窄流道整體葉盤定軌跡數控拋光技術研究

陳 雷 張 云 陳志同 葉 歡

(①中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽110000；②北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100191；③北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

航空發動機是國防制造業的重中之重，其高質量、高精度的生產對于我國航空事業極為重要。目前，國內外整體葉盤常用的拋光方式為手工拋光、數控輪式拋光、數控砂帶拋光以及磨粒流拋光，皆取得了較高的技術水平：(1)手工拋光是工人通過分析測量結果進行經驗性拋光去量和提高表面粗糙度，如圖1a所示，但手工拋光后各批次型面精度及表面質量的一致性較差，且極易出現過拋、漏拋等局部缺陷，國內正積極推進無手工工序。(2)數控砂帶拋光在葉片拋光中應用較好，國內外機構(德國Metabo、中國三磨海達[1]等)都有成熟的砂帶力控拋光解決方案，如圖1b所示。但整體葉盤較為狹窄的空間結構、較大的型面扭角對力控結構的小型化提出了更高的要求。(3)磨粒流拋光后具有極高的表面粗糙度，國內外機構(美國Dynatics[2]等)基于等余量精確去除的流道模芯面型反求方法和夾具設計為均勻銑削刀紋的去除提供了極為高效的手段，如圖1c所示。但由于銑削區域誤差的存在，非均勻去量對相應區域流場控制要求更高。(4)數控輪式拋光是通過數控機床或機器人替待人工操作，長壽命小尺寸工具對于整體葉盤具有較為顯著的應用效果，國內外機構(德國FraunhoferIPT、625所、西工大、北航等)皆提出了各自的解決方案[3-6]，如圖1d所示。

但不容忽視的是，國外比較重視前期拋光軌跡的調整與基于拋光機理的工藝參數優化，德國MTU盤類零件的修復中已得到大范圍應用[7]。同時，隨著材料性能的提高和加工難度的提高，超硬磨料輪式工具具備的耐磨性和長壽命在美國GE整體葉盤上得到探索[8-9]。在此基礎上，北京航空航天大學研制的具有中間過渡基體的復雜母線超硬磨料柔性拋光輪為工具[10]，其在給定預壓量條件下，高精度復雜母線外形(尺寸精度≤0.01 mm)與整體葉盤表面接觸后橡膠被壓縮產生彈性變形，進而提供穩定可控的接觸壓力，從而為拋光去量和表面質量的精確控制提供了可行性。

本文針對某窄流道整體葉盤進行定軌跡拋光技術的研究，根據窄流道整體葉盤的結構特點設計并制造了超硬磨料柔性拋光輪，通過型面、葉根、流道等典型區域的拋光試驗，有效實現整體葉盤定軌跡數控拋光，為去人工拋光奠定基礎。

1 拋光工具設計

1.1 型面拋光輪設計

(1)

(2)

(3)

在整體葉盤拋光加工中，流道空間對拋光輪最大回轉直徑Dt的影響。如圖4所示，葉片間的最短距離為dmin，設定拋光輪與相鄰葉片之間的最小安全距離為Δd，則其最大回轉直徑Dt亦應滿足式(4)。

Dt

(4)

以某型號整體葉盤為例，其葉片彎扭程度較大，兩相鄰葉片之間的最窄距離為8.3 mm，如圖5所示。根據型面曲率分布及式(3)和式(4)，確定Dt=6.4 mm，Rt=38 mm的鼓型拋光輪。

1.2 流道及根部拋光輪設計

整體葉盤流道及根部拋光時工具受到空間限制，為了防止與其他型面發生干涉，采用球頭拋光輪，其半徑Rg為整體葉盤根部圓角半徑，如圖6所示。同時，流道面區域由于自身曲率變化較大，而且受到兩側葉片的空間限制，無法使用效率較高但刀軸變化范圍較大的端面拋光的方式，因此，也采用半徑Rl球頭結構的拋光輪。考慮到流道面拋光區域比葉根拋光區域大得多，增大拋光輪的尺寸有利于提高工具壽命，但是過大尺寸的拋光輪會在與葉根過渡的區域留下過多的因干涉而難拋光到的區域。

同樣，以圖 5所示型號整體葉盤為對象，確定流道及根部拋光輪Rg=2 mm，Rl=3 mm。拋光輪刀桿的長度由葉盤葉片的高度及預留裝夾的長度決定，設計的刀桿長度為h=70 mm；刀桿的直徑受拋光力及拋光加工空間的大小影響，由于拋光力比較小，加工的流道空間狹窄且變化復雜，因此設計的刀桿直徑為d=4 mm。

2 定軌跡拋光試驗

2.1 型面拋光

當確定鼓形拋光輪的尺寸后，整體葉盤型面拋光的關鍵在于滿足表面粗糙度要求的前提下，盡可能提高拋光效率。采用粗拋+精拋的模式，先用400#拋光輪去除葉身上的刀紋，可將Ra控制至0.5～0.6 μm。再用2000#的拋光輪提高葉身表面質量，可將Ra提高至0.2～0.4 μm。但其中，粗拋密集的刀軌導致每個程序的運行時間都普遍較長，難以達到手工拋光的效率。因此，以拋光編程中的殘高控制粗拋刀軌行數，如表 1所示，當編程殘高為15 μm時，加工效率超過手工，型面刀軌和拋光效果如圖7所示。

表1 型面拋光參數優化

2.2 流道面拋光

流道面最窄的部位寬度為8.3 mm，最寬的部位寬度約為15 mm。因此當拋光的進給方向平行于銑削刀紋的方向(軸向)時，流道中較寬和較窄的部位刀軌疏密差別較大，拋光效果也會有明顯差別。為了解決該問題，并提高磨拋線速度和拋光工具的壽命，在拋光編程時設置刀軸方向傾斜一定的角度，從而拋光的進給方向近似垂直于銑削刀紋的方向(周向)，由此開展流道面拋光方式優化試驗。軸向和周向拋光效果如圖8b、c所示，周向拋光表面具有更優效果。

2.3 葉根圓弧拋光

葉根過渡圓弧半徑小，且拋光的時候受相鄰葉片及流道面的干涉影響，拋光刀軌不易生成。由于球頭部分砂帶面積小，尤其當刀軸與被加工表面幾乎垂直時，參與拋光的磨粒數量更少，導致Rg=2 mm球頭拋光輪的壽命大大降低。因此在編程時應該多利用遠離拋光輪中心位置處的區域，給拋光輪設置一定的前傾角和側傾角，使得拋光輪與葉根的接觸區域增大。由此開展葉根圓弧精拋光參數優化，如表 2所示。表面粗糙度Ra隨轉速增大是先減小后增大的變化規律，在6 000 r/min附近的表面質量最好，葉根圓弧的拋光效果如圖9所示。

表2 葉根精拋工藝參數優化

則利用選定拋光輪對示例整體葉盤在經過數控拋光加工后，葉盆和葉背的表面粗糙度均降低到Ra0.4 μm以下，葉盤拋光前后對比如圖10所示。

3 結語

本文對某型號的窄流道整體葉盤的超硬磨料柔性工具定軌跡拋光技術展開研究，所得成果及結論如下：

(1)針對窄流道整體葉盤的型面輪廓特點和幾何特征，設計適用于型面、流道、葉根圓弧的超硬磨料柔性工具，可實現整體葉盤全型面的數控拋光。

(2)針對型面、流道、葉根圓弧不同區域的拋光需求，開展定軌跡拋光試驗，完成窄流道整體葉盤的數控拋光，表面粗糙度Ra在0.4 μm以下，完全去除精銑刀紋，達到了替代人工拋光的要求。