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航空鈦合金葉片實(shí)現(xiàn)數(shù)控砂帶磨削的幾個(gè)必要條件和相應(yīng)對策
文章來源：網(wǎng)上搜集　訪問3626次　2016-07-22 09:40:14
　　對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說，核心機(jī)一旦定型，后續(xù)發(fā)展主要通過采用新技術(shù)、新設(shè)計(jì)，加大風(fēng)扇直徑，增加增壓壓氣機(jī)級數(shù)，改進(jìn)高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪葉型設(shè)計(jì)，提高高壓渦輪葉片材料與涂層的耐高溫性能等來提高部件效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。這其中，表征循環(huán)參數(shù)的高溫?zé)岵考牧系陌l(fā)展相對較慢，而壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)改進(jìn)較為頻繁，可以說，鈦合金壓氣機(jī)葉片和風(fēng)扇葉片制造是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　目前，國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)幾乎均采用人工修磨進(jìn)排氣邊的方式制造鈦合金壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片和導(dǎo)向葉片，葉片進(jìn)排氣邊厚度散差較大、一致性差，型線不準(zhǔn)確，葉片質(zhì)量不高。隨著汽輪機(jī)行業(yè)逐步采用數(shù)控砂帶磨床加工葉片型面和進(jìn)排氣邊，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)也相繼提出了采用數(shù)控砂帶磨削加工進(jìn)排氣邊的要求，迫切希望能夠通過數(shù)控砂帶磨解決進(jìn)排氣邊磨削加工這一航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的難題。本文通過對航空鈦合金葉片工藝特點(diǎn)的分析和對不同葉片數(shù)控砂帶磨削的生產(chǎn)實(shí)踐、工藝試驗(yàn)、驗(yàn)證分析，總結(jié)提出航空鈦合金葉片實(shí)現(xiàn)數(shù)控砂帶磨　削的幾個(gè)必要條件和相應(yīng)對策。
　　進(jìn)排氣邊磨削加工難點(diǎn)
　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和汽輪機(jī)葉片的制造工藝差別很大，前者主要采用成型法，而后者主要采用去除材料法。汽輪機(jī)葉片的材料多為不銹鋼，一般先是銑削出葉片徑向面作為徑向基準(zhǔn)，加工肩臺(tái)或榫槽與頂尖孔作為軸向基準(zhǔn)，然后采用多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工葉身型線，最后經(jīng)數(shù)控砂帶磨拋光完成；航空葉片一般采用鈦合金精密鍛造、鑄造方法制造壓氣機(jī)葉片，采用擴(kuò)散連接/ 超塑性成型（DB/SPF）法制造鈦合金寬弦風(fēng)扇葉片，葉片型面是靠模具成型保證的，型面精度空間誤差不超過0.15mm，成型后不再加工，直接用作型面定位夾具的基準(zhǔn)用來加工葉根榫槽和進(jìn)排氣邊。因此，航空鈦合金葉片的加工主要是進(jìn)排氣邊的加工，對于數(shù)控砂帶磨削加工，其加工難點(diǎn)有以下幾個(gè)主要方面。
　　（1）航空葉片進(jìn)排氣邊非常薄，大型的風(fēng)扇葉片也僅有R0.3mm 左右，小的壓氣機(jī)葉片有些甚至?xí)_(dá)到R0.1mm 級別。這就使得在進(jìn)行砂帶磨削時(shí)，必須采用很小的接觸力進(jìn)行磨削，否則難以保證型面精度，這對于砂帶磨削裝置的接觸力控制提出了很高的要求。
　　（2）磨削余量不均勻。鍛造的鈦合金壓氣機(jī)葉片和超塑成型風(fēng)扇葉片一般采用銑削或線切割進(jìn)排氣邊鍛造飛邊（保證弦寬），然后進(jìn)行進(jìn)排氣邊磨削拋光加工，這一加工特點(diǎn)使得進(jìn)排氣邊圓角（或局部橢圓截面）部分加工余量很不均勻，如下圖所示：紅色部分為毛坯外輪廓，圓弧部分為進(jìn)排氣邊的理論曲線。
　�。�3）葉片變形問題。這個(gè)問題和磨削余量不均勻是同類問題，鍛造鈦合金葉片和超塑成型葉片均在一定溫度下完成形變，受殘余應(yīng)力影響都存在變形，尤其是壓氣機(jī)葉片，變形的數(shù)量級與葉片進(jìn)排氣邊厚度在同一量級，達(dá)到0.1mm 以上，這和航空葉片一般型面空間誤差0.05mm 左右相比就太大了，必須予以修正。
　�。�4）基準(zhǔn)問題，型面定位、葉片裝夾后的一致性問題。精鍛葉片和超塑成型葉片型面精度很好，但仍然是粗基準(zhǔn)，這和汽輪機(jī)葉片銑削基準(zhǔn)相比還是比較粗。如上所述，這個(gè)裝夾定位誤差在數(shù)量級上和葉片變形誤差相當(dāng)，這也是不能不考慮到的一個(gè)重要影響因素，也必須通過修正坐標(biāo)系來解決。
　　此外，進(jìn)排氣邊磨削時(shí)，冷卻條件不好，很薄的邊緣散熱條件不好，葉片進(jìn)排氣邊容易產(chǎn)生燒蝕，這也給葉片進(jìn)排氣邊磨削帶來一定困難；對于超塑成型風(fēng)扇葉片，除了進(jìn)排氣邊，型面也需要磨削拋光，還存在型面余量不均勻、變形誤差等問題。
　　葉片數(shù)控砂帶磨削關(guān)鍵技術(shù)
　　1、對砂帶裝置進(jìn)行改進(jìn)
　　通過汽輪機(jī)葉片生產(chǎn)實(shí)踐完善數(shù)控砂帶磨削裝置單元化技術(shù)，優(yōu)化控制技術(shù)和六軸聯(lián)動(dòng)編程技術(shù)，積累葉片數(shù)控砂帶磨削工藝數(shù)據(jù)。 隨著生產(chǎn)中不斷反映出的要求，對砂帶裝置的改進(jìn)也是持續(xù)進(jìn)行的，主要的改進(jìn)包括：
　�。�1）砂帶機(jī)構(gòu)低摩擦導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以降低導(dǎo)向機(jī)構(gòu)靜摩擦力，提高浮動(dòng)砂帶機(jī)構(gòu)靈敏度，提高接觸力控制精度；
　　（2）更新低阻浮動(dòng)氣缸以提高接觸力控制精度；
　�。�3）優(yōu)化砂帶輪系結(jié)構(gòu)、改善裝配工藝性以提高輪系軸線平行度，增大接觸輪砂帶包絡(luò)角度，提高高速砂帶運(yùn)行穩(wěn)定性；
　　（4）優(yōu)化B 軸設(shè)計(jì)，采用無背隙軸承減速機(jī)B 軸傳動(dòng)，提高B 軸動(dòng)態(tài)性能10 倍以上，擴(kuò)大了B 軸擺動(dòng)范圍（適應(yīng)風(fēng)扇葉片大幅度彎曲變化）；
　�。�5）優(yōu)化C 軸設(shè)計(jì)，采用分片齒輪消隙，減少了C 軸尺寸和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高C 軸精度和動(dòng)態(tài)特性；
　�。�6）改進(jìn)C 軸和砂帶機(jī)構(gòu)整體防護(hù)，基本做到砂帶機(jī)構(gòu)免清潔、免維護(hù)；
　　（7）采用橫向磨削改進(jìn)粗加工編程方法，提高葉片加工效率；
　　（8）采用新材料接觸輪，接觸輪壽命由7~10 天左右提高到15~20 天左右。
　　通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前單元化的砂帶磨削裝置體積更小，接觸輪壓力控制最小達(dá)到5N 級別，整機(jī)可靠性大幅度提高，基本可以做到運(yùn)行免維護(hù)，正在試驗(yàn)中的新型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和壓力控制裝置將進(jìn)一步提高接觸壓力控制精度，接觸力控制精度不超過0.5N。
　　2、靜葉片強(qiáng)力磨削試驗(yàn)
　　試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^汽輪機(jī)靜葉片強(qiáng)力磨削成型驗(yàn)證強(qiáng)力磨削成型工藝方法和型面精度控制方法。
　　通過對常見靜葉片型面特征的分析，可以看到，靜葉片曲面扭曲很小，甚至是桶狀葉型，尤其是不帶冠葉片，只有葉身型線部分（首尾兩端加工后切除），葉身型線非常適合數(shù)控砂帶磨削成型。對于六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床，選擇合適的接觸輪直徑、硬度和砂帶寬度，采用強(qiáng)力磨削直接成型靜葉片型面是可行的；并且由于砂帶磨削線速度高，擁有比銑削更高的金屬去除率，采用強(qiáng)力磨削直接成型靜葉片型面，在效率方面會(huì)優(yōu)于銑削。
　　3、超塑成型風(fēng)扇葉片試驗(yàn)
　　本試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^超塑成型風(fēng)扇葉片磨削試驗(yàn)積累航空鈦合金葉片磨削工藝數(shù)據(jù)（試驗(yàn)中）。鈦合金超塑成型空心葉片毛坯葉身單邊余量約0.5mm，進(jìn)排氣邊為線切割割出，余量最大約3mm，裝夾基準(zhǔn)為葉根部位的矩形肩臺(tái)（線切割割出，誤差不超過0.1mm），要求采用數(shù)控砂帶磨削加工出進(jìn)排氣邊圓角（橢圓截型）并修磨葉身曲面至尺寸。
　　對于航空鈦合金葉片，通過砂帶磨削修形，磨削出進(jìn)排氣邊圓弧（或橢圓）截型是必需的；保證準(zhǔn)確型線的關(guān)鍵是磨削接觸力，提高接觸力控制精度，降低磨削接觸力是實(shí)現(xiàn)航空鈦合金葉片進(jìn)排氣邊準(zhǔn)確加工的關(guān)鍵。
　　根據(jù)前文所述航空鈦合金葉片的特點(diǎn)和幾種代表性的葉片砂帶磨削的試驗(yàn)研究，我們可以總結(jié)出現(xiàn)行工藝條件下航空鈦合金葉片型面和進(jìn)排氣邊數(shù)控砂帶磨削的幾個(gè)必要條件和已有對策。
　�。�1）現(xiàn)行工藝條件下，航空鈦合金葉片毛坯型面和進(jìn)排氣邊制造誤差均大于允差，要求數(shù)控砂帶磨具備修正、磨削成型和拋光功能，因此數(shù)控砂帶磨削必須建立在對葉片裝夾狀態(tài)的準(zhǔn)確測量基礎(chǔ)上，也就是機(jī)床設(shè)備必須具有在位測量功能（機(jī)內(nèi)測量），并且檢測方式盡可能采用非接觸式，以免在壓氣機(jī)小葉片測量時(shí)造成不必要的變形�？赡懿扇〉姆绞綖榛诙嗄恳曈X原理的CCD 測量或線激光掃描，考慮到毛坯反光的因素，目前線激光掃描似乎比CCD 測量略占優(yōu)勢。
　�。�2）基于實(shí)測、反求的快速模型重構(gòu)技術(shù)，測量的目的是加工，必須通過模型重構(gòu)迅速生成在現(xiàn)實(shí)毛坯誤差或裝夾差異狀態(tài)下的模型，并且判斷出是否能夠加工出合格的產(chǎn)品并生成或修正加工程序，進(jìn)行加工。在修正葉片型線的應(yīng)用方面，更是離不開模型重構(gòu)和模型比對的支持，否則根本不知道該加工哪里�？紤]到葉片加工效率，這一過程基本可以控制在5min 左右完成。
　　（3）砂帶磨局部修正功能。較大的偏差可以通過強(qiáng)磨休整，多走幾遍理論軌跡來修正，但是對于小于0.1mm 的偏差修正，實(shí)時(shí)壓力控制的變壓力磨削會(huì)更有效。目前，關(guān)于變壓力磨削編程控制已經(jīng)做了試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不是技術(shù)難題。
　�。�4）低摩擦導(dǎo)向和小接觸力控制是實(shí)現(xiàn)航空鈦合金葉片進(jìn)排氣邊準(zhǔn)確加工的關(guān)鍵，對于R0.1mm 級的進(jìn)排氣邊磨削成型和拋光，接觸力可能會(huì)小于2N，考慮到磨削質(zhì)量，接觸力的分辨率不會(huì)高于0.5N，最好能控制在0.1N 級別。這將對砂帶機(jī)構(gòu)導(dǎo)向裝置提出挑戰(zhàn)，目前在試驗(yàn)的導(dǎo)向裝置和浮動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本可以做到零摩擦，剩下的就是降低砂帶浮動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量提高運(yùn)動(dòng)靈敏度了。
　�。�5）適應(yīng)航空鈦合金葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的機(jī)床結(jié)構(gòu)。對于壓氣機(jī)葉片中的鍛彎葉片和掠型的風(fēng)扇葉片，加工時(shí)B 軸擺動(dòng)角度會(huì)要求更大，機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮；大型風(fēng)扇葉片扭曲接近90°，加工時(shí)C 軸擺角變化相應(yīng)地也會(huì)非常大，也是機(jī)床設(shè)計(jì)布置中考慮的重點(diǎn)。

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