葉尖曲面磨削工藝在數控立車上實用性研究

王娜 李偉 楊靜 杜寶玉 常芳

摘 要：本文針對發動機高壓轉子葉片外徑曲面應用需求，對轉子葉片外徑曲面磨削加工技術進行了探索性研究。通過對發動機高壓壓氣機轉子結構特點及葉尖曲面加工要求進行分析和研究，從立車改造、磨頭系統研發、專用工裝結構確定、數控程序編制和工藝方法摸索等方面制定出了比較完善的總體方案，成功攻克了點式磨削工藝技術，為解決轉子葉尖曲面磨削加工提供了有益的思路。

關鍵詞：壓氣機轉子；磨頭系統裝置；專用工裝設計；曲面磨削工藝方法

中圖分類號：TG58 文獻標志碼：A

0 前言

新一代航空發動機推重比的不斷提高使得發動機先進制造技術處于不斷地變革之中，傳統技術不斷精化，新技術、新工藝在新機制造過程中得以廣泛應用。目前，對發動機各類轉子葉片葉尖的曲面磨削已是國外航空發動機制造公司普遍應用的工藝技術。用現有的設備及現行的加工工藝方法難以實現壓氣機轉子葉尖曲面的加工要求，為了能夠實現葉尖曲面加工，必須研究使用新設備或對現有設備進行功能開發及研究新的加工工藝方法才能滿足葉尖曲面加工要求。通過利用現有的精密數控立式車床，在自動換刀刀座上增加電主軸磨頭，使其變成車磨一體的數控立式車磨床，另外在設備內部增加自主設計的砂輪自動休整裝置進行砂輪的自動休整，通過砂輪自動對刀補償與自動補償的點式磨削工藝方法，實現了轉子葉尖曲面磨削加工。

1 磨頭系統裝置

為實現立式數控車床的磨削功能，需研制與立式車床匹配并能實現葉尖曲面磨削的高精度磨頭系統試驗裝置，使其能夠實現磨削加工。磨頭系統主要零部件：高頻電主軸；砂輪；與刀架轉接部分；歐姆龍7.5kW變頻器；水箱；不銹鋼自吸噴射泵；水泵管路；其他小配件等。由可編程控制器進行調頻控制電主軸轉速，電主軸溫度由熱電偶進行監控，其精度選用額定功率12kW；最大電流25.4A； 額定轉速3000r/min；主軸精度跳動量0.001mm。

2 曲面磨削工藝試驗

2.1 磨削方式的選擇

磨削方式的選擇取決于被加工零件型面的復雜程度、精度和余量的大小。目前大都采用點式磨和成型磨兩種形式。這兩種磨削方式在加工型面時比較常用。根據被加工件的結構特點，選取磨削方式采用點式磨。

（1）成型磨的特點是：磨削時接觸面大，磨削抗力大，產生的切削熱也多，易產生過燒蝕，而且砂輪修整比較困難，加工精度不宜保證。

（2）點式磨的特點是：磨削時接觸面小，切削抗力小，產生的切削熱也少，適宜于加工剛性差、易變形的零件，或易產生過燒的零件，因轉子葉片屬于外伸狀態，剛性差，采用點式磨磨削方式可有效地減小切削抗力，降低零件變形等特點。

2.2 專用工裝的設計

為了方便測量與加工，采用的加工狀態為立式磨削。測量方式和測具也同樣采用立式。這樣利用底座與夾具連接方式測量每個高度和直徑尺寸。

2.3 砂輪的優化設計

砂輪優化設計的基本原則是砂輪的適用性和匹配性。砂輪作為直接或間接安裝在機床上，用以完成工件磨削加工任務的工具，我們必須考慮其適用性和協調性。即適用于所選用的機床，適用于所選用的工件以及與磨削加工任務相匹配。砂輪結構的合理設計，應考慮合適的磨削方式、砂輪的幾何參數、零件的尺寸精度、被磨削材料的選擇等，合理地選擇砂輪結構，確定最佳的切削參數是實現對工件曲線點式磨削最關鍵的步驟之一。

由于壓氣機轉子材料要求，同時能滿足葉尖曲面磨削要求及其對加工過程中安全性的考慮，對砂輪的選材，形狀、尺寸等都有嚴格的要求。針對葉片材質為鈦合金材料。磨削過程中易產生砂輪急劇磨損鈍化；磨削力和磨削溫度較高，磨削表面易燒傷；加工硬化嚴重，應合理選擇砂輪和磨削用量。應選用剛玉類砂輪，該磨料磨削比高，可獲得理想的磨削表面完整性，所以轉子組件葉尖的磨削選用碟型鋯剛玉砂輪。砂輪形狀的打磨采用金剛筆修整。

2.4 數控程序編制

開發出復雜曲面磨加工數控程序模塊完成葉尖曲面的磨加工及磨削過程中砂輪磨損后的自動修整、自動補償這一重要技術難題，是解決復雜曲面磨削技術的關鍵所在。

（1）工件曲面點式磨削程序模塊工件曲面點式磨削程序模塊是一個循環主程序塊，由包括加工工件的DOMN子程序、UP子程序及砂輪修整子程序等組成。加工工件的DOMN、UP子程序采用增量編制，其余主程序、子程序采用絕對坐標編制。加工時，只需將工件的數據賦予DOMN、UP 子程序參數，即可完成工件曲面的磨削控制。

（2）砂輪成型修整程序模塊是一個主程序下的循環子程序塊，采用絕對坐標編制，用工件的加工參數控制砂輪的修整形狀。該程序模塊具有通用性，設置了數據參數，只需將工件的數據賦予參數，即可完成砂輪的成型修整。砂輪以徑向每次最多進給0.05mm/r上下往復運動。解決了成型磨中砂輪的自動修整成型技術難題，精度高，安全可靠，保證了零件的加工精度。

2.5 磨削工藝參數的選擇

點式磨方式可有效地減少切削抗力，減少零件變形等特點。可以在數控立車上改裝磨頭進行磨削。車床改磨床加工后沒有砂輪自動修正器，使用手工進行修正砂輪，待修正成需要的形狀，用開發的工件曲線點式磨削程序模塊方式加工工件。利用模擬件進行加工工藝參數摸索，最終確定加工過程中的工藝參數。

最終選定砂輪轉速3000r/min～3500r/min，零件轉速12r/min～20r/min，進給量0.06mm～0.12mm，磨削深度0.05mm～0.10mm。

砂輪對刀方式：采用車床自動對刀儀對刀，砂輪周向跳動0.28 ，端面跳動0.1；砂輪跳動大，為消除對刀誤差，選用砂輪最高點對刀。夾緊方式：采用壓蓋壓緊 ，軸向采用四點定位塊定位，徑向采用間隙配合止口定位。

2.6 試驗結果分析與評價

曲面磨削的加工過程是在數控立車的刀臺上夾持一個動力磨頭系統，將砂輪修成小圓角，模擬成車刀，用開發的工件曲線點式磨削程序模塊完成轉子組件葉尖曲面的磨削。為了實現對工件曲線點式磨削，需用機床原固有的程序修整砂輪的Z面、X面，用機床原固有的程序將砂輪修整成需要的小圓角。工件磨削時采用粗磨、半精磨、精磨、超精磨方式，并按葉尖的加工尺寸，通過調整數控程序給定的進給量、磨削參數來控制。曲面點式磨削方式，由于砂輪與工件是點接觸，砂輪磨損較快，且砂輪的小圓角不規則，在磨損處形成小直線段，不易發現，需要多次精確測量，對加工過程進行軸向、徑向補償。

結語

隨著發動機品種趨向多元化，加工技術趨向復雜化，就需要不斷提高加工技術，開創新的加工方法。轉子復雜曲面的磨削工藝，創新開發出葉尖曲面加工制造技術、高精度動力磨頭系統、數控編程方法，是完整、可靠、科學的工藝技術方法，該技術解決了轉子復雜曲面磨削的技術難題，該項復雜曲面磨削技術具有實用性、通用性，適用于類似結構的復雜曲面磨削加工，也為以后加工類似的零件提供了新的思路，同時使我們的發動機制造水平邁上了一個新的臺階。

參考文獻

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