固結磨料小工具頭修形拋光鈦合金葉片試驗研究

摘要：為了提高非均勻余量鈦合金葉片的表面質量及輪廓精度，提出基于固結磨料小工具技術的鈦合金葉片修形與拋光一體化的新方法，根據葉片加工的理論軌跡點與實際測量點之間的空間相對位置關系得到鈦合金葉片的加工余量分布情況。基于確定性拋光原理創建葉片表面定量去除模型，在機器人恒力拋光平臺上進行鈦合金葉片修形拋光試驗。試驗結果表明：鈦合金葉片葉盆的平均粗糙度從起始的0.924 μm下降到0.225 μm，葉背的平均粗糙度從起始的0.984 μm下降到0.249 μm，均達到了小于0.4 μm的加工要求；葉片表面原有的凹坑和劃痕被有效去除，加工后表面沒有明顯的缺陷，紋理致密均勻；拋光后的葉片輪廓度誤差小于葉片所允許的-0.05～0.05 mm誤差范圍。從而驗證了固結磨料小工具頭修形拋光非均勻余量鈦合金葉片的可行性，為航空發動機葉片的修形與拋光的工藝選擇提供了參考依據。

關鍵詞：固結磨料小工具；鈦合金葉片；非均勻余量；修形拋光；表面粗糙度

中圖分類號：TG580

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.010

Experimental Study of Figuring and Polishing of Titanium Alloy Blades with Fixed Abrasive Tools

XU Chengyu ZHANG Wanyi ZHANG Tianhong ZHU Yongwei

College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016

Abstract： To improve the surface quality and profile accuracy of non-uniform allowance titanium alloy blades， a new method of integrating the figuring and polishing of titanium alloy blades was proposed based on fixed abrasive tool technology. The distribution of machining allowances of titanium alloy blades was obtained according to spatial relative position relationship among the theoretical trajectory points and the actual measurement points of processing blades. The principle of deterministic polishing was used to establish the quantitative removal model of blade surfaces. The figuring and polishing of titanium alloy blade experiments were carried out on robot constant force polishing platform. Experimental results show that the average roughness of titanium blade basin decreases from 0.924 μm to 0.225 μm， and the average roughness of blade back decreases from 0.984 μm to 0.249 μm. Both of which meet the processing requirements of less than 0.4 μm. The original pits and scratches on the blade surfaces are effectively removed. There are no obvious defects on the machined surfaces and the texture is dense and uniform. The profile errors of the polished blades are less than the allowed range of -0.05～0.05 mm for the blades. The feasibility of the figuring and polishing of titanium alloy blades with non-uniform allowance of the fixed abrasive tool is verified， which provides a reference basis for the processing selection of figuring and polishing of aero-engine blades.

Key words： fixed abrasive tool; titanium alloy blade; non-uniform allowance; figuring and polishing; surface roughness

0 引言

發動機葉片作為航空發動機的核心零部件之一，它在工作時會承受巨大的離心力、高溫高壓以及高頻振動，加工精度及表面質量對其服役性能影響巨大［1-4］。影響葉片疲勞強度的主要因素是葉片的表面質量，因此，提高葉片的表面質量對航空發動機的動力性能及可靠性至關重要［5-7］。目前，航空發動機葉片主要是通過精密銑削來完成型面加工，但由于葉片通常采用難加工材料制成，如高溫合金、鈦合金等，銑削加工難以保證葉片表面質量和型面精度，因此在精密銑削后還需要通過修型、拋光等工藝，使表面完整性和形狀精度得到提高［8］。

眾多科研單位對航空發動機葉片的磨拋工藝進行了深入研究。重慶大學肖貴堅等［9］提出的砂帶磨拋方法可提高葉片型面精度一致性，建立磨拋控制方程并對整體葉盤葉片進行了拋光試驗，拋光后的葉片表面粗糙度和型面精度均達到工藝指標要求。ZOU等［10］提出了一種自適應浮動方法來補償機器人砂帶磨拋系統的加工誤差，通過分析砂帶與工件的接觸狀態，提出了一種雙矢量控制方法，磨拋后的葉片輪廓精度在0.06 mm以內，表面粗糙度小于0.4 μm，符合航空發動機葉片的加工精度標準。LI等［11］基于LabVIEW的測試系統軟件建立了狀態參數（磨削力、振動和溫度）的多參數測試平臺，分析了狀態參數對材料去除、輪廓精度、表面質量的影響，通過試驗得出磨削后葉片的輪廓精度在公差范圍內，葉片的表面質量較好。CHEN等［12］為了提高Ti-6Al-4V葉片的拋光質量，提出了多參數全局靈敏度分析（MPGRSA）和單參數局部靈敏度分析（SPLSA）相結合的綜合分析方法，得到了以表面質量為導向的拋光工藝參數最優組合。陳庚等［13］建立了表面粗糙度和材料去除深度的預測模型，得到基于法向接觸力變化的自適應工藝參數，提高了葉片的表面粗糙度和材料去除深度的一致性。HUAI等［14-16］提出了基于五軸數控的柔性砂布輪拋光工藝，并通過試驗獲得了基于表面粗糙度和拋光效率雙重優化目標的工藝參數優化組合，不僅可以顯著縮短加工時間，而且可以獲得表面粗糙度小于0.4 μm、葉片輪廓公差在公差帶內的合格葉片。陳燕等［17］提出采用徑向磁極的磁力拋光工具拋光葉片，通過在磁極表面開矩形槽提高磁場強度變化率，加工效率能提高31%，葉片拋光后的表面粗糙度值達到0.18 μm。

目前葉片拋光加工大多是通過拋光工具恒力恒速在工件表面做進給運動實現材料去除，對余量分布均勻的工件有較好的磨拋效果，但對葉片修形的效果并不明顯，關于葉片表面材料定量去除的研究尚不多見。本文提出基于固結磨料小工具的鈦合金葉片修形拋光一體化方法，通過創建葉片表面定量去除模型得到拋光工具在葉片表面的駐留時間，并基于機器人恒力拋光平臺試驗獲得拋光后葉片的表面粗糙度、表面形貌及輪廓精度，驗證本文所提方法的可行性，為航空發動機葉片的修形拋光加工方法及工藝參數的設計提供參考依據。

1 鈦合金葉片修形拋光表面創成

修形拋光技術的特點是根據拋光工具的去除函數和駐留時間的卷積對工件進行定量材料去除［18］。在實際加工中，駐留時間是通過反向求卷積得到的矩陣，測量加工前后工件表面的型面誤差，將目標模型的型面減去加工前的工件表面的型面，得到工件需要的加工余量。逆向求解卷積，獲得駐留時間分布矩陣。將駐留時間矩陣導入數控加工中心PC端，編寫拋光加工的軌跡路徑，實現對加工余量分布不均勻工件的確定性去除。

1.1 葉片表面加工余量計算

在修形拋光加工中，通過改變固結磨料小工具頭在軌跡點的駐留時間實現對葉片表面的定量材料去除，駐留時間矩陣的求解需要已知葉片表面軌跡點的材料去除深度，因此葉片表面的加工余量的計算極其重要。精確的加工余量不僅能保證修形拋光加工的穩定性和連續性，還有助于駐留時間矩陣的計算，提高葉片加工效率。基于Visual Studio平臺搭建UG二次開發環境，規劃機器人加工的拋光路徑，在理論葉片三維模型上生成拋光軌跡點，獲得每個軌跡點的三維坐標數據。采用三坐標測量儀對鈦合金葉片進行測量，得到實際葉片型面數據，如圖1所示，分別為鈦合金葉片上測量點的分布情況。按照理論葉片模型的空間坐標位置，調整實際葉片模型的x、y、z軸與理論葉片型面一致，統一兩者的基準坐標系。

圖2所示為葉片加工余量模型，P1（x1，y1，z1） 為實際葉片型面上的測量點，N1（i1，j1，k1）為P1點相對于曲面指向理論葉片型面的法向量，N2（i2，j2，k2）為過P1點垂直于水平面的方向向量，P2（x2，y2，z2）為P1點沿內法向量N1與理論葉片型面的交點，θ為法向量N1（i1，j1，k1）與方向向量N2（i2，j2，k2）之間的夾角。

在實際加工中，葉片表面會出現過拋和欠拋的現象，因此用測量點P1到坐標點P2的笛卡兒距離來表示葉片表面加工余量不夠準確，葉片表面加工余量為從實際葉片型面測量點P1的法矢方向到目標葉片型面坐標點P2之間的向量，以理論葉片型面為標準，可包絡理論葉片模型的加工余量為正值，無法包絡的區域加工余量為負值，加工余量用L表示：

1.2 修形拋光表面創成

將葉片加工區域離散化成矩陣形式，葉片表面被劃分為n個測量點，測量點為測量葉片面形時三坐標測量頭停留位置，將拋光加工路徑劃分為m個駐留點，通常情況下，測量點數量要多于駐留點數量［19］。如圖3所示，藍色“×”點表示測量點，紅色實心圓點表示駐留點，灰色陰影圓形區域表示工具頭停留在駐留點時工具頭對葉片的拋光區域。當保持拋光壓力、工具轉速和其他工藝參數不變，葉片表面任意一點a點的材料去除量Ha為小工具頭在葉片表面做進給運動時，工具頭中心位于葉片表面駐留點b1、b2、b3和b4對該點產生去除量的疊加。

a點的材料去除量為

其中，rki為各駐留點時小工具頭對工件材料的去除量，可用小工具頭去除函數求解得到［20］。所以當矩陣R和H已知時，可以通過式（7）求解拋光駐留時間矩陣。駐留點分布如圖4所示，藍色點表示葉片表面的測量點，紅點表示葉片表面的駐留點分布。設定小工具頭拋光壓力F=6 N，工具頭轉速n0=1000 r/min，運用MATLAB軟件的lsqnonneg函數計算駐留時間矩陣。

在實際加工中，固結磨料工具頭在工件表面沿規劃路徑做進給運動，在某一駐留點定點拋光相對應的時間后，機器人末端執行器帶動工具頭以最大進給速度移動到下一個駐留點。一般情況下駐留點間隔距離都很小，機械臂需要在短距離內頻繁移動和駐留，極易引起拋光工具的振動從而影響工件表面加工質量。采用連續變速進給模式而非傳統的定點駐留模式，工具頭沿著拋光軌跡對葉片表面進行連續拋光，改變拋光工具在相鄰駐留點間的進給速度，使其在相鄰點之間進給的時間恰好等于計算的駐留時間，實現固結磨料小工具頭在葉片加工面的駐留時間分布。圖5為工具頭在葉片表面做進給運動的示意圖。

工具頭在葉片表面進給速度為

連續變速進給模式可以使得拋光工具頭連續穩定地對葉片表面進行修形拋光，提高加工效率和加工質量，拋光工具頭進給速度分布情況如圖6所示。

2 試驗設計

2.1 試驗方案

基于ABB六軸機器人磨拋平臺進行鈦合金葉片拋光試驗，圖7所示為試驗平臺，平臺系統配置六維力傳感器，確保工具頭恒壓拋光。本試驗采用的拋光工具為以粒徑20～30 μm的金剛石為磨料制成的固結磨料拋光小工具頭，如圖8所示。啟動機器人，將機器人與PC端連接，將編寫好的離線程序導入機器人，設置加載壓力為6 N，電主軸轉速為1000 r/min，通過示教器檢查程序無誤后進行試驗。

2.2 評價與測量

如圖9所示，加工結束后，采用三豐SJ-210粗糙度儀測量葉片表面粗糙度，在葉片拋光區域等距均勻取三個截面，每個截面等距均勻選取3個點，取9個點的表面粗糙度平均值作為測量結果。圖9a中葉盆表面粗糙度測量點為K1～K9點，圖9b中葉背表面粗糙度測量點為K10～K18點。應用金相顯微鏡觀察葉片拋光前后的表面形貌。采用Daisy564三坐標測量儀測量葉片拋光前后的輪廓，如圖10所示，在葉片拋光區域等距均勻取三個截面，提取葉片截面曲線，

3 結果與討論

3.1 葉片表面粗糙度

葉片拋光前后的表面粗糙度情況如圖11所示，葉盆的平均粗糙度從起始的0.924 μm下降到0.225 μm，葉背的平均粗糙度從開始的0.984 μm下降到0.249 μm。采用固結磨料工具頭修形拋光鈦合金葉片后，葉片的表面粗糙度均顯著降低。拋光前的葉片各測量點的表面粗糙度值有較大幅度波動，表面質量一致性較差，小工具頭加工后的葉片截面所取測量點粗糙度差值降低，表面均勻性較好。

3.2 葉片表面形貌

圖12a和圖12b所示為拋光前葉片初始表面，存在明顯的刀紋和明顯的劃痕；圖12c和圖12d所示為葉片拋光后的表面形貌，原始葉片表面大量的劃痕和凹坑被去除，表面質量得到改善，加工后表面沒有明顯缺陷，紋理致密均勻。如圖13所示，葉片修形拋光前后的實物效果對比明顯，經過修形拋光處理后的葉片表面更加光亮，表面質量顯著提升。

3.3 葉片輪廓精度

圖14為修形拋光后鈦合金葉片表面的輪廓曲線圖，圖中藍線表示葉片的上下公差帶，紅線表示葉片的實際輪廓曲線，綠線表示葉片理論輪廓曲線。采用固結磨料小工具頭對鈦合金葉片修形拋光后，葉盆輪廓度誤差在-0.011～0.028 mm范圍內，葉背輪廓度誤差在-0.016～0.032 mm范圍內，均達到葉片輪廓精度-0.05～0.05 mm的工藝指標。

3.4 固結磨料小工具頭表面形貌

在試驗前使用1000目碳化硅砂漿對固結磨料小工具頭進行修整，保證金剛石磨料在樹脂基體中的出露，修整后的固結磨料小工具頭表面形貌如圖15a所示，經過修整后的工具頭表面有大量鋒利刃口的金剛石磨料出露。圖15b、圖15c和圖15d所示分別為工具頭拋光5 min、15 min和30 min后的表面形貌，固結磨料小工具頭上仍均勻分布金剛石磨料，出露的鋒利微切削刃口始終參與加工，保證葉片表面材料去除的穩定性。

4 結論

（1）建立了鈦合金葉片表面修形拋光的材料去除模型，求解駐留時間矩陣，通過拋光工具在葉片表面駐留點之間的變速度進給來實現非均勻余量葉片表面的定量材料去除。

（2）基于機器人恒力拋光平臺，采用固結磨料小工具頭對鈦合金葉片進行了修形拋光試驗。試驗結果表明，葉片葉盆、葉背的表面平均粗糙度Ra分別為0.225 μm、0.249 μm，達到了表面粗糙度小于0.4 μm的加工要求。葉片葉盆、葉背輪廓度誤差分別為-0.011～0.028 mm、-0.016～0.032 mm，滿足葉片的輪廓精度工藝指標，試驗結果驗證了固結磨料小工具頭修形拋光鈦合金葉片方法的可行性。

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（編輯 王旻玥）

作者簡介：

徐成宇，女，1993年生，博士研究生。主要研究方向為精密超精密加工。E-mail：xcy069@126.com。

朱永偉（通信作者），男，1967年生，教授、博士研究生導師。主要研究方向為納米材料的制備與應用、精密超精密加工、表面工程。E-mail：meeywzhu@nuaa.edu.cn。

收稿日期：2023-11-15