由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片具有結(jié)構(gòu)弱剛性、材料難加工、型面復(fù)雜等特性，加工后表面存在燒傷、殘余應(yīng)力分布不均勻等表面缺陷，將嚴(yán)重影響葉片幾何精度、表面質(zhì)量及其服役性能。因此，分析研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削方法及其關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于指導(dǎo)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片抗疲勞加工以及提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役壽命具有重要意義。

       砂帶磨削以及磨粒流拋光因兼具磨削和拋光的雙重作用，工藝靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)，且其柔性拋光的特性在曲面平滑過(guò)渡方面具有獨(dú)特的擬合效果，在整體葉盤、葉輪、葉片等零件的精密拋光中得到應(yīng)用，成為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面完整性和疲勞壽命的有效加工手段。

       1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨粒流加工【1】

       磨粒流加工技術(shù)是一種適用于復(fù)雜曲面零件表面拋光的非傳統(tǒng)磨削方法，半固體磨料介質(zhì)在模具模芯的約束和擠推壓力的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)零件待拋表面，具有切削刃的磨粒與工件表面粗糙峰谷相互擠壓滑擦，實(shí)現(xiàn)零件表面的去毛刺、除飛邊、倒圓以及拋光，進(jìn)而達(dá)到表面材料去除以及提高表面完整性的目的，如圖2所示。

       早在1993年，Boynton就采用磨粒流加工方法對(duì)航天飛機(jī)的高壓燃油渦輪泵轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行拋光，使葉片表面粗糙度從10.16μm下降到0.76μm，透平的冷卻效率提高2.1%，入口溫度下降了32℃，對(duì)于整體的抗疲勞性能和服役性能具有顯著提升作用。

       經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，磨粒流加工技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造領(lǐng)域。美國(guó)DYNATICS、GE等公司采用磨粒流加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了葉片的精密磨削加工，將表面粗糙度從2.0μm降低到0.8μm，極大提高了葉片加工質(zhì)量，減小了由表面粗糙度引起的應(yīng)力集中，提升了葉片的疲勞強(qiáng)度。

       葉片的抗疲勞性能與表面粗糙度、殘余應(yīng)力狀態(tài)、紋理結(jié)構(gòu)等表面完整性特征直接相關(guān)，為了獲得良好的表面完整性，需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)優(yōu)化研究。Sankar等對(duì)黏彈性磨料旋轉(zhuǎn)磨粒流加工過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)表面完整性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了磨粒含量、壓力、加工次數(shù)和工件轉(zhuǎn)速對(duì)磨削表面粗糙度的影響。

       磨粒流加工技術(shù)已被美國(guó)航空航天部門列為航空零部件精加工的重要工藝，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、葉片等復(fù)雜曲面零件的光整加工。目前，磨粒流加工已經(jīng)出現(xiàn)了諸多擴(kuò)展應(yīng)用，例如振動(dòng)輔助磨粒流加工、流化床加工、動(dòng)壓磨粒流加工等。

       超聲振動(dòng)輔助磨粒流加工方法是在傳統(tǒng)磨粒流加工方法的基礎(chǔ)上引入超聲振動(dòng)增大磨粒與工件之間的相互作用關(guān)系，以達(dá)到高質(zhì)、高效拋光的新型磨粒流加工方法。Venkatesh等將振動(dòng)輔助磨粒流加工方法應(yīng)用到錐齒輪齒面光整加工獲得了比傳統(tǒng)磨粒流拋光更優(yōu)的材料去除率和表面粗糙度。

       從國(guó)外企業(yè)公開的技術(shù)文件中發(fā)現(xiàn)，雖然磨粒流在降低表面粗糙度引起的應(yīng)力集中方面效果明顯，然而磨粒流加工在生產(chǎn)過(guò)程中存在形狀精度難以控制的特點(diǎn)，整體葉盤、葉片的葉盆和葉背拋光質(zhì)量并不均勻，且在葉片邊緣等關(guān)鍵部位會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)拋現(xiàn)象。尤其是對(duì)于葉片等復(fù)雜曲面構(gòu)件，如整體葉盤的進(jìn)、排氣邊，目前尚無(wú)文獻(xiàn)或其他資料給出具體的解決方案，因此多只用于表面光整加工。

       2、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片砂帶磨削加工

       由于航空制造企業(yè)缺乏相關(guān)的精密高效拋光方法與技術(shù)，目前部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的精密磨削加工仍然采用手工拋光的方法進(jìn)行。然而人工拋光不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且型面精度、表面完整性、表面一致性等特征難以保證。

       同時(shí)，受到工人技術(shù)等級(jí)和熟練程度的影響，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的服役性能、安全可靠性以及生產(chǎn)周期等，因此目前該方法逐漸被機(jī)器磨拋加工所取代。

       針對(duì)數(shù)控磨削加工，袁明提出航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片數(shù)控智能磨削加工技術(shù)。應(yīng)用參數(shù)線法規(guī)劃葉片磨削加工軌跡，以此為基礎(chǔ)，提取磨削加工余量，模擬與計(jì)算對(duì)應(yīng)數(shù)值，適當(dāng)處理獲取的葉片磨削加工軌跡與加工余量數(shù)據(jù)，推出葉片數(shù)控智能磨削算法(數(shù)控車床轉(zhuǎn)軸、直線軸與壓力軸運(yùn)動(dòng)控制模型)，以此控制數(shù)控車床運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并通過(guò)刀位點(diǎn)偏移補(bǔ)償葉片的反變形誤差，實(shí)現(xiàn)了航發(fā)葉片的數(shù)控智能磨削。

       2.1葉片數(shù)控智能磨削加工軌跡規(guī)劃【2】

       對(duì)于葉片數(shù)控智能磨削加工來(lái)說(shuō)，合理的軌跡規(guī)劃至關(guān)重要，不但可以提升數(shù)控計(jì)算效率，也能滿足葉片磨削加工精度需求。選取參數(shù)線法規(guī)劃葉片磨削加工軌跡,其具備操作簡(jiǎn)單和運(yùn)算效率快等優(yōu)勢(shì)。在加工過(guò)程中，數(shù)控車床刀具主要沿著葉片曲面的u線或者v線走刀。在葉片磨削數(shù)控智能加工軌跡規(guī)劃過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)為走刀步長(zhǎng)與加工帶寬計(jì)算。

       其中，走刀步長(zhǎng)計(jì)算公式為

       (1) L為葉片磨削加工走刀步長(zhǎng);ε為給定的加工誤差極限;kf為葉片磨削中插補(bǔ)段沿著走刀軌跡f的法曲率。

       加工帶寬計(jì)算公式為

       (2) d為葉片數(shù)控磨削加工帶寬;R為數(shù)控砂帶輪的半徑;εh為允許最大殘留高度;kb為葉片表面沿軌跡方向b的法曲率。

       以計(jì)算得到的走刀步長(zhǎng)及加工帶寬為基礎(chǔ)，根據(jù)參數(shù)線法生成葉片磨削加工軌跡,為葉片數(shù)控加工提供支撐。

       2.2葉片磨削加工余量計(jì)算

       航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片剛性較差、壁較薄和易變形等特點(diǎn)，在制作加工后仍然存在超差區(qū)域，加工余量分布也不均勻，對(duì)葉片后續(xù)磨削加工造成了一定的阻礙。因此，為了提升葉片加工精度，需要對(duì)葉片磨削加工余量進(jìn)行提取與計(jì)算。

       葉片磨削加工余量提取與計(jì)算流程如圖1所示。

       如圖1所示，利用三坐標(biāo)檢測(cè)方法對(duì)葉片表面數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行采集，呈現(xiàn)1張曲面網(wǎng)格形式，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量為(m+1)×(n+1),其中，m+1為截面數(shù)量;n+1為截面上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。設(shè)置截面線方向與葉身長(zhǎng)度方向?yàn)閡與v,對(duì)應(yīng)次數(shù)分別為k與l,以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重構(gòu)葉片模型，表達(dá)式為

       p(u,v)為重構(gòu)后的葉片模型;di,j為數(shù)據(jù)點(diǎn)i與j之間的距離;Bi,k(u)與Bj,l(v)分別為在u與v方向重構(gòu)的B樣條曲面。

       依據(jù)規(guī)劃好的刀路軌跡計(jì)算刀觸點(diǎn)p(r,n),其中，r為刀觸點(diǎn)的徑向矢量，n為刀觸點(diǎn)的法向矢量。為了方便研究的進(jìn)行，以葉片理論模型作為參照，其截面線與葉身長(zhǎng)度方向表示為X與Y。經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)重合后，獲得經(jīng)過(guò)刀觸點(diǎn)，方向?yàn)榉ㄏ蚴噶糠较虻闹本€，表示為

       L為直線矢量方程;r1為檢測(cè)坐標(biāo)系下的徑向矢量;δ為輔助系數(shù)，與直線長(zhǎng)短緊密相關(guān)。

       將式(3)與式(4)聯(lián)立即可獲得交點(diǎn)p′,通過(guò)計(jì)算刀觸點(diǎn)與交點(diǎn)之間的距離(不為0),從而確定葉片的磨削加工余量，表達(dá)式為

       εi為第i個(gè)刀觸點(diǎn)的磨削加工余量;為刀觸點(diǎn)與交點(diǎn)的距離。

       通過(guò)上述過(guò)程完成了葉片磨削加工余量的提取與計(jì)算,為后續(xù)葉片數(shù)控智能磨削算法的推出提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

       2.3葉片數(shù)控智能磨削算法

       上述過(guò)程獲得的葉片磨削加工軌跡與磨削加工余量只是葉片制作加工的第1步，但是這些數(shù)據(jù)無(wú)法直接應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼榱藢?shí)現(xiàn)葉片的數(shù)控智能加工，必須對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行全面控制，推出對(duì)應(yīng)的葉片數(shù)控智能磨削算法。

       葉片數(shù)控智能磨削算法包含3個(gè)控制模型，分別為數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)軸、直線軸與壓力軸運(yùn)動(dòng)控制模型。以葉片理論模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建工件坐標(biāo)系，記為OPXPYPZP,使其與數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系保持同樣的姿態(tài)。為了保障葉片刀觸點(diǎn)矢量與磨頭刀架矢量保持方向相同，需要將卡盤繞X軸旋轉(zhuǎn)A角，繞Y軸旋轉(zhuǎn)B角，并精確計(jì)算旋轉(zhuǎn)角，即可完成轉(zhuǎn)軸運(yùn)行控制。旋轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為：

       N0=[nx0,ny0,ns0,0]T為在工件坐標(biāo)系下，刀觸點(diǎn)法向矢量;N1=[nx1,ny1,ns1,0]T為葉片旋轉(zhuǎn)A角后刀觸點(diǎn)的法向矢量。

       數(shù)控機(jī)床直線軸控制主要是對(duì)旋轉(zhuǎn)變換后刀觸點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，其決定著刀具是否能夠按規(guī)劃軌跡進(jìn)行運(yùn)作，不但影響著葉片磨削加工精度，也會(huì)影響磨削的效率。

       假設(shè)旋轉(zhuǎn)后工件坐標(biāo)系中刀觸點(diǎn)為R2=[x1,y2,z2,1]T,依據(jù)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)與工件坐標(biāo)系的關(guān)系，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算刀觸點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床中的坐標(biāo)，計(jì)算公式為

       R=[x，y，z，1]T為在數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系中刀觸點(diǎn)的坐標(biāo);[xh，yh，zh，1]T為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣;[x0，y0，z0，1]T為原始刀觸點(diǎn)坐標(biāo)矩陣。

       航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削加工實(shí)質(zhì)上是一種柔性拋磨過(guò)程，為了保障材料具有一定的去除率，必須對(duì)葉片施加一定的法向接觸壓力m，這也是壓力軸的運(yùn)行控制重點(diǎn)。隨著磨削加工余量的變化，相應(yīng)地施加載荷也存在著較大的不同。為了滿足葉片加工精度的需求，應(yīng)該根據(jù)刀觸點(diǎn)磨削加工余量確定磨削參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床壓力軸的接觸壓力。

       在葉片磨削加工過(guò)程中，材料去除率為

       rk為材料去除率;Cg為磨削過(guò)程中，修正常數(shù)、阻力系數(shù)與耐用度系數(shù)的乘積;Vb為砂帶線速度;Vm為葉片進(jìn)給速度;F為刀觸點(diǎn)p的法向壓力;x1、x2和x3為輔助計(jì)算參數(shù)。

       以式(9)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，確定磨削壓力計(jì)算公式，即

       x0為輔助計(jì)算參數(shù)，取值范圍為0~1。

       上述過(guò)程完成了數(shù)控機(jī)床運(yùn)行姿態(tài)的全面控制，為葉片磨削加工提供良好的控制性能。

       2.4葉片加工反變形誤差補(bǔ)償

       由于環(huán)境、器械等多種因素的影響，葉片磨削加工存在著些許誤差，導(dǎo)致葉片發(fā)生一定的彎曲變形，如葉片向上或者向下偏移、葉根偏移量較大等。上述情況均會(huì)影響葉片的加工質(zhì)量，故需要對(duì)其進(jìn)行反變形誤差補(bǔ)償，常規(guī)情況下，葉片在加工去除余量后，葉冠會(huì)發(fā)生δ變形，此時(shí)為了補(bǔ)償δ變形,刀位點(diǎn)應(yīng)該向相反方向進(jìn)行偏移補(bǔ)償，還需要滿足葉片表面光滑性，因此需要滿足下述條件，即

       a為單步加工量;工為刀位點(diǎn)偏移補(bǔ)償量;a-x為實(shí)際磨削深度。

       特別地，對(duì)葉片進(jìn)行進(jìn)一步精加工時(shí)，為了確保實(shí)際磨削不會(huì)超過(guò)理論數(shù)值,還需要滿足下述條件，即

       d為當(dāng)前時(shí)刻葉片余量。

       通過(guò)上述過(guò)程完成航空葉片數(shù)控智能磨削加工，能有效地提升葉片制作加工的精度。

       3、結(jié)語(yǔ)

       磨削作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的最終材料去除工藝，對(duì)于疲勞壽命具有重要影響。目前雖然在新型輕質(zhì)航空材料研發(fā)以及抗疲勞磨削方法和工藝等方面已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但仍存在抗疲勞磨削方法匱乏，表面完整性控制策略不完善，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用等問(wèn)題。

       本文介紹了兩種磨削技術(shù)以便大家學(xué)習(xí)，引用資料來(lái)源附于文末，感興趣的朋友可自行搜索閱讀。