航空发动机整体叶盘阻尼波超精微细自动化抛光新工艺

刘训海，李超，马丽娜

（江苏汉龙航空科技发展有限公司，江苏 昆山 215300）

0 引言

空天飞行中最关键的就是航空发动机的性能，性能优秀的航空发动机是一个国家整体工业能力的最顶级的体现，航空发动机在极为有限的空间内和极端恶劣条件下保持长期、稳定的、极端的性能，航空发动机的叶片需要承受1700℃以上的高温，必须承载相当于中国三峡水库3倍质量的巨大压力，其材料合成和锻造加工的工艺非常复杂，高端的航空叶片的表面超精微细研磨处理是航空发动机性能提升的关键工序，其重要性不亚于发动机本身的任何一道工序，也是航空发动机性能提升的瓶颈工艺之一。

1 绪论

航空发动机是一个国家最顶级的工业技术水平的体现，航空发动机的核心就是耐高温、耐高强度的钛合金整体叶盘的加工水平，其叶片的加工精度和表面质量对航空发动机的动力和寿命有直接影响。高水平的整体航空叶盘的磨抛工艺可以提高叶片的尺寸精度及表面质量，由于传统的研磨工艺过于复杂，操作人员往往很难熟练掌握，对叶盘叶片复杂的曲面和重叠叶根部死角等无法均匀触及，导致航空发动机整体叶盘的超精微细抛光研磨成为航空发动机整体性能提升的一个工艺瓶颈，亟待突破[1-2]。

1.1 技术研究背景

对航空发动机整体叶盘叶片的复杂曲面、重叠叶根等采用数控自动化整体b均匀磨抛过程的关键技术:磨削工艺方式、磨抛工艺优化、整体叶盘超精微细自动化研磨技术。

整体叶盘成型加工过程都不可避免地在零件加工表面留下一定缺陷，这些缺陷主要包括：曲面铣波痕、微倒伏毛刺等，航空发动机叶盘（叶片）的曲面的整体非常复杂，整体叶盘叶片之间部分垂直方向重叠扇形分布，叶片之间间隙距离限制了磨具磨头进入，导致复杂曲面无法采用上述的传统研磨工艺进行超微细研磨。

1.2 国内外研究现状

国外对整体叶盘叶片也进行了大量的研究，如瑞士PRECITRAE公司的Cyberpolish T抛光机、德国IBS公司的MTS1000-6CNC的六轴砂带磨床、英国的Cyril-Adams和Rolls-Royce公司等对航空叶片的超精微细研磨方向均采用了多种研磨工艺，国内如XX航空航天大学、重庆XX大学、XX理工大学、中航工业北京XX航天研究所等众多国内科研机构也研发了诸如多轴砂带研磨机等精密研磨磨床，其无一例外的主要都是对单片叶片有着一定的技术突破，但对航空发动机的整体叶盘叶片均有一定的重叠叶根等很难实现均匀一致的超微精细研磨作业，只能在单片叶片抛光上进行使用，不能适用于复杂的整体叶片曲面抛光，整体叶片的一致性均匀曲型面抛光是航空发动机性能提升的发展瓶颈。

1.3 研究的内容和意义

航空发动机整体叶盘是将叶片与轮盘设计成一体，减轻发动机整体重量提高了发动机的推重比。整体叶盘中的叶片存在型面的叠加变化，具有薄壁、弦宽、弯掠、叶片叠加等复杂整体几何特征，传统研磨加工过程中磨具很难进近叶片内根几何死角位置，重叠的叶片亦容易导致磨头干涉碰撞到叶片，这些都极可能导致整体叶盘报废。目前国内外整体叶盘的精密超微细研磨加工仍主要依靠熟练的钳工进行人工磨抛，普遍存在抛光效率低、各曲面研磨余量不均匀、有些用力过猛处形成过抛点位高温变色、叶片重叠处研磨刀具无法均匀触及等问题使其难以适应当前新型航空发动机研制和量产的需求。为满足航空发动机对推重比及高可靠性等性能提升的要求，提高整体叶盘的超精微细精密研磨加工的质量与实现自动化数控均匀超微细研磨，就显得非常迫切，江苏汉龙航空科技有限公司研发团队经过多年实践潜心研发出新型阻尼波动超精微细自动化整体叶盘抛光工艺，实现了整体航空叶盘的高精度、高效率、高质量、自动化的超精微细磨抛应用加工技术[3]。

2 阻尼波超精微细自动化抛光的工艺原理

2.1 工艺简介

江苏汉龙航空科技发展有限公司刘训海、李超、马丽娜团队经过多年的潜心研究，采用特殊的阻尼波超精微细光整加工方式，将整体叶盘固定在阻尼器波动发生机头夹具装置上，采用数控工艺设定好自动程序，将机头零件按照设定好的程序侵入到机床的阻尼波动磨料箱内，在综合阻尼波动下的磨块和磨剂等介质在工件内部的形成的阻尼波动微涡流360°行程微波动冲击，独立的机头夹具同步输出阻尼波动，并根据实际需要设定进行自动自传，在复杂的相对阻尼波混动微冲击运动下，游离状态的磨料颗粒始终以一定的向心速度和压力对整体叶盘件各型面进行360°无死角滚压及微量磨削，机头夹具自身同步独立输出阻尼波动动力，使得磨料颗粒可以从容进入叶盘重叠叶根处进行均匀抛磨，从而达到均匀细化整体叶盘的复杂型面的粗糙度，去除加工毛刺和表面微观缺陷，改善整体叶盘表面物理机械性能，同时机床设定工艺参数后实现无人干预的自动化研磨作业，达到不依赖人力地提高零件表面质量和改善使用性能的目的，只需确定合适的磨粒种类、装入量、混合比、加工时间、自转速度、阻尼输出频率等诸多参数后就能实现全自动化均匀超精微细抛磨，最终获得理想的光整加工效果，自动化数控阻尼波动超精微细研磨加工工艺是这种技术的核心[4-5]。

2.2 工艺步骤

根据整体叶盘叶片表面粗糙度和加工刀纹纹路的不同区别，采用粗、中、细不同选中的磨料颗粒进行分步骤进行逐层次研磨，确保叶盘叶片的精度保证[6]。

2.3 阻尼波超精微细研磨抛光技术特点

见图1：工艺优点。

图1 工艺优点

2.4 超精微细抛光功能

（1）减小和细化整体叶盘叶片型面粗糙度，消除机加工痕迹、微观纹痕等型面缺陷，提高和改善叶盘叶片整体型面质量。

（2）抛光精度高，整体均匀微研磨去除余量小，在叶盘叶片整个型面抛光达到光洁度要求的同时，保持叶盘叶片整个型面的公差要求。

（3）通过超精微细抛光后表面光洁度高，叶盘叶片整个型面完全看不出加工痕迹，基本达到镜面效果，表面粗糙度最低可达Ra0.16～0.05um。

（4）叶盘叶片整个型面抛光后表面均匀，一致性高，适合叶盘叶片整个型面批量超精微细加工生产。

（5）可彻底解决叶盘叶片整个型面曲面结构复杂，人工和机器打磨无法完成的抛光难题。

（6）提高叶盘叶片整个型面物理力学性能，改善叶盘叶片整个型面应力分布状态。

（7）机床自动化程度高，实现一键输入、一键启动、无人值守、傻瓜式超精微细研磨结果。

3 航空发动机整体叶盘阻尼波超精微细抛光结构及工艺

3.1 机床阻尼器机架

采用数控自动化控制系统自动夹爪固定阻尼波动夹具，夹持整体叶盘进入阻尼波发生料箱区域，设定机夹头的阻尼波发生频率和自传速度和方向，机头和上梁架采用阻尼器固定安装链接可自由整体升降系统，见图2阻尼波动机头。

图2 阻尼波动机头

3.2 阻尼波动工作模式

阻尼悬挂设计机械固定抓手，将整体工件固定在阻尼悬挂梁上加悬浮机架臂上，整体沉入阻尼波动料箱中，磨料为颗粒状混动运动状态，对侵入复杂工件进行非硬力整体阻尼动微波研磨，确保复杂工件无死角，无微变形，无撞击损坏情况下，一致性精密研磨完成！见图3 整体叶盘无死角超精微细研磨、图4微细研磨效果图。

图3 整体叶盘无死角超精微细研磨效果

图4 微细研磨效果

3.3 阻尼波超精微细研磨效果

整体均匀一致，各型曲面粗糙度Ra0.2～0.16以下 ，表面纹理（放大20倍）倒伏微毛刺去除干净，研磨刀具无法达到的根部盲区位置可以一次性粗糙度提高到Ra0.2～0.16以下，保持研磨一致性，见图5研磨前后效果对比。

图5 研磨前后效果对比

阻尼波超精微细研磨技术对整体航空发动机复杂叶盘（叶片）工件可以整体一致性超微细精密研磨，整体叶盘超精微细抛光效果：①整机实行整体叶盘全自动化数控控制一致性超微细研磨工作；②除整体叶盘毛刺、氧化皮、锈迹、杂质等，使零件毛刺处去除后光滑、光亮；③实现整体叶盘的粗、中、细多种自动化研磨工序选择；④大幅度改善整体航空叶盘复杂型面零件毛刺部位的表面清洁度；⑤改善整体航空叶盘表面加工纹理，降低整体叶盘曲形面整体粗糙度；⑥不依赖产品曲面尺寸变化，整体均匀研磨360°全面抛光作业无叶根死角，确保均匀一致；⑦机床封闭加工作业，预设定参数后一键启动自动化作业，确保工作区安全保障；⑧加工时间单位设定后自动化精细研磨，无产品碰撞伤害危险，不依赖人工，满足工业产能要求；⑨一次性整体加工，不改变零件原来的形位公差，尺寸方面只有μ级变化，叶片粗糙度达Ra0.16以下。

4 结语

航空发动机整体叶盘阻尼波超精微细自动化抛光工艺解决航空发动机叶盘叶片整体抛光存在的整体研磨工艺缺陷，填补了国内外长期困扰的针对航空发动机整体叶盘（叶片）自动化超精微细研磨的技术、设备空白，实现全自动化数控控制机床自动完成指令作业，同时保证叶盘叶片自有曲面精度和变形量精度控制，全面提升整体叶盘叶片的表面粗糙度，有效提升航空发动机的产业技术革新！