叶尖曲面磨削工艺在数控立车上实用性研究

王娜 李伟 杨静 杜宝玉 常芳

摘 要：本文针对发动机高压转子叶片外径曲面应用需求，对转子叶片外径曲面磨削加工技术进行了探索性研究。通过对发动机高压压气机转子结构特点及叶尖曲面加工要求进行分析和研究，从立车改造、磨头系统研发、专用工装结构确定、数控程序编制和工艺方法摸索等方面制定出了比较完善的总体方案，成功攻克了点式磨削工艺技术，为解决转子叶尖曲面磨削加工提供了有益的思路。

关键词：压气机转子；磨头系统装置；专用工装设计；曲面磨削工艺方法

中图分类号：TG58 文献标志码：A

0 前言

新一代航空发动机推重比的不断提高使得发动机先进制造技术处于不断地变革之中，传统技术不断精化，新技术、新工艺在新机制造过程中得以广泛应用。目前，对发动机各类转子叶片叶尖的曲面磨削已是国外航空发动机制造公司普遍应用的工艺技术。用现有的设备及现行的加工工艺方法难以实现压气机转子叶尖曲面的加工要求，为了能够实现叶尖曲面加工，必须研究使用新设备或对现有设备进行功能开发及研究新的加工工艺方法才能满足叶尖曲面加工要求。通过利用现有的精密数控立式车床，在自动换刀刀座上增加电主轴磨头，使其变成车磨一体的数控立式车磨床，另外在设备内部增加自主设计的砂轮自动休整装置进行砂轮的自动休整，通过砂轮自动对刀补偿与自动补偿的点式磨削工艺方法，实现了转子叶尖曲面磨削加工。

1 磨头系统装置

为实现立式数控车床的磨削功能，需研制与立式车床匹配并能实现叶尖曲面磨削的高精度磨头系统试验装置，使其能够实现磨削加工。磨头系统主要零部件：高频电主轴；砂轮；与刀架转接部分；欧姆龙7.5kW变频器；水箱；不锈钢自吸喷射泵；水泵管路；其他小配件等。由可编程控制器进行调频控制电主轴转速，电主轴温度由热电偶进行监控，其精度选用额定功率12kW；最大电流25.4A； 额定转速3000r/min；主轴精度跳动量0.001mm。

2 曲面磨削工艺试验

2.1 磨削方式的选择

磨削方式的选择取决于被加工零件型面的复杂程度、精度和余量的大小。目前大都采用点式磨和成型磨两种形式。这两种磨削方式在加工型面时比较常用。根据被加工件的结构特点，选取磨削方式采用点式磨。

（1）成型磨的特点是：磨削时接触面大，磨削抗力大，产生的切削热也多，易产生过烧蚀，而且砂轮修整比较困难，加工精度不宜保证。

（2）点式磨的特点是：磨削时接触面小，切削抗力小，产生的切削热也少，适宜于加工刚性差、易变形的零件，或易产生过烧的零件，因转子叶片属于外伸状态，刚性差，采用点式磨磨削方式可有效地减小切削抗力，降低零件变形等特点。

2.2 专用工装的设计

为了方便测量与加工，采用的加工状态为立式磨削。测量方式和测具也同样采用立式。这样利用底座与夹具连接方式测量每个高度和直径尺寸。

2.3 砂轮的优化设计

砂轮优化设计的基本原则是砂轮的适用性和匹配性。砂轮作为直接或间接安装在机床上，用以完成工件磨削加工任务的工具，我们必须考虑其适用性和协调性。即适用于所选用的机床，适用于所选用的工件以及与磨削加工任务相匹配。砂轮结构的合理设计，应考虑合适的磨削方式、砂轮的几何参数、零件的尺寸精度、被磨削材料的选择等，合理地选择砂轮结构，确定最佳的切削参数是实现对工件曲线点式磨削最关键的步骤之一。

由于压气机转子材料要求，同时能满足叶尖曲面磨削要求及其对加工过程中安全性的考虑，对砂轮的选材，形状、尺寸等都有严格的要求。针对叶片材质为钛合金材料。磨削过程中易产生砂轮急剧磨损钝化；磨削力和磨削温度较高，磨削表面易烧伤；加工硬化严重，应合理选择砂轮和磨削用量。应选用刚玉类砂轮，该磨料磨削比高，可获得理想的磨削表面完整性，所以转子组件叶尖的磨削选用碟型锆刚玉砂轮。砂轮形状的打磨采用金刚笔修整。

2.4 数控程序编制

开发出复杂曲面磨加工数控程序模块完成叶尖曲面的磨加工及磨削过程中砂轮磨损后的自动修整、自动補偿这一重要技术难题，是解决复杂曲面磨削技术的关键所在。

（1）工件曲面点式磨削程序模块工件曲面点式磨削程序模块是一个循环主程序块，由包括加工工件的DOMN子程序、UP子程序及砂轮修整子程序等组成。加工工件的DOMN、UP子程序采用增量编制，其余主程序、子程序采用绝对坐标编制。加工时，只需将工件的数据赋予DOMN、UP 子程序参数，即可完成工件曲面的磨削控制。

（2）砂轮成型修整程序模块是一个主程序下的循环子程序块，采用绝对坐标编制，用工件的加工参数控制砂轮的修整形状。该程序模块具有通用性，设置了数据参数，只需将工件的数据赋予参数，即可完成砂轮的成型修整。砂轮以径向每次最多进给0.05mm/r上下往复运动。解决了成型磨中砂轮的自动修整成型技术难题，精度高，安全可靠，保证了零件的加工精度。

2.5 磨削工艺参数的选择

点式磨方式可有效地减少切削抗力，减少零件变形等特点。可以在数控立车上改装磨头进行磨削。车床改磨床加工后没有砂轮自动修正器，使用手工进行修正砂轮，待修正成需要的形状，用开发的工件曲线点式磨削程序模块方式加工工件。利用模拟件进行加工工艺参数摸索，最终确定加工过程中的工艺参数。

最终选定砂轮转速3000r/min～3500r/min，零件转速12r/min～20r/min，进给量0.06mm～0.12mm，磨削深度0.05mm～0.10mm。

砂轮对刀方式：采用车床自动对刀仪对刀，砂轮周向跳动0.28 ，端面跳动0.1；砂轮跳动大，为消除对刀误差，选用砂轮最高点对刀。夹紧方式：采用压盖压紧 ，轴向采用四点定位块定位，径向采用间隙配合止口定位。

2.6 试验结果分析与评价

曲面磨削的加工过程是在数控立车的刀台上夹持一个动力磨头系统，将砂轮修成小圆角，模拟成车刀，用开发的工件曲线点式磨削程序模块完成转子组件叶尖曲面的磨削。为了实现对工件曲线点式磨削，需用机床原固有的程序修整砂轮的Z面、X面，用机床原固有的程序将砂轮修整成需要的小圆角。工件磨削时采用粗磨、半精磨、精磨、超精磨方式，并按叶尖的加工尺寸，通过调整数控程序给定的进给量、磨削参数来控制。曲面点式磨削方式，由于砂轮与工件是点接触，砂轮磨损较快，且砂轮的小圆角不规则，在磨损处形成小直线段，不易发现，需要多次精确测量，对加工过程进行轴向、径向补偿。

结语

随着发动机品种趋向多元化，加工技术趋向复杂化，就需要不断提高加工技术，开创新的加工方法。转子复杂曲面的磨削工艺，创新开发出叶尖曲面加工制造技术、高精度动力磨头系统、数控编程方法，是完整、可靠、科学的工艺技术方法，该技术解决了转子复杂曲面磨削的技术难题，该项复杂曲面磨削技术具有实用性、通用性，适用于类似结构的复杂曲面磨削加工，也为以后加工类似的零件提供了新的思路，同时使我们的发动机制造水平迈上了一个新的台阶。

参考文献

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