用于拋光葉身型面及進(jìn)排氣邊；圖4b用于拋光葉根圓??；圖4c用于拋光流道面。

(a) 鼓形拋光輪 (b) R2拋光輪 (c) R3拋光輪

2.3 葉根圓弧拋光輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

典型的葉根圓弧拋光輪結(jié)構(gòu)如圖5所示?？梢钥吹?，由于拋光輪尺寸較小，橡膠與拋光輪桿之間的膠結(jié)面積小，拋光時(shí)橡膠易與拋光輪桿脫離，進(jìn)而引發(fā)橡膠撕裂，導(dǎo)致拋光輪前端損壞，如圖6所示。

圖5 典型葉根圓弧拋光輪的結(jié)構(gòu)

圖6 拋光輪前端損壞

可以認(rèn)為，葉根拋光輪的前端損壞屬于橡膠-鋼雙材料的界面斷裂問題，其中，裂紋產(chǎn)生與裂紋擴(kuò)展速度是該問題的主要影響因素。對(duì)于裂紋產(chǎn)生，其受應(yīng)變能密度及最大主應(yīng)力的影響，在橡膠單元里應(yīng)變能密度及最大主應(yīng)力值最大的地方，最容易產(chǎn)生裂紋；對(duì)于裂紋擴(kuò)展速度，其主要受撕裂能影響，撕裂能越大，裂紋越容易發(fā)生擴(kuò)展。為此，建立了葉根圓弧區(qū)域的工具接觸有限元模型。首先，對(duì)橡膠與拋光輪桿膠結(jié)面上的應(yīng)變能密度進(jìn)行了分析，如圖7所示。

圖7 橡膠膠結(jié)面應(yīng)變能密度分布云圖

可以看到，橡膠與拋光輪桿頂端膠結(jié)界面應(yīng)變能密度最大。在膠結(jié)界面上，查看最大主應(yīng)力的分布，如圖8所示?？梢钥吹?，界面邊緣位置A、B處的最大主應(yīng)力最大。因此，裂紋最可能在A、B處產(chǎn)生。

圖8 膠結(jié)界面的最大主應(yīng)力分布

為了確定橡膠初始裂紋擴(kuò)展的位置，假定A、B兩處的4個(gè)區(qū)域?yàn)榱鸭y產(chǎn)生區(qū)域，如圖9所示。計(jì)算出這四處裂紋產(chǎn)生區(qū)域的撕裂能并比較它們的大小，發(fā)現(xiàn)A1處的撕裂能最大，即該處的裂紋最容易發(fā)生擴(kuò)展。因此，A1處為拋光時(shí)橡膠最危險(xiǎn)的區(qū)域，這與實(shí)際拋光輪損壞的位置也是相符的。

(a) 假定的四個(gè)裂紋產(chǎn)生區(qū)域

確定危險(xiǎn)位置后，設(shè)計(jì)了5種不同結(jié)構(gòu)的拋光輪桿，如圖10所示。對(duì)5種不同拋光輪桿頂端形狀的撕裂能進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)四針型拋光輪桿的撕裂能最小，因此選擇四針型拋光輪桿，從而解決了葉根拋光輪易損壞的問題。

(a) 圓柱型 (b) 球型 (c) 圓錐型

2.4 拋光軌跡規(guī)劃

由于各拋光區(qū)域具有不同的特點(diǎn)與要求，因而需要針對(duì)各拋光區(qū)域合理規(guī)劃拋光軌跡。對(duì)于葉盆葉背區(qū)域，其表面較為平緩，且相對(duì)開敞，但靠近葉片根部區(qū)域，拋光輪容易與零件發(fā)生干涉，因此選擇插拋的軌跡；進(jìn)排氣邊區(qū)域曲率半徑較小，若采用周拋軌跡，則對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能要求十分嚴(yán)格，極易發(fā)生削邊等拋光缺陷，因此亦采用插拋的軌跡；對(duì)于葉根圓弧與流道面區(qū)域，一方面需要考慮避免干涉，另一方面，由于拋光輪尺寸較小，線速度較低且分布不均，因此需要盡可能避免采用拋光輪上線速度較低的區(qū)域進(jìn)行拋光。最終各區(qū)域的拋光軌跡如圖11所示。

(a) 葉身型面軌跡 (b) 進(jìn)排氣邊軌跡

2.5 拋光參數(shù)選擇

在選擇各區(qū)域的拋光參數(shù)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)考慮工具的線速度。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拋光該零件材料的線速度達(dá)到10 m/s以上時(shí)，零件表面極易發(fā)生黏附現(xiàn)象，導(dǎo)致表面粗糙度急劇變大，如圖12所示。接著，考慮到零件剛性、安裝誤差、待拋光表面的余量不均勻性以及工具偏差等因素，一般設(shè)定壓緊量為0.1～0.3 mm；然后，根據(jù)拋光表面波紋度要求確定行寬的大致范圍；最終，根據(jù)拋光去除深度、表面粗糙度以及加工效率要求確定進(jìn)給速度。

圖12 掃描電鏡下觀察的鈦合金拋光黏附現(xiàn)象

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文的拋光實(shí)驗(yàn)在五坐標(biāo)葉片磨削機(jī)床上進(jìn)行，如圖13所示。該設(shè)備由北航與秦川機(jī)床聯(lián)合研制，精度達(dá)到了國外先進(jìn)機(jī)床的同等水平，保障了拋光過程的穩(wěn)定可靠。拋光時(shí)，拋光輪通過通用刀柄安裝與機(jī)床主軸上，零件采用雙端夾持，從而在拋光流道面及葉根圓弧時(shí)，可以從零件的兩側(cè)分別進(jìn)刀。

圖13 整體葉盤拋光現(xiàn)場(chǎng)

依據(jù)上述思路，在實(shí)際零件上開展了充分的拋光參數(shù)實(shí)驗(yàn)，最終零件的拋光表面效果如圖14所示。對(duì)拋光后各區(qū)域的表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表1所示。可以看到，拋光前零件表面有明顯殘留加工紋路，拋光后零件加工紋路被去除，且無肉眼可見波紋度，表面粗糙度滿足Ra<0.4的技術(shù)要求。同時(shí)拋光去除深度約為0.01～0.02 mm，滿足零件拋光要求。

(a) 拋光前表面效果 (b) 拋光后表面效果

表1 拋光前后表面粗糙度對(duì)比表

續(xù)表

4 結(jié)論

通過研制針對(duì)中小型整體葉盤的多種型號(hào)拋光輪，在五坐標(biāo)葉片磨拋機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了零件的全型面拋光，拋光表面粗糙度與去除深度可控，為取代手工拋光提供了技術(shù)積累。該技術(shù)有望徹底改變中小型整體葉盤零件對(duì)手工拋光的依賴，提高了零件的加工質(zhì)量，同時(shí)可用于解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)多種關(guān)鍵零部件中狹小區(qū)域的自動(dòng)化拋光難題。最終得到結(jié)論如下：

(1)研制了針對(duì)葉盆葉背、進(jìn)排氣邊、葉根圓弧以及流道面的拋光輪，實(shí)現(xiàn)了葉片根部、流道面等狹小區(qū)域的自動(dòng)化拋光；

(2)拋光后零件表面粗糙度Ra<0.4，去除深度約為0.01～0.02 mm，滿足零件拋光的技術(shù)要求。