航空发动机整体叶盘数控砂带磨削变形行为及其试验研究

2020-07-03刘秀梅肖贵坚刘智武雷海峰吴晓锋韩靖宇杨小叁宋康康

金刚石与磨料磨具工程 2020年3期

刘秀梅，肖贵坚，刘智武，雷海峰，吴晓锋，周峰，韩靖宇，杨小叁，宋康康

(1. 中国航发西安航空发动机有限公司，西安 710021) (2. 重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

整体叶盘是为了满足高性能航空发动机而设计的新型结构件。该结构件将发动机转子叶片和轮盘合成一体，省去了传统连接中榫头、榫槽及锁紧装置等机构，减轻了结构质量，减少了零件数量，避免了榫头气流损失，提高了气动效率，使发动机结构大为简化，现已在各国军用和民用航空发动机上得到广泛应用[1]。目前整体叶盘叶型加工的主流工艺是数控精密铣削加工→手工抛光→振动光饰(或磨粒流光饰)，由于铣削加工存在铣削刀痕，仅靠振动光饰(或磨粒流光饰)工艺无法有效去除，手工抛磨预处理仍是目前国内整体叶盘主要的加工方式，但是手工抛磨存在形状尺寸可控性差，型面精度、表面质量一致性差，表面纹理不一致等问题，同时还存在工人劳动强度大，磨削效率低，对操作人员的技能水平要求高等问题，难以满足高性能飞机整体叶盘的产品要求[2-3]。

为了解决上述问题，砂带磨削以加工效率高、磨削表面质量好的优势，逐渐代替人工与砂轮磨削。国内外学者对此开展了大量的研究，ACME、Huck等公司采用机器人夹持抛光轮和砂带磨头的方法实现了整体叶盘的精密加工，并且取得了良好的效果[4]。REN等[5-6]对机器人叶片砂带磨削的磨削方案、表面精度等进行了较为深入的研究。德国Metabo六轴数控砂带磨床不但能够对各种复杂型面的叶片进行磨削抛光，而且加工精度和效率较高，但该磨床只能对被加工叶片的叶面形状进行光整加工，不能对其几何尺寸偏差进行修正[7]。黄云等[8-9]针对整体叶盘的设计、制造工艺的需求，运用七轴六联动数控砂带磨削技术实现整体叶盘的抛光加工，提出了一种适用于航空航天整体叶盘叶片内、外弧面的砂带磨削装置。在此基础上，魏和平[10]对整体叶盘叶片内外弧型面砂带磨削技术进行了研究，刘召洋[11]对整体叶盘叶片型面砂带磨削路径规划与机床空间轴系进行了分析。XIAO等[12]通过对整体叶盘定载荷自适应数控砂带磨削加工方法以及进排气边砂带磨削技术的研究，提高了整体叶盘单个叶片型面磨削精度以及表面质量。

从上述的分析可以看出，砂带磨削可以明显提高零件的表面质量、型面精度及其一致性，但是大部分研究仍然处于工艺试验阶段，很少涉及整体叶盘数控砂带磨削的变形行为及其试验应用。因此，本研究提出针对航空发动机整体叶盘的开式数控砂带磨削方法，开展整体叶盘数控砂带磨削变形行为及其试验应用研究。

1 整体叶盘数控砂带磨削工艺分析

1.1 整体叶盘数控砂带磨削方法

整体叶盘数控砂带磨削是将数控机床与新型砂带磨削技术相结合，对整体叶盘进行磨抛加工。在进行整体叶盘砂带磨削时砂带与叶盘的接触易产生较大颤振变形，进而影响整体叶盘的表面质量与型面精度。因此为了提高整体叶盘型面精度一致性，减少砂带磨损对叶盘加工质量的影响，提出了如图1所示的新型砂带磨削方法。

新型砂带磨削将砂带8分别缠绕在储带轮1、卷带轮9、过渡轮2、张紧轮3、包角控制轮4以及接触轮6等轮系上，通过磨头接触杆7控制砂带与工件型面5的接触压力Fa，在磨削进给速度vf的作用下，储带轮与卷带轮同步运动，在带轮半径RL和RR不断变化的情况下，通过控制同步运动转速nL、nR和转角θL、θR保证砂带同步线速度vsL和vsR以及砂带拉力TL和TR相同，进而形成砂带往复运动线速度vs。在完成一个磨削周期以后，通过卷带轮驱动电机将用过的砂带缠绕在卷带轮上，同时通过储带轮驱动电机将新砂带运送至型面磨削区域。

整体叶盘叶片型面的砂带磨削过程如图2所示：磨头接触杆与工件表面成恒定夹角φ，接触轮支撑砂带并在磨削接触压力Fa的作用下紧贴整体叶盘叶片型面；卷带轮驱动砂带以恒定线速度vs运动，同时磨头以速度vf做进给运动实现叶片表面的砂带磨削加工。

新型砂带磨削对实现整体叶盘叶片的精密磨削具有如下优势：(1)通过储卷轮驱动轮系的运动，实现砂带不间断自动更新；(2)在轮系的共同作用下，砂带能够产生一定速率的磨削运动，在工件只做进给运动的条件下，利用砂带微切削快速累积效应，实现铣削残差层的高效去除加工；(3)通过磨头接触杆实现压力的控制，从而适应磨削过程的变形。此外，整体叶盘叶片单位抛磨面积砂带损耗少(一般为3～5 mm/cm2)，一卷砂带(200～300 m)便能够满足整个叶盘的加工需要[13]。

图2 整体叶盘叶片型面砂带磨削

1.2 整体叶盘数控砂带磨削全型面磨削分析

1.2.1 整体叶盘叶片型面磨削

整体叶盘叶片之间空间狭小，在磨削过程中砂带与叶型不同的截面接触时，接触杆容易与叶片发生碰撞干涉。为保证在砂带接触宽度方向满足叶型曲面半径的变化，尽量减小接触轮半径以及接触轮与砂带的宽度。整体叶盘叶片型面磨削加工如图3所示。整体叶盘叶片型面曲率变化较大，为了减少加工时磨头的换向次数，降低运动精度误差对曲面精度的影响，提高加工效率，保证加工过程中型面到边缘的磨削平稳过渡，采用纵向进给的磨削方式，磨削加工轨迹如图4所示。

图3 整体叶盘叶片型面磨削Fig. 3 Profile grinding bladeson integrated blisk 图4 叶片型面磨削加工轨迹Fig. 4 Grinding track onblade surface

1.2.2 整体叶盘叶片边缘磨削

整体叶盘叶片边缘曲率变化最大，磨削时极易发生变形导致曲面不连续。但是由于叶盘边缘比较开阔，因此磨头与叶片的磨削碰撞干涉较少。磨削加工时，在满足叶盘加工效率和加工精度的前提下，利用砂带磨削的弹性特性，优化磨削参数，确定合理的走刀步距和步长，减少走刀步距和步长对型面精度的影响，从而使叶片边缘型面精度达到设计要求。叶盘叶片边缘磨削加工如图5所示。

图5 整体叶盘叶片边缘磨削加工

1.2.3 整体叶盘叶片根部磨削

整体叶盘叶片根部(叶根)曲面分别由叶身型面、叶根圆角和流道面构成，曲率半径小(最小曲率半径为1.25 mm)，叶片间距小，磨具系统可达性差，抛光过程中磨头接触杆极易与叶片发生干涉。因此在叶根磨削时尽量减小磨头的旋转角度。整体叶盘叶根磨削加工示意如图6所示。

图6 整体叶盘叶根磨削加工

为实现叶根磨削，磨削应施加轴向力。采用新型砂带磨削方法，加工中采用的砂带具有布基薄、柔曲度大等特性，能够配合常规砂带无法应用的小曲率半径接触轮，解决普通砂带磨削时接触轮不能过小的难题，实现叶根圆角小曲率半径磨削加工。

整体叶盘叶根砂带磨削工艺分析如图7所示。为了实现叶根的磨削，接触轮的直径为2.5 mm，同时由于根部磨削空间位置小，磨削热难以快速地散发，因此在磨削的过程中应选用合适的冷却方法，合理配置冷却角度θ，实现最优冷却。整体叶盘叶根余量分布不均匀，根部中心位置余量最大。为了保证叶根的精度，应先磨削中心部位、再分别对两边磨削，可有效避免出现锐角等缺陷。

图7 叶根砂带磨削工艺分析

2 整体叶盘数控砂带磨削变形行为研究

2.1 整体叶盘数控砂带磨削变形机理

整体叶盘是将叶片和轮盘作为一个整体，具有叶片薄、弯扭大、叶片间距小以及叶根与边缘过渡区曲率半径小的特性。整体叶盘抛光过程中，在较大的接触压力作用下，极易造成叶片和磨具系统的双重变形，在整体叶盘砂带磨削系统中，由于磨头接触杆为悬臂状态的细长杆结构，整体叶盘单个叶片为悬臂受力的薄板结构，接触轮为超弹性材料，因此在磨削压力的作用下都易产生弱刚性变形，整体叶盘砂带磨削系统弱刚性变形模型如图8所示。

图8 砂带磨削系统弱刚性变形模型

在整体叶盘叶片型面磨削中，叶片最薄的地方厚度不足1 mm，属于典型的薄壁弱刚性零件。同时，由于整体叶盘叶片间通道狭窄，难以为磨削对象设计平衡磨削正压力的工装夹具，使得工件在磨削正压力的作用下发生被磨削零件的弱刚性弯曲变形。此外，为了拟合复杂曲面，接触轮一般选用的是超弹性材料，在不同磨削接触压力的作用下能够发生不同程度的弹性变形，从而形成了砂带与工件之间的接触弱刚性变形。

2.2 整体叶盘数控砂带磨削变形分析

叶盘流道面深而窄，在磨削过程中，需要把磨削砂带接触轮部件深入到两叶片之间，为了避免磨削过程中与其他叶片发生干涉，需合理规划磨削区域及磨具运动轨迹。在分析整体叶盘磨削变形的基础上，优化磨削参数，在不同的磨削区域设定合理的磨削压力，实现磨削余量的精确去除，从而实现整体叶盘的数控砂带磨削加工。

采用ANSYS进行整体叶盘叶片叶背和叶盆的磨削变形仿真，仿真结果如图9和图10所示。

(a)叶尖部位 (b) 中间部位 (c)叶片底部

将叶片磨削压力为10 N和20 N的变形仿真结果汇总如图11所示。从图11中可以看出：随着磨削压力的升高，叶片的整体最大变形量增大；相同压力下，叶尖部位、中间部位以及叶片底部的最大变形量依次减小。仿真结果表明：叶尖部位的最大变形量均大于叶片最小余量0.005 mm，而叶片中间部位和叶片底部的最大变形量均小于叶片最小余量0.005 mm，且叶片底部对磨削压力的变化适应能力较强，因此为了减少叶片磨削加工变形，叶片中间部位以下可以采用较大压力，而叶片中间部位以上要采用较小的磨削压力(磨削压力应小于10 N)。此外，通过仿真结果还可以发现，叶盆磨削与叶背磨削相比，在同一部位和同一压力的条件下，叶片的叶盆变形略大，因此在磨削叶盆时，在同一磨削部位应选择略小的磨削压力。

图11 叶片不同磨削压力变形仿真结果

2.3 整体叶盘数控砂带磨削变形控制

整体叶盘在经过铣削加工之后，表面纹路残余高度差异较大，砂带磨削加工后既要保证完整地去除残余高度，还要保证叶片型面的一致性，因此在磨削过程中对磨削变形的控制至关重要。磨削变形的大小很大程度上取决于磨削压力的大小，磨削压力既不能太大，又要在一定范围内适当变化，保证不同磨削区域的磨削变形和去除量满足要求。为了满足整体叶盘叶片型面的磨削加工要求，提出了带有压力反馈的磨削压力控制系统方案，如图12所示。

图12 磨削压力控制系统

该压力控制系统主要包括油箱、过滤器、液压泵、压力阀、换向阀、比例阀、气缸、压力传感器、控制器、放大器、溢流阀等元器件。其中控制器是控制系统的核心元器件，可以对反馈信号进行采集和处理，并发出控制信号来控制电气比例阀的阀芯进行动作，使得进入气缸的气体流量大小相应地改变。通过气缸输出压力大小的变化，使得磨削压力在一定范围内变化，实现磨削变形的控制，从而达到磨削余量精确去除的目的。

在整个控制系统中，气缸是载荷的主要输出单元，通过活塞杆与接触杆连接；电气比例阀是连接气缸和控制器的关键元器件，通过设定电气比例阀的值，改变输出压力与输入信号的关系；通过压力传感器可以测得磨削压力。通过对控制系统重要变量的分析，得到整个控制系统的数学模型；根据对气缸、电气比例阀以及传感器的控制方程的建立，得到图13所示的控制系统框图；根据气缸的传递函数、电气比例阀的传递函数结合图13，可以得到整个系统的开环传递函数。该控制系统能够减少砂带磨削产生的型面变形，实现对磨削压力的精确控制，保证整体叶盘的表面质量和型面精度。

图13 控制系统框图

3 整体叶盘数控砂带磨削变形控制试验

3.1 试验对象

试验采用某型航空发动机钛合金整体叶盘，如图14所示。砂带磨削前已完成精密铣削加工。

图14 试验用钛合金整体叶盘

3.2 试验设备

试验采用专门针对航空发动机整体叶盘型面高效、精密、自动化磨削研制的整体叶盘数控砂带磨床，该机床主要由新型砂带磨头、床身、高精度旋转转台和导轨等组成。整体叶盘数控砂带磨床如图15所示。该机床采用双磨头磨削装置，实现工件一次装夹完成粗磨和精磨加工，减少工件装夹带来的误差，提高加工精度。可根据不同工作要求更换不同直径、宽度的接触轮，以避免加工时发生干涉现象。接触轮组件采用快速卡扣式联结，可实现快速更换。设备采用新型开式砂带磨削技术，可实现砂带的快速更替(时间≤5 s)，保证工件表面质量及其一致性符合要求。

图15 砂带磨削机床

整体叶盘砂带磨削装置采用西门子840D数控系统，数控加工软件是自行研发的砂带磨削加工软件系统TBGS，该软件具有模型导入与被加工面提取、刀位点计算及刀路生成、仿真加工、数控代码生成与传输等功能，能够完成数控加工代码生成、模拟仿真以及向数控砂带磨床传输数控代码等任务，具有精度高、系统稳定等特点。磨削加工时，将整体叶盘通过专用工装定位装夹在高精度旋转转台上，根据叶片型面数据，采用高档数控系统控制，实现砂带与叶片型面的定点接触，同时通过同步运动控制，实现整体叶盘的砂带磨削。

试验主要设备仪器还包括三坐标测量机、TR200高精度粗糙度仪、场发射扫描电镜等。

3.3 试验方案

试验分别采用三坐标测量机、粗糙度仪、场发射扫描电镜等获得叶盘磨削前后型面的几何尺寸、表面粗糙度以及表面形貌。数控砂带磨削过程中，采用三坐标测量机检测整体叶盘型面，根据理论数据，重构模型获得磨削余量分布；按照划分的磨削区域，进行干涉避免检查并进行仿真，优化磨具运动轨迹。根据钛合金材料砂带磨削特性，经过多次磨削试验，确定采用碳化硅研磨带进行磨削加工。由于整体叶盘各磨削区域铣削纹路及加工余量不同，工件不同磨削部位的进给速度和砂带线速度也各不相同，具体如表1所示。

表1 砂带磨削进给速度和砂带线速度

3.4 试验结果分析

选取整体叶盘上均匀分布的4个叶片，编号为1、2、3、4，测量砂带磨削前后选定的叶片底部(A1)、中间部位(A2)和叶尖部位(A3)等截面表面粗糙度及其型线精度。

(1) 整体叶盘表面质量分析

图16和图17分别给出了砂带磨削前后，整体叶盘叶片型面表面对比和叶根表面对比。从图16和图17可以看出：采用新型开式数控砂带磨削后，叶型加工表面基本消除了铣削刀痕及过渡区域的接刀，表面无黏附物，无烧伤、刮痕等缺陷，表面质量一致性好。

(a) 砂带磨削前Before belt grinding(b) 砂带磨削后After belt grinding图16 叶片型面砂带磨削前后表面对比Fig. 16 Comparison of blade profile before and after belt grinding

(a) 砂带磨削前Before belt grinding(b) 砂带磨削后After belt grinding图17 叶根砂带磨削前后表面对比Fig. 17 Comparison of blade root before and after belt grinding

对叶片磨削前后局部区域放大，如图18所示。从图18可知：整体叶盘数控砂带磨削后表面沿着叶片纵向方向形成了一致可控的磨削纹路，且该磨削纹路细腻均匀，有利于提升整体叶盘叶片的抗疲劳性能。

(a) 铣削纹路Texture after milling(b) 磨削纹路Texture after grinding图18 砂带磨削前后表面微观对比Fig. 18 Texture comparison before and after belt grinding

整体叶盘叶片砂带磨削(belt grinding，BG)前后的表面粗糙度如图19所示。从图19中可以看出：精密铣削(finish milling，FM)后整体叶盘叶盆型面表面粗糙度Ra在0.668～1.180 μm，叶背型面表面粗糙度Ra在0.573～0.959 μm，表面粗糙度一致性较差，不能满足设计Ra0.4 μm的要求。采用数控砂带磨削以后，整体叶盘叶盆型面表面粗糙度Ra在0.138～0.242 μm，叶背型面表面粗糙度Ra在0.136～0.241 μm，达到设计要求。

(a) 叶盆表面粗糙度

(b) 叶背表面粗糙度

从图19还可以看出：砂带磨削后整体叶盘叶盆型面的表面粗糙度比叶背型面的表面粗糙度小，这主要是由于在同样的接触压力下，叶盆与砂带的接触面积更大，有利于减小表面粗糙度。

通过上面的分析可以得到，该方法满足整体叶盘叶片型面表面粗糙度要求。这主要是因为在砂带磨削过程中，由于砂带与接触轮的柔性特性，砂带与工件在接触压力的作用下呈现出面接触，同时在砂带与工件之间包含了崩碎的磨粒和冷却液而形成研磨抛光的效果，这样整体叶盘在砂带磨削过程中具有磨削和抛光的双重作用，因而可获得比较低的表面粗糙度。

(2)整体叶盘型线精度分析

整体叶盘叶片砂带磨削前后型线精度如图20所示。整体叶盘精密铣削后，叶片叶盆型线精度在0.029～0.103 mm，叶背型线精度在0.033～0.083 mm。磨削后，整体叶盘叶盆型线精度在0.019～0.050 mm，叶背型线精度在0.019～0.049 mm。由此可以看出，经过数控砂带磨削后，整体叶盘型面的型线精度及其一致性明显提高，基本达到设计要求(0.05 mm)。

(a) 叶盆型线精度

(b) 叶背型线精度

从图20中还可以看出：砂带磨削后叶背的型线精度普遍比叶盆的型线精度高，这主要是由于在加工过程中叶背与砂带的接触面积小，有利于提高型线精度；同时可以看出，整体叶盘叶片在中间部位型线精度较高，精铣之后在0.039～0.050 mm，原因是虽然精铣加工考虑了叶片变形，但是无法自适应叶片前端的大变形以及后端的小变形，而磨削以后，没有出现如铣削加工型线精度在不同截面差距较大的情况，因此砂带磨削对于适应叶片变形具有更大的优势。