航发钛合金风扇叶片自适应砂带磨削实验研究

张宏之, 梁巧云, 陈盛天, 王 杰, 黄 云, 邹 莱

(1. 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司, 沈阳 110043)(2. 重庆大学 机械工程学院, 重庆 400044)

航空发动机是关系国家军事安全、国民经济发展的战略性高科技产品，被誉为高端制造领域“皇冠上的明珠”[1]。复杂型面叶片是航空发动机的关键构件，多服役于苛刻环境，除材料要求极高外，还需具备高精度、高表面完整性及高可靠性等特性，是国家重点发展领域重大装备的核心组成部分，其加工质量直接决定了发动机的服役性能与疲劳寿命。

国内传统的叶片精加工方式主要是人工手持砂带、抛光轮等柔性磨具在简易的机器上配合模板量具进行手工修磨，这种方法难以实现修磨工艺柔性光顺与精密质量控制的理想兼容，表面质量较难达到设计要求，现多用数控砂带磨削取代。数控砂带磨削是一种弹性磨削，不易使工件变形，有“冷态”磨削之称；工件表面不易出现烧伤，同时具有磨削、抛光等多重作用，可获得较高的表面加工质量[2];且数控砂带磨削加工的工件表面粗糙度小，残余应力小，表面无微观裂纹、金相组织变化少等[3]。

本研究采用数控砂带来磨削航发钛合金风扇叶片，并结合自适应加工方法，确保其最终的加工精度。先用三坐标测量仪通过最佳拟合法，确定航发模锻叶片型面的加工余量；然后对模锻叶片进行磨削轨迹规划并优化控制算法；最后根据叶片型面余量信息，采用自适应加工方法，对航发模锻叶片材料定量去除，达到其要求的加工精度。

1 三坐标测量仪最佳拟合法

首先检测待加工叶片的实际尺寸，生成实际模型，再与理论模型进行对比，得出叶片型面的加工余量。航空发动机风扇叶片尺寸大、薄壁弱刚性，对建模的坐标系精度要求高，不允许所选基准元素的形状、位置精度误差引起坐标系偏差，因而选用最佳拟合法。

1.1 三坐标最佳拟合法原理

在完成模型坐标系初建后，一般对榫头等精度较高部分的基准元素选取多个特征点进行测量，运用最小二乘法关联测量特征值与理论值，创建全新的坐标系。图1为叶片最佳拟合法原理图。

图1 最佳拟合法原理图

1.2 三坐标测量仪测试

测试选择海克斯康公司制造的GLOBALSILVER CLASSIC SR 06.07.06三坐标测量仪，用专门设计的夹具装夹叶片，如图2所示。

图2 三坐标测量仪装夹叶片

导入数模后，在数模上用程序模式测量、构造至少3个方向都与零件相关的点；然后在编辑窗口执行生成的测量程序，用手动方法测量与数模相对应的元素；当测量结束后，进入新建坐标——最佳拟合坐标系，选中这些从数模中生成并在零件上测量过的点;在菜单中勾选3D、最小二乘、平移加旋转选项;确认后，零件坐标系就会与数模坐标系拟合在一起[4]。图3为三坐标最佳拟合法检测程序图。

图3 三坐标最佳拟合检测程序

2 叶片磨削轨迹控制和编程算法

在叶片砂带磨削中，由于砂带具有一定的宽度，导致其与工件接触为线接触，故需要求取最贴合磨削过程的角度。通过控制接触轮轴线方向即可实现最佳贴合角度控制，以此减少接触轮与叶片之间的磨削干涉。相关文献表明[5]：当接触轮支撑杆方向与加工点位处的法线方向重合，接触轮轴线与加工点位处曲面的最大曲率半径重合时，其贴合效果最好，加工效果最佳。

曲面上点的位置可以用2个变量u和v来联系，并且用矢量方程来表示：

(1)

参数(u，v)是曲面上的曲线坐标，若两曲线参数坐标中的一个是固定的，例如v=v0(定值)，而另外一个坐标u是变化的，这样方程(1)变为：

(2)

(2)式表示曲面上的一条曲线，称为u线；同理，可以确定曲面上的v线。

(3)

(4)

则E、F、G就是曲面的第Ⅰ类基本量。以第Ⅰ类基本量为参数，可写出曲面的第Ⅰ基本齐次式：

Ⅰ=E(du)2+2Fdudv+G(dv)2

(5)

则曲面上任意点的单位法向矢量n(u,v)可以表示为：

(6)

若又规定：

(7)

则L、M、N被称为曲面的第Ⅱ类基本量。与第Ⅰ类基本量类似，可以写出曲面的第Ⅱ基本齐次式：

Ⅱ=L(du)2+2Mdudv+N(dv)2

(8)

以上述理论为基础，就可得出曲面任意一点的主曲率和主方向的计算公式。若假设切向矢量

(9)

(10)

即

(11)

式(11)的矩阵中，未知数λ的解即为曲面在该点的主曲率kmax和kmin。主曲率对应的方向即为主方向，且在非奇点处的2个主方向互相垂直。

由方程组根与系数的关系，可将曲面在该点的平均曲率kA和高斯曲率kG规定如下：

(12)

(13)

在非奇点处，代入kmax和kmin的值，可以得到2个主曲率的方向：

(14)

(15)

又根据欧拉公式的相关定义，可以解出曲面上该点处任意方向的法曲率为：

kn(φ)=kmaxcosφ2+kminsinφ2

(16)

其中：φ为任意方向与对应主方向的夹角。若以第Ⅰ、Ⅱ类基本变量来表示法曲率，则kn又可写作以下形式：

(17)

其中：ρ为任意点处的曲率半径。

根据上述理论分割叶片型面，利用UG二次开发编程对叶盆曲面进行主方向计算，其结果如图4所示。

由图3和图4可知，当黄精浸提液添加量为0.5%时，黄精酸奶的各项指标较好，酸度达到适宜值，口感相对良好，坚实度适宜，稠度相对较好，且黄精酸奶的稠度和坚实度测量值与感官评分具有较好的相关性。

图4 主方向示意图

如图4所示：在计算主方向时，叶片曲面上不同点位处的主方向不仅不一致，而且相邻2点之间还存在较大的角度偏差，这种偏差会导致机床在沿轨迹运动时，部分轴的角度会突变，甚至超过轴的限位，进而影响加工精度，故需优化控制算法。

本试验所有的加工点位均选用u线或v线的切线方向作为接触轮轴线方向。u线的切线方向和v线的切线方向并不构成直角关系，但2个向量均与法线方向构成直角关系，故需要根据法线方向和u线或v线切线方向的2个向量，利用向量叉乘算法求解另一个向量。3个向量相互垂直且满足右手定则，在工件表面的加工点位处构成笛卡尔坐标系，如图5所示。图5中左侧区域为叶片轨迹线，右上角为轨迹线放大图，右下角为离散化的点位信息。

图5 航发叶片轨迹线以及离散化的点位信息

3 自适应砂带磨削加工与结果

3.1 自适应砂带磨削

由于钛合金模锻叶片表面余量分布不均，为保证磨削后表面的尺寸精度，需根据余量的分布情况，自动生成所需磨削的轨迹以及磨削次数，实现自适应磨削。

要实现自适应磨削，首先需要获取模锻叶片的表面余量分布。模锻叶片的余量分布可用18个截面表示，如图6所示，从榫头起向右依次为1至18截面，再用三坐标仪测量这18个截面的余量值。

图6 三坐标测量仪检测截面位置

根据18个截面测出的余量值，以线性插值的方式确定过渡面中的余量分布；再根据砂带磨削加工过程的工艺参数对钛合金材料去除的影响关系，通过编程自动转化为磨头的运动轨迹，完成走刀位置以及走刀次数的控制；同时，对过渡面采用压力控制，完成对余量材料的精准去除。自适应加工路线如图7所示。

图 7 自适应加工方法路线图

3.2 实验装置与参数

磨削机床为重庆三磨海达磨床有限公司生产的七轴六联动自适应数控砂带磨削机床，如图8所示。

图8 数控砂带磨削机床

机床由床身、立柱、工作台、砂带磨头、驱动机构、数控系统、电气系统等部分组成。该机床有7个轴，这些运动轴包括：与磨头垂直并沿数控分度盘轴线方向的X轴；与磨头垂直并与X轴垂直的Y轴；沿竖直上下方向的Z轴；工件回转A轴；工作台回转B轴；磨头绕Z轴旋转的旋转C轴；接触轮压力控制U轴。该机床用西门子840D数控系统控制,通过各个轴的联动实现钛合金叶片各部位的磨削。由于砂带磨床接触轮本身具有一定弹性及机床U轴在Z轴方向具有一定量程的弹性运动，因此该机床具有“柔性”加工特性，能够避免对工件的过磨、过切，从而满足加工的精度要求，同时获得较高的表面质量。

为保证被磨削表面的磨削质量，实验磨削方式为逆磨；同时，考虑加工环境的影响以及砂带本身磨削温度较低的特点，实验采用干磨方式。磨削用砂带分别为VSM公司生产的XK2540X涂层式陶瓷氧化铝砂带以及红色尼龙砂带，前者用来去除叶盆叶背的加工余量，后者用来磨削叶片进排气边及叶片最后的全型面通抛。涂层式陶瓷氧化铝砂带具有较好的材料去除特性，磨削温度低，使用寿命长，其实验参数如表1所示。

表1 磨削实验参数

3.3 砂带磨削实验结果

(1)模锻叶片表面轮廓精度

用三坐标测量仪对航发风扇叶片磨削前的表面加工余量进行测量，加工余量是指实际轮廓到设计轮廓的值。图9为叶片某一截面的加工余量检测结果示意图，含叶片的叶背、叶盆及进排气边。如图9所示：叶片实际轮廓偏离设计轮廓，对其磨削加工后尺寸在公差带内就可满足要求。

图9 叶片加工余量检测结果示意图

图9a中：叶片的叶盆、叶背区域加工余量分布不均匀，中间远离进排气边的区域余量较小，靠近进排气边的区域余量较大，因而依次使用120#和240#的XK2540X涂层式陶瓷氧化铝砂带分区域进行层层去量磨削，最后用红色尼龙砂带通抛来降低粗糙度。

图9b中：叶片的进排气边余量较大且形状为非圆弧过渡，需要进行倒圆处理来满足要求。但为防止发生削边现象，只用红色尼龙砂带对其进行磨削倒圆。图10为叶片进排气边磨削效果图。从图10可以看出：在保证了圆弧过渡的同时，去除了靠近进排气边区域的较大余量，使其表面余量满足了公差带的要求。

图10 进排气边磨削效果

18个截面加工前的最大余量检测结果如表2所示。表2中最大余量值为0.520 mm(截面编号6)，因此采用自适应磨削加工方式，以层层去除的方式对型面余量进行加工，最终使余量达到公差带要求。

表2 加工前截面轮廓最大余量值

图11为叶片某一截面最终磨削效果图。图11中的叶片经过自适应磨削加工后，叶盆、叶背、进排气边余量已经进入公差带，满足了设计要求。

图11 叶片最终磨削效果

(2)表面粗糙度

对磨削后的航发钛合金模锻叶片的18个检测截面测量其表面粗糙度值，表面粗糙度测量装置为Taylor Hobson公司生产的FTS Intra表面粗糙度轮廓仪，轮廓仪的测量长度为3 mm，评定长度为0.8 mm。沿磨削方向的5个位置分别进行3次测量并取平均值。航发叶片表面的粗糙度测量值如图12所示。

图12 截面粗糙度

图12显示：18个钛合金叶片抛光后，其表面粗糙度Ra值均在0.4 μm以下。这是因为砂带磨削后叶片的表面粗糙度主要与砂带的磨粒粒度有关，但由于实验最终用红色尼龙带通抛，所以粗糙度较均匀且差别不大。

4 结论

(1)通过三坐标最佳拟合法对待加工叶片的实际尺寸进行检测，将生成的实际模型与理论模型进行对比，得出叶片型面的加工余量。

(2)根据测量后的叶片模型数据，提取待加工轨迹线，并对其离散化，获得其点位信息，完成磨头的运动轨迹控制。

(3)采用自适应砂带磨削方式对叶片进行加工，在确定磨削参数后，该方法能够精准地去除模锻叶片表面的加工余量，同时保证进排气边的圆弧过渡。测量叶片加工后的表面粗糙度，其表面粗糙度Ra值均在0.4 μm以下。