孫雨婷 昂給拉瑪 趙 明 吳志新

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)不僅是航空工程的重要設(shè)備，也是一個(gè)國(guó)家機(jī)械加工制造、工業(yè)綜合技術(shù)水平和科技實(shí)力的重要體現(xiàn)。目前，由于我國(guó)航空工程的需要，因此對(duì)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)有了更高要求，進(jìn)而投入了大量人力、物力和研發(fā)資金，致力于國(guó)際頂尖水平航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)制造[1]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，葉片是最重要的組件，葉片表面的加工質(zhì)量、葉片形狀的輪廓加工精度對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作性能和使用壽命有重要影響[2]。但是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片自身形狀的特殊性、所用材料機(jī)械加工性能的限制使很多常規(guī)加工方法都無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，從而使葉片的加工質(zhì)量和加工效率都難以達(dá)到理想水平[3]。本文選用自動(dòng)化磨削加工方法，通過(guò)理論和試驗(yàn)分析了該方法對(duì)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工質(zhì)量的作用。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削加工的機(jī)械特性

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工難點(diǎn)包括2 個(gè)方面。第一個(gè)方面，葉片的形狀不規(guī)則、起伏變化大，從而導(dǎo)致加工過(guò)程中余量分布極不均勻。第二個(gè)方面，葉片的選用材料一般都比較特殊，屬于剛度較低的材料，因此常規(guī)加工效果不理想。葉片的加工經(jīng)常出現(xiàn)削邊誤差、縮邊誤差、平頭誤差和尖頭誤差等，如圖1所示。

圖1 葉片的加工誤差分類(lèi)

為了解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工中存在的問(wèn)題，本文采用自動(dòng)化磨削加工來(lái)提升加工質(zhì)量。磨削加工的最大優(yōu)勢(shì)在于其加工精度高且為柔性加工，之所以具有柔性特點(diǎn)，是因?yàn)槟ハ骷庸に玫纳皫Щw材料的彈性較大，而外圍材料也是彈性材料。因此在磨削加工過(guò)程中，砂帶和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面之間始終保持彈性接觸狀態(tài)，不會(huì)造成剛性破壞。運(yùn)用磨削技術(shù)完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工的示意圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)用磨削技術(shù)完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工的示意圖

從圖2 可以看出，右側(cè)下方是航空發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)葉片的三維模型，與其接觸的是接觸桿和接觸輪共同帶動(dòng)的砂帶，砂帶也是完成磨削加工的主要工具。砂帶與葉片接觸的局部放大情況如左上虛線框所示，可以看出砂帶包括橡膠層、砂帶基底材料、粘結(jié)劑和磨粒等構(gòu)成元素。

運(yùn)用砂帶執(zhí)行磨削加工的效果包括2 個(gè)方面。第一是達(dá)到切除余量、塑造葉片形狀的效果。第二是一邊加工一邊降低葉片表面粗糙度并提升葉片表面質(zhì)量。磨削加工中，葉片余量被去除的模型如公式（1）所示。

式中：r代表航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片被切除的余量；C代表磨削加工過(guò)程中的修正系數(shù)；K代表葉片對(duì)磨削加工形成的阻力系數(shù)；Kt代表磨削加工過(guò)程中磨具的損失比例；Vb代表磨削加工過(guò)程中的砂帶速度；Vw代表葉片的進(jìn)給速度；F代表磨削加工過(guò)程中的法向壓力。

從上述磨削加工過(guò)程的仿真分析可以看出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片雖然光滑，但形狀并不規(guī)則。如果采用的加工方法過(guò)于剛性，容易使葉片在加工過(guò)程中發(fā)生損壞或無(wú)法滿(mǎn)足形狀精度的加工要求。因此，需要選擇一種柔性更好的加工方法，以去除加工過(guò)程中葉片與刀具之間的純剛性接觸。磨削加工符合該要求。其關(guān)鍵原因在于磨削加工過(guò)程中，磨削刀具與葉片之間的接觸為彈性。一定程度上，彈性形變的存留及彈性形變的可恢復(fù)性確保了加工過(guò)程中的接觸柔性化。為了進(jìn)一步明確這種彈性特征，需要對(duì)葉片加工過(guò)程中的受力情況做進(jìn)一步分析。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削加工的力學(xué)分析

從砂帶的組成可以看出，基底材料上通過(guò)粘結(jié)劑粘合的每個(gè)磨粒都具有類(lèi)似微刃的作用，可以完成余量切削。但是，這些磨粒本身具有較高的剛度，再加上基底材料、橡膠層的彈性，會(huì)使砂帶在加工過(guò)程中出現(xiàn)明顯的彈性加工特性，而這種彈性會(huì)導(dǎo)致磨削加工過(guò)程中的不確定性。

為此，本文改進(jìn)了實(shí)際磨削加工過(guò)程，通過(guò)配置一個(gè)彈簧來(lái)平衡加工過(guò)程中由彈性引起的不確定性。本文所選彈簧的彈性系數(shù)較低，因此對(duì)加工過(guò)程中受力的變化反應(yīng)靈敏。當(dāng)磨削加工過(guò)程中出現(xiàn)彈性不確定時(shí)，附加的彈簧會(huì)削弱、抑制以至抵消這種不確定性。本文對(duì)磨削加工過(guò)程的改進(jìn)處理如圖3所示。

圖3 本文對(duì)磨削加工過(guò)程的改進(jìn)處理

在圖3 中，帶有雙向箭頭的線條代表了砂帶，支撐砂帶的輪系內(nèi)共有3 個(gè)輪，其中上方2 個(gè)輪為過(guò)渡輪，底部的輪為接觸輪。接觸輪上附著的砂帶和被加工的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面接觸，最上方是本文配置的用于抵消彈性加工不確定性的彈簧。

完整砂帶鏈條上的2 個(gè)參數(shù)T1和T2代表砂帶表現(xiàn)出的張緊力，P代表磨削加工過(guò)程中被加工葉片對(duì)砂帶中嵌入的磨粒形成的反作用力。該反作用力可以抵消砂帶表現(xiàn)出來(lái)的張緊力。據(jù)此，可以得到垂直方向上的受力分析關(guān)系，如公式（2）所示。

式中：F1代表磨削加工過(guò)程中砂帶和接觸輪之間彈性力；F2代表附加配置彈簧產(chǎn)生的拉力；FN代表了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)接觸輪產(chǎn)生的磨削壓力；G代表接觸輪自身質(zhì)量產(chǎn)生的重力。

在自動(dòng)化磨削加工過(guò)程中，砂帶、接觸輪都會(huì)發(fā)生由彈性原理產(chǎn)生的變形，但是二者之間存在顯著不同。砂帶本身的厚度小于2mm，因此其在磨削加工過(guò)程中表現(xiàn)出的彈性變形也較小。接觸輪的直徑大于砂帶厚度，因此其在磨削加工過(guò)程中的彈性變形較大。2 種變形相比，砂帶變形基本可以忽略不計(jì)。在實(shí)際加工中可發(fā)現(xiàn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的磨削加工壓力小于50N，由此引起的接觸輪的變形不會(huì)超過(guò)20%，如果不存在極特殊情況，變形過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系是線性的，如公式（3）所示。

式中：F1代表磨削加工過(guò)程中接觸輪受到的外力；E代表接觸輪的彈性模量；S代表磨削加工過(guò)程中接觸輪和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片之間形成的接觸面的面積；L代表砂帶中橡膠層的厚度；x1代表磨削加工過(guò)程中接觸輪產(chǎn)生的形變。

進(jìn)一步分析磨削加工過(guò)程中額外配置彈簧的受力和變形關(guān)系，仍然是受力總體情況較小，變形和受力之間的關(guān)系也符合線性關(guān)系，如公式（4）所示。

式中：F2代表磨削加工過(guò)程中彈簧受到的外力；k2代表配置彈簧的彈性系數(shù)；x2代表磨削加工過(guò)程中伸縮量。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削加工的測(cè)試試驗(yàn)

構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的磨削加工模型并進(jìn)行受力分析后，需要進(jìn)一步測(cè)試實(shí)際加工過(guò)程中的各種對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化。

第一組試驗(yàn)，觀察磨削壓力和額外配置的彈簧變形量之間的關(guān)系。磨削壓力自動(dòng)控制為從5N 開(kāi)始，每次增加5N，一直增加至25N。測(cè)量彈簧變形量時(shí)，以其垂直方向上2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間彈簧簧絲的伸縮量為依據(jù)。據(jù)此繪制出航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削加工中磨削壓力-彈簧拉伸量的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 磨削加工中磨削壓力-彈簧拉伸量的關(guān)系曲線

圖4 中，當(dāng)磨削壓力為5N 時(shí)，彈簧拉伸量為16.53mm；當(dāng)磨削壓力為10N 時(shí)，彈簧拉伸量為32.24mm；當(dāng)磨削壓力為15N 時(shí)，彈簧拉伸量為48.87mm；當(dāng)磨削壓力為20N時(shí)，彈簧拉伸量為67.57mm；當(dāng)磨削壓力為25N 時(shí)，彈簧拉伸量為85.21mm。從這組參數(shù)關(guān)系可以看出，在磨削過(guò)程中，磨削壓力和彈簧拉伸量之間基本符合線性關(guān)系變化，和上述理論分析也是吻合的。

第二組試驗(yàn)，觀察磨削過(guò)程中磨頭垂直方向上位移量和磨削壓力之間的關(guān)系。磨削壓力細(xì)分為2 種，即靜態(tài)磨削壓力和動(dòng)態(tài)磨削壓力。磨頭垂直方向上位移量從10mm開(kāi)始，以5mm 為單位增加，一直增加制動(dòng)50mm。據(jù)此繪制出航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削加工中磨頭垂直方向上位移量-磨削壓力的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 磨頭垂直方向上位移量-磨削壓力的關(guān)系曲線

從圖5 中2 組曲線變化情況可以看出，無(wú)論是靜態(tài)磨削壓力還是動(dòng)態(tài)磨削壓力，其變化與磨頭垂直方向上位移量的變化基本均滿(mǎn)足線性關(guān)系，并且靜態(tài)磨削壓力的曲線始終位于動(dòng)態(tài)磨削壓力的曲線上方。

磨頭垂直方向位移量和靜態(tài)磨削壓力之間基本滿(mǎn)足線性關(guān)系，能更明顯地體現(xiàn)出磨削加工過(guò)程中的彈性特征，從而確保磨削刀具和被加工葉片之間的柔性接觸，使葉片形狀得到了有效保護(hù)。磨頭垂直方向位移量和靜態(tài)磨削壓力之間近似滿(mǎn)足線性關(guān)系，這也在相當(dāng)程度上滿(mǎn)足了葉片加工過(guò)程中的柔性處理，從而形成了使葉片得到了有效保護(hù)。

4 結(jié)論

因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)葉片的形狀和材料具有特殊性，所以常規(guī)加工方法難以達(dá)到預(yù)期效果。本文以自動(dòng)化磨削加工為手段，構(gòu)建了磨削加工過(guò)程的三維展示模型，展示了磨削加工過(guò)程的接觸情況和磨削工具砂帶的構(gòu)成。采用額外配置彈簧的方法來(lái)抵消磨削加工過(guò)程中的彈性特性，并從接觸輪和彈簧2 個(gè)組件出發(fā)進(jìn)行了受力分析。最后對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：磨削壓力-彈簧拉伸量的關(guān)系曲線和磨頭垂直方向上位移量-磨削壓力的關(guān)系曲線均呈明顯的線性關(guān)系，并且靜態(tài)磨削壓力的曲線始終位于動(dòng)態(tài)磨削壓力的曲線上方。