航空發動機整體葉盤葉片前傾拋光工序規劃

陳振,趙盼,史耀耀,李峰,丁瑩,路丹尼

(1.西安航空學院 機械工程學院,陜西 西安 710077;2.西安明德理工學院 智能制造與控制技術學院,陜西 西安 710124;3.西北工業大學 機電學院,陜西 西安 710072; 4.西安航空學院 飛行器學院,陜西 西安 710077)

航空發動機是關系到國家安全和國民經濟發展的戰略性高科技產品[1-2]。作為新型航空發動機提高氣動效率的重大改進部件,整體葉盤具有非常巨大的潛在市場需求。整體葉盤在精密銑削加工后的刀痕對發動機質量和性能有直接影響,因此必須對其流道型面及葉片型面進行拋光加工,以提高表面質量、增強其疲勞強度,保證整機使用性能和壽命[3-5]。

整體葉盤開敞性差的結構特點使得磨具系統可達性差,在拋光過程中磨具極易與葉片的葉尖部位及進排氣邊發生干涉。因此,很難用砂帶等與工件接觸面積大的傳統磨具進行開敞性較差的整體葉盤葉片表面拋光加工。而柱狀類柔性磨具,如砂布頁輪、砂圈、芝麻磨頭等[6-7],結構簡單、具有更好的可達性,適合開敞性差的整體葉盤葉片拋光加工。在利用柱狀類柔性磨具對葉片型面進行拋光時,為了實現接觸區域面積的最大化以減少走刀次數和加工時間,多采用傳統的橫向走刀方式[8]。從加工效率角度看,盡管橫向走刀方式下的葉片型面單次拋光時間最短,但獲得的表面質量不佳?？紤]到拋光工藝通常包括由粗拋、半精拋到精拋的多個工序,整個葉片型面及整體葉盤的拋光時間長、加工效率低。

外圓磨削加工中的點磨削工藝,通過改變砂輪與工件軸線之間的變量夾角,使得加工過程中磨粒運動軌跡和磨削幾何參數發生改變,從而提高了加工效率[9]。然而,點磨削技術主要應用于軸類零件加工,變量夾角的取值一般在±2°范圍內[10]。工程實踐中發現,采用前傾走刀方式(將傳統橫向走刀方式下的刀軸偏轉一定角度,即前傾角θ)進行拋光,可極大提高表面質量,大幅減少葉片拋光時間。前傾拋光工藝提高表面質量和加工效率,對整體葉盤葉片拋光加工自動化生產具有重要意義。然而,在針對多工序的整體葉盤葉片拋光工藝方面,如何確立最佳的前傾角度,并在保證加工表面質量的前提下降低拋光次數以提高拋光效率,以及如何進行工序規劃,目前相關研究較少。

基于此,本文以開式整體葉盤葉片型面為研究對象,以砂布頁輪為拋光柔性磨具,開展前傾拋光實驗,掌握可快速降低表面粗糙度、提高拋光效率的最佳前傾角度及其相關拋光工序規劃。本研究旨在為提高航空發動機整體葉盤葉片拋光加工效率提供理論指導和借鑒。

1 砂布頁輪前傾拋光實驗

1.1 實驗設置

拋光實驗在QMK020整體葉盤特種拋光機上進行,如圖1所示。某型號整體葉盤的工件材料為TC4鈦合金。拋光磨具為科盈磨具公司生產的碳化硅砂布頁輪(公稱直徑12 mm,寬度12 mm),根據試塊初始表面粗糙度,依次選用粒度為P400～P1200范圍的砂布頁輪進行拋光[11]。

圖1 砂布頁輪拋光實驗

拋光工藝參數根據工程經驗統一選取為:主軸轉速8 000 r/min,進給速度200 mm/min,壓縮量0.5 mm。走刀方式為前傾角θ=0°～90°,間隔為10°。實驗按砂布頁輪5種粒度分為5組。拋光后用Mahr MarSurf M300C手持式粗糙度測量儀測量表面粗糙度Ra值,每次拋光后隨機測量5個區域的Ra值,取其平均值。測量方向為垂直于磨粒切削方向。

1.2 實驗過程和結果

1) P400砂布頁輪拋光

整體葉盤葉片銑削后的初始表面粗糙度Ra范圍為1.287～1.372 μm,均值為1.320 μm。以P400粒度砂布頁輪進行不同前傾角下的多次拋光實驗,實驗結果如表1所示。

表1 P400砂布頁輪拋光實驗結果

2) P600砂布頁輪拋光

根據P400粒度砂布頁輪拋光實驗結果,先將銑削葉片按橫向拋光工藝以P400粒度砂布頁輪拋光3次,獲得統一的初始表面形貌,表面粗糙度Ra均值為1.052 μm;然后用P600粒度砂布頁輪進行進行不同前傾角下的多次拋光實驗,實驗結果如表2所示。

表2 P600砂布頁輪拋光實驗結果

3) P800砂布頁輪拋光

同理,先依次用2種粒度的砂布頁輪對銑削后的葉片試塊進行橫向拋光,P400粒度拋光3次,P600粒度拋光2次,獲得統一的初始表面形貌,表面粗糙度Ra均值為0.823 μm;然后用P800粒度砂布頁輪重復進行進行不同前傾角下的多次拋光實驗,實驗結果如表3所示。

表3 P800砂布頁輪拋光實驗結果

4) P1000砂布頁輪拋光

依次用3種粒度砂布頁輪對銑削后的葉片試塊進行橫向拋光,P400粒度3次,P600粒度2次,P800粒度3次,獲得統一的初始表面形貌,表面粗糙度Ra均值為0.673 μm;然后用P1000粒度砂布頁輪重復進行進行不同前傾角下的多次拋光實驗,實驗結果如表4所示。

表4 P1000砂布頁輪拋光實驗結果

5) P1200砂布頁輪拋光

依次用4種粒度砂布頁輪對銑削后的葉片試塊進行橫向拋光,P400粒度3次,P600粒度2次,P800粒度3次,P1000粒度3次,以獲得統一的初始表面形貌,表面粗糙度Ra均值為0.511 μm;然后用P1200粒度砂布頁輪重復進行進行不同前傾角下的多次拋光實驗,實驗結果如表5所示。

表5 P1200砂布頁輪拋光實驗結果

2 拋光結果分析

從表1～5各粒度砂布頁輪拋光實驗結果可以觀察到,無論哪種粒度的砂布頁輪,其拋光表面粗糙度都隨著前傾角的增加呈下降趨勢。繪制各粒度砂布頁輪的表面粗糙度隨著前傾角的下降曲線,如圖2所示。

圖2 砂布頁輪拋光表面粗糙度隨前傾角的變化

拋光表面形成是磨具表面無數磨粒在工件表面的切削軌跡相互干涉的疊加。從宏觀角度,對于柔性拋光而言,在一定壓縮量下砂布頁輪磨具表面磨粒運動與工件發生干涉時,在工件表面形成近似矩形的切觸區域。磨具沿著規劃路徑與工件做相對進給運動,拋光接觸區域均勻覆蓋于工件表面,實現工件區域的拋光。從工件某區域被拋光的角度對前傾角影響拋光形貌的作用機制進行分析,對于不同的前傾角拋光工藝而言:

1) 橫向拋光時(前傾角=0°),由于磨粒切削方向與磨具進給方向平行,工件上某區域只會受到磨具表面某環向位置上磨粒的切削作用。工件上該區域的拋光深度取決于環向上出刃高度最高的磨粒,因此,橫向拋光工藝的工件表面質量極易受磨具表面磨粒分布的影響,且磨具的回轉偏心運動會加劇這一現象。

2) 隨著前傾角增加,由于柔性磨具受擠壓而產生的切觸區域的存在,工件上某區域受到磨具表面上更多相鄰環向位置磨粒的切削作用。由于工件上該區域受到更多磨粒的切削作用,且磨粒的切痕寬度隨著進給運動擴大,增加了不同磨粒在工件表面切削軌跡的交疊區域范圍。因此,前傾拋光工藝使得整個工件的表面粗糙度降低。

3) 縱向拋光時(前傾角為90°),刀軸方向平行于相對進給方向。在此情況下,工件上的某區域會受到磨具整個軸向方向上每一環向位置磨粒的切削作用。

前傾拋光工藝和縱向拋光工藝下,工件某區域受到更多環向位置磨粒的切削作用,因此拋光表面質量受磨具表面磨粒分布不均、磨具回轉偏心等不利因素的影響大幅減小,從而提高了表面形貌的一致性。

此外,對于葉片拋光加工而言,其首要目的是去除表面依然存在的殘留銑削刀痕。銑削刀痕方向沿著葉片寬度方向,而傳統橫向拋光工藝的刀位軌跡為相同方向。因此,橫向拋光工藝下,磨粒切削方向與銑削刀痕方向相同。磨粒在葉片表面的切削軌跡與銑削表面紋理方向具有相似性的情況下,凸起的銑削刀痕受到的磨粒切削力的方向與刀痕方向一致,從而難以實現銑削刀痕的有效去除,且拋光后易形成明顯的拋光刀痕。而前傾拋光工藝下,磨粒在葉片表面的切削軌跡方向與銑削表面紋理方向不再重合,凸起的銑削刀痕受到的磨粒切削力方向與刀痕方向呈一定夾角,從而容易實現銑削刀痕的有效去除,而且這種拋光工藝的加工效率要明顯高于傳統的橫向拋光工藝。

3 砂布頁輪前傾拋光加工效率及工序規劃

3.1 拋光加工效率

在柔性拋光中,磨具與工件接觸形成近似矩形的接觸區域,其長度方向平行于磨具主軸。在傳統的橫向拋光工藝下,沿著進給方向形成的拋光帶寬與砂布頁輪長度相等。而在前傾拋光工藝下,隨著主軸傾斜角度的增加,拋光帶寬逐漸下降,直到前傾角為90°時縱向拋光工藝下,沿著進給方向形成的拋光帶寬等于接觸矩形的寬度。即在前傾拋光工藝下,隨著前傾角增加,表面粗糙度下降的同時,拋光帶寬也在逐漸下降,需要增加刀位軌跡密度完成工件表面的拋光,從而增加了單位面積的加工時間。

文獻[12]將砂布頁輪拋光效率定義為單位時間內拋光面積與其表面粗糙度減小量的乘積,忽略了初始表面粗糙度對拋光效率的影響。因此,為了量化前傾角對拋光效率的影響,本文定義拋光效率PE為單位時間內拋光區域的表面粗糙度下降率。其計算方法如公式(1)所示。

(1)

由于前傾角的變化導致拋光帶寬不同,從而影響刀位軌跡密度和加工時間。設拋光過程中砂布頁輪與葉片接觸區域的長度為a、寬度為b,即當前傾角為0°時的拋光帶寬為a,而前傾角為90°時的拋光帶寬為b。如圖3所示,其他角度時的拋光帶寬pw計算方法為:

圖3 砂布頁輪拋光帶寬

以等參數線法規劃拋光路徑,對整體葉盤中的單個葉片型面進行拋光,不同前傾角時的拋光總面積S相同,但拋光時間t和表面粗糙度Ra的變化不同。拋光時間t與接觸工件時的進給速度vf、非接觸工件時的抬刀速度以及刀位軌跡密度相關。設不同前傾角拋光時的進給速度和抬刀速度相同,則拋光時間t只取決于刀位軌跡密度,而刀位軌跡密度與拋光寬度pw呈反比。設(Ra0-Ra1)/Ra0隨前傾角θ的變化為函數f(θ),則定義函數F如(4)式所示。

F=pw·f(θ)

(4)

根據拋光效率計算公式(1),拋光相同面積S的葉片型面時,F取最大值時對應的前傾角度即為理論最佳前傾角度。

以P400粒度砂布頁輪拋光為例,在設置的工藝參數下,砂布頁輪與葉片工件接觸區域長度a=12 mm、寬度b=3.71 mm,則拋光寬度pw與前傾角θ之間的關系如(5)式所示。

pw=12.560×sin(72.820°+θ)

(5)

擬合拋光次數1次時(Ra0-Ra1)/Ra0隨前傾角的變化得到函數f(θ),如公式(6)所示。

(6)

聯立(4)～(6)式,則F與前傾角θ之間的關系如(7)式所示。

(7)

根據(7)式,計算可得前傾角θ在[0°,90°]范圍內使F取最大值的角度為48.83°,即為P400粒度砂布頁輪拋光工藝的理論最佳前傾角度。在本粒度砂布頁輪獲得橫向拋光效率最優的前提下,再進行下一個粒度砂布頁輪的拋光,以此逐步獲得每一粒度砂布頁輪的最佳前傾角。后續其他粒度砂布頁輪拋光的最佳前傾角度如表6所示。

表6 各粒度砂布頁輪拋光1次時的理論最佳前傾角

但實際拋光中,砂布頁輪尺寸并非遠小于葉片尺寸,一定前傾角范圍內的刀位軌跡密度相近而葉片拋光時間可能是相同的,即實際工程應用中最佳前傾角會與理論值有所差別。對1.2節的實驗數據進行拋光效率統計,取拋光次數第1次的拋光效率PE進行統計分析(拋光效率單位為mm2/s),可以得出前傾拋光砂布頁輪P400～P1200粒度的最佳前傾角度如表7所示。

表7 各粒度砂布頁輪拋光1次時的實驗最佳前傾角

對于P1000粒度砂布頁輪,前傾角40°和60°的拋光效率值相近。因此,可將P400～P1200粒度砂布頁輪拋光TC4葉片的最佳前傾角統一為40°。

3.2 拋光工序規劃

面向初始粗糙度Ra1.32 μm左右的整體葉盤葉片,拋光效率最優的拋光工序規劃為:

1) P400粒度砂布頁輪以40°前傾角拋光1次,預計粗糙度Ra下降到0.81 μm左右;

2) P800砂布頁輪以40°前傾角拋光1次,預計粗糙度Ra下降到0.51 μm左右;

3) 最后用P1200粒度砂布頁輪以40°前傾角拋光1次,預計粗糙度Ra下降到0.30 μm左右。

基于以上拋光工序進行整體葉盤葉片拋光實驗驗證,結果如圖4所示。

圖4 砂布頁輪前傾拋光工序規劃及實驗驗證

從圖中可以看出,P400粒度砂布頁輪的實驗結果與理論值相近,而P800、P1200粒度砂布頁輪的拋光表面粗糙度低于理論值。在初次砂布頁輪拋光實驗中,P400粒度砂布頁輪拋光前表面形貌為銑削形貌,P600～P1200粒度砂布頁輪拋光前的表面形貌,均為前一粒度砂布頁輪在橫向拋光工藝下形成的拋光形貌。在前傾拋光工藝下,磨粒切削方向與表面紋理方向均成一定夾角,這有利于前一粒度砂布頁輪橫向拋光紋理的材料去除。新的拋光工序中,P400粒度砂布頁輪拋光前為銑削紋路,前傾拋光工藝下磨粒切削方向與銑削紋路方向成40°夾角;而P800、P1200粒度砂布頁輪拋光前,前一粒度砂布頁輪在前傾拋光工藝下已形成與銑削紋路方向呈40°夾角方向的拋光表面紋理。因此,P800、P1200粒度砂布頁輪仍繼續以40°前傾角拋光時,磨粒切削方向與拋光前的紋路方向相同,其材料去除能力有所下降。但由于磨具的相對進給運動以及不同磨粒分布特征,磨粒在工件表面的運動軌跡仍然能夠完全覆蓋前一道工序形成的拋光形貌從而形成新的拋光表面形貌。

由表1～表5中前傾角為0°的傳統橫向拋光工藝的實驗結果可知,依次使用P400、P600、P800、P1000、P1200 5種粒度砂布頁輪,每個粒度的磨具拋光6次,最終可達到表面粗糙度0.369 μm。而采用前傾拋光工藝,依次使用P400、P800、P1200 3種粒度砂布頁輪,每個粒度的磨具拋光1次,即可達到表面粗糙度0.351 μm。相對于傳統的橫向拋光工藝,前傾拋光工藝達到相近表面質量的拋光時間大幅減小,從而極大地提高了拋光效率。

4 結 論

本文通過砂布頁輪前傾拋光實驗,獲得不同粒度砂布頁輪拋光TC4整體葉盤葉片在不同拋光次數、不同前傾角度下的表面粗糙度,結果表明,拋光表面粗糙度隨著前傾角的增加呈下降趨勢,并從工件某區域被拋光的角度和拋光前的銑削表面紋理特征兩方面分析前傾角影響拋光形貌的作用機制;通過量化拋光效率得到各粒度砂布頁輪拋光隨前傾角的變化規律并獲得最佳前傾角度;在此基礎上進行拋光工序規劃,并通過拋光實驗進行驗證。拋光實驗表明,優化后的拋光工序規劃能在較少工序內獲得合格的表面粗糙度,驗證了拋光工序規劃結果的可靠性。