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航空鈦合金葉片實現數控砂帶磨削的幾個必要條件和相應對策

文章來源：網上搜集　訪問3407次　2016-07-22 09:40:14

　　對于航空發動機來說，核心機一旦定型，后續發展主要通過采用新技術、新設計，加大風扇直徑，增加增壓壓氣機級數，改進高壓壓氣機、高壓渦輪葉型設計，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動機的推力。這其中，表征循環參數的高溫熱部件材料的發展相對較慢，而壓氣機葉片、風扇葉片設計改進較為頻繁，可以說，鈦合金壓氣機葉片和風扇葉片制造是航空發動機制造的關鍵技術之一。
　　目前，國內航空發動機制造企業幾乎均采用人工修磨進排氣邊的方式制造鈦合金壓氣機葉片、風扇葉片和導向葉片，葉片進排氣邊厚度散差較大、一致性差，型線不準確，葉片質量不高。隨著汽輪機行業逐步采用數控砂帶磨床加工葉片型面和進排氣邊，航空發動機制造企業也相繼提出了采用數控砂帶磨削加工進排氣邊的要求，迫切希望能夠通過數控砂帶磨解決進排氣邊磨削加工這一航空發動機葉片制造的難題。本文通過對航空鈦合金葉片工藝特點的分析和對不同葉片數控砂帶磨削的生產實踐、工藝試驗、驗證分析，總結提出航空鈦合金葉片實現數控砂帶磨　削的幾個必要條件和相應對策。
　　進排氣邊磨削加工難點
　　航空發動機葉片和汽輪機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，加工肩臺或榫槽與頂尖孔作為軸向基準，然后采用多軸聯動機床加工葉身型線，最后經數控砂帶磨拋光完成；航空葉片一般采用鈦合金精密鍛造、鑄造方法制造壓氣機葉片，采用擴散連接/ 超塑性成型（DB/SPF）法制造鈦合金寬弦風扇葉片，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用來加工葉根榫槽和進排氣邊。因此，航空鈦合金葉片的加工主要是進排氣邊的加工，對于數控砂帶磨削加工，其加工難點有以下幾個主要方面。
　　（1）航空葉片進排氣邊非常薄，大型的風扇葉片也僅有R0.3mm 左右，小的壓氣機葉片有些甚至會達到R0.1mm 級別。這就使得在進行砂帶磨削時，必須采用很小的接觸力進行磨削，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葉片和超塑成型風扇葉片一般采用銑削或線切割進排氣邊鍛造飛邊（保證弦寬），然后進行進排氣邊磨削拋光加工，這一加工特點使得進排氣邊圓角（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，圓弧部分為進排氣邊的理論曲線。
　�。�3）葉片變形問題。這個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，受殘余應力影響都存在變形，尤其是壓氣機葉片，變形的數量級與葉片進排氣邊厚度在同一量級，達到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，這和汽輪機葉片銑削基準相比還是比較粗。如上所述，這個裝夾定位誤差在數量級上和葉片變形誤差相當，這也是不能不考慮到的一個重要影響因素，也必須通過修正坐標系來解決。
　　此外，進排氣邊磨削時，冷卻條件不好，很薄的邊緣散熱條件不好，葉片進排氣邊容易產生燒蝕，這也給葉片進排氣邊磨削帶來一定困難；對于超塑成型風扇葉片，除了進排氣邊，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。
　　葉片數控砂帶磨削關鍵技術
　　1、對砂帶裝置進行改進
　　通過汽輪機葉片生產實踐完善數控砂帶磨削裝置單元化技術，優化控制技術和六軸聯動編程技術，積累葉片數控砂帶磨削工藝數據。隨著生產中不斷反映出的要求，對砂帶裝置的改進也是持續進行的，主要的改進包括：
　　（1）砂帶機構低摩擦導向機構的裝配結構優化，以降低導向機構靜摩擦力，提高浮動砂帶機構靈敏度，提高接觸力控制精度；
　�。�2）更新低阻浮動氣缸以提高接觸力控制精度；
　�。�3）優化砂帶輪系結構、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角度，提高高速砂帶運行穩定性；
　�。�4）優化B 軸設計，采用無背隙軸承減速機B 軸傳動，提高B 軸動態性能10 倍以上，擴大了B 軸擺動范圍（適應風扇葉片大幅度彎曲變化）；
　�。�5）優化C 軸設計，采用分片齒輪消隙，減少了C 軸尺寸和結構質量，提高C 軸精度和動態特性；
　�。�6）改進C 軸和砂帶機構整體防護，基本做到砂帶機構免清潔、免維護；
　�。�7）采用橫向磨削改進粗加工編程方法，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。
　　通過優化設計，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到5N 級別，整機可靠性大幅度提高，基本可以做到運行免維護，正在試驗中的新型導向機構和壓力控制裝置將進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、靜葉片強力磨削試驗
　　試驗目的是通過汽輪機靜葉片強力磨削成型驗證強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控砂帶磨削成型。對于六軸聯動數控砂帶磨床，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，采用強力磨削直接成型靜葉片型面，在效率方面會優于銑削。
　　3、超塑成型風扇葉片試驗
　　本試驗目的是通過超塑成型風扇葉片磨削試驗積累航空鈦合金葉片磨削工藝數據（試驗中）。鈦合金超塑成型空心葉片毛坯葉身單邊余量約0.5mm，進排氣邊為線切割割出，余量最大約3mm，裝夾基準為葉根部位的矩形肩臺（線切割割出，誤差不超過0.1mm），要求采用數控砂帶磨削加工出進排氣邊圓角（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，磨削出進排氣邊圓弧（或橢圓）截型是必需的；保證準確型線的關鍵是磨削接觸力，提高接觸力控制精度，降低磨削接觸力是實現航空鈦合金葉片進排氣邊準確加工的關鍵。
　　根據前文所述航空鈦合金葉片的特點和幾種代表性的葉片砂帶磨削的試驗研究，我們可以總結出現行工藝條件下航空鈦合金葉片型面和進排氣邊數控砂帶磨削的幾個必要條件和已有對策。
　　（1）現行工藝條件下，航空鈦合金葉片毛坯型面和進排氣邊制造誤差均大于允差，要求數控砂帶磨具備修正、磨削成型和拋光功能，因此數控砂帶磨削必須建立在對葉片裝夾狀態的準確測量基礎上，也就是機床設備必須具有在位測量功能（機內測量），并且檢測方式盡可能采用非接觸式，以免在壓氣機小葉片測量時造成不必要的變形�？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 測量略占優勢。
　�。�2）基于實測、反求的快速模型重構技術，測量的目的是加工，必須通過模型重構迅速生成在現實毛坯誤差或裝夾差異狀態下的模型，并且判斷出是否能夠加工出合格的產品并生成或修正加工程序，進行加工。在修正葉片型線的應用方面，更是離不開模型重構和模型比對的支持，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，實時壓力控制的變壓力磨削會更有效。目前，關于變壓力磨削編程控制已經做了試驗，實現已經不是技術難題。
　　（4）低摩擦導向和小接觸力控制是實現航空鈦合金葉片進排氣邊準確加工的關鍵，對于R0.1mm 級的進排氣邊磨削成型和拋光，接觸力可能會小于2N，考慮到磨削質量，接觸力的分辨率不會高于0.5N，最好能控制在0.1N 級別。這將對砂帶機構導向裝置提出挑戰，目前在試驗的導向裝置和浮動執行機構基本可以做到零摩擦，剩下的就是降低砂帶浮動機構質量提高運動靈敏度了。
　�。�5）適應航空鈦合金葉片結構特點的機床結構。對于壓氣機葉片中的鍛彎葉片和掠型的風扇葉片，加工時B 軸擺動角度會要求更大，機床設計應充分考慮；大型風扇葉片扭曲接近90°，加工時C 軸擺角變化相應地也會非常大，也是機床設計布置中考慮的重點。

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