高速叶尖磨床综述

雷凯淞

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

高速叶尖磨床是专为航空发动机叶尖磨削设计的，设备配有自动平衡装置、自动激光实时测量系统、自动去毛刺系统以及砂轮修整系统。适合磨削压气机叶片叶尖和涡轮叶片叶冠。

1 应用特点

高速叶尖磨床主要用于风扇转子、压气机转子、高/低压涡轮转子叶尖的组合磨削加工，模拟发动机工作转速状态进行叶尖磨削，同时，可以在叶尖磨削后进行平衡，有助于提高部件的平衡质量，从而做到提高、稳定整机性能和质量。

以某发动机风扇增压级转子为例，如图1所示，其叶片材料为Ti-6Al-4V MAS3004，转子直径Ф1009mm，加工精度0.1mm，叶尖跳动要求不大于0.04mm，表面粗糙度大于Ra0.8μm，叶片叶尖与轴线的夹角最大16°59′，公差均为±5′。由于风扇增压级组件的叶片榫头与榫槽之间存在间隙，要求加工转子叶片叶尖尺寸时，须保证增压级各级叶片榫头工作表面与增压级鼓筒贴合。因此，需采用高转速的高速叶尖磨床，提高转子加工时的转速，以便通过离心力的作用将转子叶片榫头工作表面与增压级鼓筒贴合，从而进行叶尖的磨削加工。

图1 发动机风扇增压级

表1 高速叶尖磨技术指标对比表

2 设备原理及组成

高速叶尖磨床的原理，是通过提高的工件转速模拟发动机工作状态，使叶片榫头与轮盘或鼓筒的榫槽紧密地贴合，进行磨削与在线测量，从而使得磨削后的叶片外径尺寸与工作状态保持一致。转子叶片高速磨削工艺是保障发动机工作性能的重要工艺方法。

高速叶尖磨床设备主要由床身、工件驱动装置、工件托架、去毛刺单元、修整装置、叶尖测量系统、机床防护罩、电气系统、空气系统、电气控制与数据采集系统、砂轮的自动平衡装置以及中央空气供应和监控系统等组成。

图2 高速叶尖磨示意图

（1）机床床身。由于采用铸铁，机床床身本身稳定性高，并且作为机床的基础，测量系统基座单元以及磨削和刷子附件置于同一机床床身上。所有接触面均经过精加工以及刮研。通过固定元件将床身固定在地基上。

（2）工件驱动装置。工件驱动装置位于机床床身上，主要包括有一个可调节交流伺服电机，用于通过一个平衡驱动轴驱动转子。这一装置用于加工过程中控制转子的速度及方向。工件旋转的速度及方向可在工件参数中设置。

图3 高速叶尖磨床身

图4 工件驱动装置

（3）工件托架。重型前侧和后侧工件托架均安装在机床底座上。前侧工件托架为固定安装，而后侧托架可以沿着机床底座进行移动和定位，以便适用不同的转子型号。后侧托架的移动是通过滚轴丝杠实现的；在确定的位置上刚性夹紧后侧托架。

固定在前侧和后侧工件托架上的定位基准块用于工件托架的校准。由NC程序自动计算偏差数值。

（4）用于磨削支撑装置/防尘的横向轴和纵向轴。

图5 工件托架

线性导轨和滚轴丝杠上配有多层防尘保护罩，确保这些元件能够无故障运行和拥有较长的使用寿命。

图6 首层伸缩式导轨防护罩覆盖导轨以及滚轴丝杠

（5）修整装置。机床包括有一个用于修整砂轮的修整装置。可以通过CNC控制系统进补偿修整数值。通过一个金刚石轮进行修整。这样可以进行几乎没有磨损的修整，特别是在干式磨削的时候。转子驱动侧还装有另外一个修整装置，用于修整曲面叶片的外型。

图7 修整装置

（6）电气设备。机床的控制系统为Siemens 840Dsl系统。开关柜符合VDE标准。电气柜在电缆槽内均配备有完整的绝缘材料，包括冷却单元。CNC控制、可以与电子AC伺服电机连接。

（7）叶尖测量系统。转子测量系统通过正切测量方式对叶尖进行测量。此测量系统可以用于在磨削速度下测量叶尖。可以测量转子上的每个叶片。每一层叶片的最大/最小以及平均半径值都将被测量出来。测量结果将会被储存在数据库中以备将来使用，或者可以以测量报告的形式打印出来。同时，也可以测量任意一个独立的叶片。测量系统配备有充足的防护装置，防止机械撞击以及灰尘。

（8）机床防护罩。吸音外罩带有空调系统，用于温度控制。机床外罩包括有维护门；维护门的状态电气锁紧，带有安全开关等装置。

图8 激光测微仪

机床外罩正好外绕整个机床，以保护操作人员受到高速旋转工件的伤害。机床或者整个系统的噪音等级不会超过75分贝。机床外罩在顶部带有一个上料舱门，可以使用天车系统上料转子。配备有用于装载以及卸载砂轮的附件装置。

（9）空气过滤装置。机床配备有一个粉尘抽排单元，用于收集在磨削和修整操作过程中产生的粉尘。

3 设备选型要点

高速叶尖磨床的主要性能指标包括工作台中心高、磨削直径、最大磨削长度、最大零件重量、砂轮线速度、工件转速、在线测量精度等。在进行设备选型时，需根据设计要求、工艺要求进行参数选择。

目前，国内没有生产高速叶尖磨床的厂家。国际上生产高速叶尖磨床的厂家有西班牙达诺巴特公司、德国锐锋公司等。本文对这两个厂家的高速叶尖磨床进行了调研，以磨削直径Φ1400mm的该设备为例，指标对比如下。

4 设备安装需求

进口高速叶尖磨床集成度较高，对土建、厂房环境和专业消耗的要求并不太高。

（1）土建。需做独立设备基础、隔振沟等。

（2）厂房环境。设备自带防护罩，并配备空调装置以保证温度在工作区域内，保证磨削工艺要求；设备自带抽风除尘装置，以清除磨削和修整操作过程中产生的粉尘。因此，该设备对厂房环境要求不高，一般安装在空调厂房即可。

（3）专业消耗。耗电量：约100kW～200kW；压缩空气：压力0.6～0.8MPa，管径约15mm；循环水：设备一般自带冷却循环系统，需定期加入循环水。

5 结语

采用高速叶尖磨床进行转子叶片叶尖的磨削，已经成为现役航空发动机装配和修理的重要工艺手段。如何选择合适的高速叶尖磨床，如何优化工艺、设定合理的磨削参数，是工程技术人员必须掌握的。未来，我国装备制造业也应朝着集成化、精密化、高效、高可靠性的方向快速发展，尽快打破国外技术垄断，为航空发动机的研发制造助力。