叶片砂带磨削机构的设计与实现*

袁秀坤 李德平 余继斌 曹 杰 贾敬阳 曲兴田 张 雷

(①东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000;②吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春 130025)

叶片是汽轮机上数量最多的零件，其制造工作量占整台汽轮机制造工作量的25%～40%。由于叶片型面多是复杂的空间自由曲面，所以叶片一直是汽轮机中最难加工的零件之一，叶片型面的加工质量直接影响汽轮机整机的工作性能［1］。叶片的传统加工多用铣削+手工抛磨来完成，其中有近40%加工工作量是由熟练操作工在抛光机上用手工完成。在叶片手工抛磨过程中每抛磨一次都要经过一次样板透光检查，对工人的技术要求较高，劳动强度较大。因此，改进叶片加工工艺，运用数控加工原理，研制叶片数控砂带磨削机构，应用在六轴联动数控砂带磨削机床中［2］，实现叶片型面磨削自动化，以提高叶片加工精度及加工效率，降低叶片生产成本。

1 汽轮机叶片砂带磨削方案设计

要实现对叶片进行数控砂带磨削，首先必须对叶片砂带磨削工艺进行分析。其涉及内容主要包括磨削方式、砂带与工件的接触形式、砂带磨削的工艺参数等［3］。

1.1 砂带磨削方式的选择

砂带磨削按其结构形式有开式和闭式两种磨削方式。其中开式磨削是将砂带两端分别缠绕在两个驱动轮上，两驱动轮分别交替地驱动砂带，使砂带作往复缓慢的磨削运动。工件作高速的回转运动，磨头或工作台作横向及纵向进给，从而实现对工件的磨削。开式砂带磨削的磨削质量高，且磨削稳定，磨削一致性好，多用于精密或超精密磨削加工，但其磨削效率不如闭式砂带磨削。闭式磨削是采用有接头或无接头的环形砂带，通过张紧轮张紧，主动轮高速旋转带动砂带作高速的单向磨削运动，同时工件作回转运动，磨头或工作台作横向及纵向进给运动，从而实现磨削加工。闭式砂带磨削效率较高，但是同时更易发热、噪声大，一般用于粗加工、半精加工和精加工，但其磨削精度不如开式磨削。

汽轮机叶片型面为复杂曲面型面结构形状，在磨削过程中如高速旋转，叶片局部不能磨削，所以必须依靠砂带运动来实现磨削。因此采用闭式砂带磨削方式磨削叶片。

1.2 砂带与叶片接触方式的选择

按砂带与工件接触方式来划分，砂带磨削也可分为接触轮式、压磨板式和自由带式，几种类型优缺点和应用见表1。

表1 砂带磨削的基本形式

由于被加工叶片型面是扭曲的空间自由曲面，其曲率半径制约磨削时的接触轮大小，接触轮将砂带压向叶片表面，生成磨削压力，以完成叶片型面的磨削。因此，本文选择了接触轮式的砂带磨削方式来对叶片进行磨削。

1.3 叶片砂带磨削走刀方式分析

砂带磨削的走刀方式常用以下两种:

(1)纵向行距法这种走刀方式是使砂带沿着叶片轴线方向走刀，如图1a，加工轨迹近于直线，其磨削效率较高，但型面的加工质量较差，一般用于直叶片或扭曲叶片的粗加工。

(2)横向行距法该走刀方式是使砂带沿垂直于叶片轴线的横向截面型线走刀，如图1b，砂带每沿叶片截面型线磨削一周，然后再沿轴线方向移动一个行距磨削下一条横向截面线。这种磨削走刀方式效率相对比较低，但可得到比较好的表面粗糙度，常用在叶片的精磨或半精磨。

考虑到叶片实际应用，为了得到较好的表面粗糙度，因此选择以横向行距法的走刀方式来进行磨削加工。

1.4 砂带磨削工艺参数分析

砂带磨削用量选择是否合理，可直接影响到工件的磨削精度和磨削效率。因而，必须根据被磨削叶片的材质和结构形状要求，选取合理的磨削工艺参数，以达到理想的磨削效果。此外，汽轮机叶片砂带磨削的工艺参数确定也为砂带磨削机构结构设计提供设计依据。

(1)砂带线速度 砂带磨削的线速度越高，其磨削效率也会越高。粗磨时砂带线速度一般为12～20 m/s;精磨时一般为25～30 m/s，应尽可能地选择较高的砂带线速度。

(2)工件速度 增大工件的速度可提高磨削量、减少表面烧伤，一般在6 m/min范围内。

(3)磨削深度 随着磨削深度增大，砂带磨削的效率也会提高，但同时会降低磨削精度和砂带寿命。通常，粗磨时的磨削深度一般控制在0.05～0.10 mm;精磨时在0.01～0.05 mm范围内。

(4)法向浮动压力 在相同的砂带线速度下，法向浮动压力越大，其磨削力越大。但随着切入工件深度加深的同时会造成工件表面粗糙度值的增大。强力磨削时，应尽量加大法向浮动压力，获得最大的材料去除率;在精磨和抛光时，浮动压力的选择要保证叶片表面质量和磨削余量要求。经过试验，选择0.5 MPa的浮动压力，既能保证叶片表面的加工质量，有具有较高的效率。

根据汽轮机叶片结构形状以及自身材质等特点，确定如下的叶片砂带磨削工艺参数供叶片砂带磨削机构设计时参考:

砂带线速度25～40 m/s;

工件速度0～6 m/min;

磨削深度0～0.20 mm;

法向浮动压力0.5 MPa。

2 叶片砂带磨削方案实现

2.1 叶片砂带磨削机构设计

汽轮机叶片为复杂薄壁类零件，型面为空间自由曲面，曲率变化大，磨削加工时，接触轮的位置会随着叶片表面的曲率变化而变化，这就要求砂带的松紧能够随时调节。根据以上叶片砂带磨削工艺分析，采用传统砂带磨削机构已不能满足叶片一体化数控加工的要求，因此设计了以下新型砂带张紧机构来解决叶片型面数控加工的问题(如图2)。其工作过程为:

(1)通过精密数字比例阀调节平衡气缸2的推力，实现接触轮6与工件表面接触压力的调节，同时通过锁死砂带机上的平衡气缸2实现与支撑臂的刚性联接，可以实现强力磨削。需要采用随形抛光时，可以解除锁死机构，释放平衡气缸，砂带机就可沿曲面法向方向浮动，满足随形抛光的要求。

(2)砂带张紧气缸3驱动张紧轮4调整砂带的张紧程度。

(3)主动轮5与伺服电动机直接连接，通过电动机的速度变化实现砂带的线速度调节。

该新型砂带磨削机构操作方便、迅速，具有随机性调节砂带张力的能力。通过对比可以看出，新型砂带张紧机构的接触轮和张紧轮的调节均通过气缸控制，同时，精密数字电磁阀的运用能够非常有效地对接触轮和张紧轮的运动实现精确的定位，同传统的机械式张紧机构相比，这种采用全电气控制的砂带张紧快换机构对汽轮机叶片复杂型面的加工能够全数控自动运行，大大提高了工作效率。

2.2 磨削参数和磨削效果

以40英寸叶片为例，分析磨削参数和磨削效果，具体如下:

(1)粗加工:VSM180目砂带，磨削压力40 N，磨削线速度17 m/s，进给速度4 m/min，磨削时间65 min。

(2)精加工:VSM400目砂带，磨削压力40 N，磨削线速度25 m/s，进给速度6 m/min，磨削时间69 min。

(3)进出汽边磨削:VSM400目砂带，磨削压力40 N，磨削线速度 25 m/s，进给速度6 m/min，磨削时间10 min。

(4)磨削总时间:2.4 h。

(5)叶片去重量:400～1 600 g。

图3所示为叶片磨削前后的对比，图3a为磨削前的叶片，可以看出叶片表面较粗糙;图3b是利用该磨削机构磨削之后的效果，表面粗糙度值明显减小。利用该磨削机构磨削的叶片表面粗糙度可达0.8 μm，磨削精度高，磨削效果好。

3 结语

本文通过研究磨削理论，设计了砂带磨削机构，此机构已成功应用于MK800、MK2000、MK2600等一系列数控砂带磨床中，解决了以汽轮机叶片为代表的复杂曲面磨削抛光的技术难题，实现了全数控磨削，提高了叶片型面的几何精度和表面质量，填补了我国在该项技术上的空白，满足了国家能源战略发展计划对核电机组的迫切要求。并且此研究成果也可直接用于大飞机项目中的大推力民用涡轮风扇发动机叶片的全数控制造，这一点无论是对能源动力装备还是对国防安全都有重大的战略意义。

［1］陈光明，张旭阳.汽轮机叶片的结构特点与数控加工技术的研究［J］.制造业自动化，2011(9):93－98.

［2］刘树生，杨建中.叶片六轴联动数控砂带磨床与数控砂带磨削单元化［J］.航空制造技术，2010(4):32－37.

［3］黄云，黄智.现代砂带磨削技术及工程应用［M］.重庆:重庆大学出版社，2009.

［4］朱凯旋，陈延君，黄云.叶片型面砂带磨削技术的现状和发展趋势［J］.航空制造技术，2007(2):102－104.

［5］肖刚，王春复.现代汽轮机叶片型面制造技术［J］.热力透平，2003(4):269－272.

［6］黄云，黄智.砂带磨削的发展及关键技术［J］.中国机械工程，2007，18(18):2263－2267.

［7］Maxence Bigerelle，Benjamin Hagege，Mohamed El Mansori.Mechanical modelling of micro－scale abrasion in superfinish belt grinding［J］.Tribology International，2008，41(11):992－1001.

［8］Ren X，Cabaravdic M，Zhang X，et al.A local process model for simulation of robotic belt grinding［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，47(6):962－970.