整体叶盘叶片自动化抛光颤振抑制技术

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

整体叶盘是将叶片和轮盘设计为整体的新型结构件，由于减轻了零件重量、降低了气体性能损失，因而对于提升航空发动机性能具有重要作用，是提升航空发动机性能的新型结构件[1-3]。为提高整体叶盘叶片的型面质量，保证整体叶盘在高温、高压、高转速等工况下的性能，精加工后必须对叶片型面进行抛光[4-6]。然而，整体叶盘叶片属于典型的悬臂梁结构，叶身薄，抛光时极易发生颤振现象，造成抛光工具磨损严重、叶片型面出现鱼鳞状波纹[7-8]。这种波纹的方向与抛光轨迹的方向大致垂直，波纹长度短浅不一，间距较大，目视即可观察到，部分区域的波纹度甚至比抛光前还要大。

目前针对整体叶盘叶片抛光颤振的相关文献鲜见。本文基于整体叶盘叶片抛光的颤振问题，以整体叶盘自动化抛光机为平台，剖析颤振机理，阐述颤振抑制技术，经过验证，抑制技术解决颤振引起的叶片表面质量缺陷，实现整体叶盘叶片的高质量自动化抛光。

1 自动化抛光系统及颤振机理

自动化抛光过程中，磨头与工件之间发生的颤振现象属于典型的自激振动[9]。如图1所示，抛光加工时，抛光力与磨头、工件间的相对位移会存在动态交互作用，这成为了颤振现象发生的根源。首先，磨头抛光整体叶盘叶片时，抛光力会造成磨头、工件发生弹性变形；随后，磨头的磨齿离开整体叶盘叶片表面，抛光力释放，磨头和叶片间发生微小的振动，叶片表面出现细微的波纹；最后，在工艺参数理想、抛光系统不受干扰的条件下，相邻两次抛光所形成的波纹相位一致，叶片表面余量被均匀地切除，如图2（a）所示，颤振现象不会发生。事实上，自动化抛光系统的振动频率与磨齿的加工频率不完全一致，抛光力反馈系统存在延时性，造成抛光产生的振动波纹相位并不一致，如图2（b）、（c）中所示。叶片表面的振动波纹增加了后续瞬间的抛光余量，抛光力随之增大，抛光力的变化又会引起振纹的增大，最终导致颤振现象的发生。剧烈再生颤振会造成叶片表面粗糙度差、抛光精度降低、磨头磨损加剧，对保证整体叶盘叶片的型面质量极为不利[10-11]。

图1 抛光颤振闭环系统Fig.1 Closed-loop system of polishing flutter

图2 磨头、工件之间相对位置的变化Fig.2 Change between the grinding and workpiece

2 抛光颤振抑制技术

在有限元分析与测力分析的基础上，可采用编程技术优化、抛光参数优化、提高系统刚性3种方法来解决整体叶盘叶片抛光颤振问题。

2.1 编程技术优化

整体叶盘叶片抛光编程需重点确认刀轴方向及抛光轨迹[12]。刀轴方向通常按最佳磨头轴向准则计算，受通道多约束的影响，计算的刀轴方向会产生不连续的变化，造成自动化抛光系统工作台或主轴的转动发生变化，导致抛光力产生突变，引起更大的振动位移，如此循环引起抛光颤振现象的发生。需要在确定刀轴方向初始矢量的基础上进行光顺处理，如图3所示。

整体叶盘抛光时通常有单行切法和双面环切法两种刀具轨迹。单面行切法是抛光完叶片一侧型面之后，再加工另一侧型面；而双面环切法的工艺特征是同步均匀抛光叶片的叶盆、叶背两侧型面。

在如图4所示的试验模拟件上进行试验，经检测，采用单面行切抛光轨迹的零件实测最大变形量达到0.16mm，而采用双面行切抛光轨迹的零件实测最大变形量仅为0.01mm。较小的变形量降低了系统振动频率与磨轮齿切入/切出频率之间不相匹配的可能性，减小了颤振现象的发生。

图3 光顺前后刀轴方向的对比Fig.3 Cutter axis orientations before and after smoothing

图4 整体叶盘叶片试件Fig.4 Specimen of blisk blade

2.2 抛光参数优化

抛光参数主要包括磨头磨料粒度、主轴转速、进给量。磨头磨料粒度有 120#、150#、200#、240# 4种，分别记为p1、p2、p3、p4；主轴转速选择 10000r/min、12000r/min、15000r/min、18000r/min，分别记为v1、v2、v3、v4；进给量以0.01mm、0.03mm、0.05mm、0.08mm为研究对象，分别记为a1、a2、a3、a44种。共有64种排列组合，如表1所示。

对64种情况进行叶片抛光试验，并对抛光后叶片表面粗糙度、波纹度、平均误差、内应力进行测量。经比较对比后发现，磨头磨料粒度为p3、主轴转速为18000r/min、进给量为0.05mm时，加工振动幅值和频率小，叶片表面质量达到最佳状态，满足整体叶盘使用工况。因此选择p3、主轴转速为18000r/min、进给量为0.05mm的抛光参数，可有效地避免抛光颤振现象。

表1 整体叶盘叶片抛光试验组别

2.3 提高系统刚性

通过工艺填充方法，可以提高叶片抛光时的刚性系统、增加颤振阻尼，从而实现对振动幅值的控制[13]，如图5所示。整体叶盘叶片间填充了改性石蜡，增加了整体叶盘抛光系统的整体刚性，有效地降低了抛光加工时的振动幅值，降低颤振发生的可能性。同时叶盘周围用过滤布围绕，防止蜡屑堵塞冷却系统。

图5 整体叶盘叶片工艺填充Fig.5 Filling process of blisk blades

3 试验验证

基于以上分析，选用自动化抛光机构为执行元件，以某型号航空发动机整体叶盘为对象，经编程技术优化、抛光参数优化、提高系统刚性进行试验，抛光对比结果如图6、图7所示。叶片表面质量测试结果如表2所示，试验数据表明，采用颤振抑制技术后叶片波纹度、表面粗糙度、内应力等指标均有了明显降低。

4 结束语

图6 抛光颤振的叶片Fig.6 Blade of polishing flutter

图7 采用颤振抑制技术抛光的叶片Fig.7 Blade after using flutter suppression technology

表2 整体叶盘叶片抛光试验组别

航空发动机整体叶盘叶片自动化抛光过程中，颤振现象严重影响叶片表面最终质量，为满足航空发动机整体叶盘的使用要求，解决叶片抛光颤振现象，通过剖析颤振机理，采取合适的抑制技术表现出了很强的优越性。

（1）确定了编程技术优化、抛光参数优化、提高系统刚性等3种抛光颤振抑制技术。

（2）经试验验证，颤振抑制技术解决了颤振现象，叶片表面质量得到了较大的提高。

参 考 文 献

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