航空發動機葉片自動化磨削加工質量分析

孫雨婷 昂給拉瑪 趙 明 吳志新

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

航空發動機不僅是航空工程的重要設備，也是一個國家機械加工制造、工業綜合技術水平和科技實力的重要體現。目前，由于我國航空工程的需要，因此對高性能航空發動機有了更高要求，進而投入了大量人力、物力和研發資金，致力于國際頂尖水平航空發動機的研發制造[1]。在航空發動機中，葉片是最重要的組件，葉片表面的加工質量、葉片形狀的輪廓加工精度對航空發動機整體工作性能和使用壽命有重要影響[2]。但是，航空發動機葉片自身形狀的特殊性、所用材料機械加工性能的限制使很多常規加工方法都無法達到預期效果，從而使葉片的加工質量和加工效率都難以達到理想水平[3]。本文選用自動化磨削加工方法，通過理論和試驗分析了該方法對提升航空發動機葉片加工質量的作用。

1 航空發動機葉片磨削加工的機械特性

航空發動機葉片的加工難點包括2 個方面。第一個方面，葉片的形狀不規則、起伏變化大，從而導致加工過程中余量分布極不均勻。第二個方面，葉片的選用材料一般都比較特殊，屬于剛度較低的材料，因此常規加工效果不理想。葉片的加工經常出現削邊誤差、縮邊誤差、平頭誤差和尖頭誤差等，如圖1所示。

圖1 葉片的加工誤差分類

為了解決航空發動機葉片加工中存在的問題，本文采用自動化磨削加工來提升加工質量。磨削加工的最大優勢在于其加工精度高且為柔性加工，之所以具有柔性特點，是因為磨削加工所用的砂帶基體材料的彈性較大，而外圍材料也是彈性材料。因此在磨削加工過程中，砂帶和航空發動機葉片表面之間始終保持彈性接觸狀態，不會造成剛性破壞。運用磨削技術完成航空發動機葉片加工的示意圖如圖2所示。

圖2 運用磨削技術完成航空發動機葉片加工的示意圖

從圖2 可以看出，右側下方是航空發動機一個葉片的三維模型，與其接觸的是接觸桿和接觸輪共同帶動的砂帶，砂帶也是完成磨削加工的主要工具。砂帶與葉片接觸的局部放大情況如左上虛線框所示，可以看出砂帶包括橡膠層、砂帶基底材料、粘結劑和磨粒等構成元素。

運用砂帶執行磨削加工的效果包括2 個方面。第一是達到切除余量、塑造葉片形狀的效果。第二是一邊加工一邊降低葉片表面粗糙度并提升葉片表面質量。磨削加工中，葉片余量被去除的模型如公式（1）所示。

式中：r代表航空發動機葉片被切除的余量；C代表磨削加工過程中的修正系數；K代表葉片對磨削加工形成的阻力系數；Kt代表磨削加工過程中磨具的損失比例；Vb代表磨削加工過程中的砂帶速度；Vw代表葉片的進給速度；F代表磨削加工過程中的法向壓力。

從上述磨削加工過程的仿真分析可以看出，航空發動機的葉片雖然光滑，但形狀并不規則。如果采用的加工方法過于剛性，容易使葉片在加工過程中發生損壞或無法滿足形狀精度的加工要求。因此，需要選擇一種柔性更好的加工方法，以去除加工過程中葉片與刀具之間的純剛性接觸。磨削加工符合該要求。其關鍵原因在于磨削加工過程中，磨削刀具與葉片之間的接觸為彈性。一定程度上，彈性形變的存留及彈性形變的可恢復性確保了加工過程中的接觸柔性化。為了進一步明確這種彈性特征，需要對葉片加工過程中的受力情況做進一步分析。

2 航空發動機葉片磨削加工的力學分析

從砂帶的組成可以看出，基底材料上通過粘結劑粘合的每個磨粒都具有類似微刃的作用，可以完成余量切削。但是，這些磨粒本身具有較高的剛度，再加上基底材料、橡膠層的彈性，會使砂帶在加工過程中出現明顯的彈性加工特性，而這種彈性會導致磨削加工過程中的不確定性。

為此，本文改進了實際磨削加工過程，通過配置一個彈簧來平衡加工過程中由彈性引起的不確定性。本文所選彈簧的彈性系數較低，因此對加工過程中受力的變化反應靈敏。當磨削加工過程中出現彈性不確定時，附加的彈簧會削弱、抑制以至抵消這種不確定性。本文對磨削加工過程的改進處理如圖3所示。

圖3 本文對磨削加工過程的改進處理

在圖3 中，帶有雙向箭頭的線條代表了砂帶，支撐砂帶的輪系內共有3 個輪，其中上方2 個輪為過渡輪，底部的輪為接觸輪。接觸輪上附著的砂帶和被加工的航空發動機葉片表面接觸，最上方是本文配置的用于抵消彈性加工不確定性的彈簧。

完整砂帶鏈條上的2 個參數T1和T2代表砂帶表現出的張緊力，P代表磨削加工過程中被加工葉片對砂帶中嵌入的磨粒形成的反作用力。該反作用力可以抵消砂帶表現出來的張緊力。據此，可以得到垂直方向上的受力分析關系，如公式（2）所示。

式中：F1代表磨削加工過程中砂帶和接觸輪之間彈性力；F2代表附加配置彈簧產生的拉力；FN代表了航空發動機葉片對接觸輪產生的磨削壓力；G代表接觸輪自身質量產生的重力。

在自動化磨削加工過程中，砂帶、接觸輪都會發生由彈性原理產生的變形，但是二者之間存在顯著不同。砂帶本身的厚度小于2mm，因此其在磨削加工過程中表現出的彈性變形也較小。接觸輪的直徑大于砂帶厚度，因此其在磨削加工過程中的彈性變形較大。2 種變形相比，砂帶變形基本可以忽略不計。在實際加工中可發現，航空發動機葉片的磨削加工壓力小于50N，由此引起的接觸輪的變形不會超過20%，如果不存在極特殊情況，變形過程中的應力和應變的關系是線性的，如公式（3）所示。

式中：F1代表磨削加工過程中接觸輪受到的外力；E代表接觸輪的彈性模量；S代表磨削加工過程中接觸輪和航空發動機葉片之間形成的接觸面的面積；L代表砂帶中橡膠層的厚度；x1代表磨削加工過程中接觸輪產生的形變。

進一步分析磨削加工過程中額外配置彈簧的受力和變形關系，仍然是受力總體情況較小，變形和受力之間的關系也符合線性關系，如公式（4）所示。

式中：F2代表磨削加工過程中彈簧受到的外力；k2代表配置彈簧的彈性系數；x2代表磨削加工過程中伸縮量。

3 航空發動機葉片磨削加工的測試試驗

構建航空發動機葉片的磨削加工模型并進行受力分析后，需要進一步測試實際加工過程中的各種對應關系的變化。

第一組試驗，觀察磨削壓力和額外配置的彈簧變形量之間的關系。磨削壓力自動控制為從5N 開始，每次增加5N，一直增加至25N。測量彈簧變形量時，以其垂直方向上2 個節點之間彈簧簧絲的伸縮量為依據。據此繪制出航空發動機葉片磨削加工中磨削壓力-彈簧拉伸量的關系曲線，如圖4所示。

圖4 磨削加工中磨削壓力-彈簧拉伸量的關系曲線

圖4 中，當磨削壓力為5N 時，彈簧拉伸量為16.53mm；當磨削壓力為10N 時，彈簧拉伸量為32.24mm；當磨削壓力為15N 時，彈簧拉伸量為48.87mm；當磨削壓力為20N時，彈簧拉伸量為67.57mm；當磨削壓力為25N 時，彈簧拉伸量為85.21mm。從這組參數關系可以看出，在磨削過程中，磨削壓力和彈簧拉伸量之間基本符合線性關系變化，和上述理論分析也是吻合的。

第二組試驗，觀察磨削過程中磨頭垂直方向上位移量和磨削壓力之間的關系。磨削壓力細分為2 種，即靜態磨削壓力和動態磨削壓力。磨頭垂直方向上位移量從10mm開始，以5mm 為單位增加，一直增加制動50mm。據此繪制出航空發動機葉片磨削加工中磨頭垂直方向上位移量-磨削壓力的關系曲線，如圖5所示。

圖5 磨頭垂直方向上位移量-磨削壓力的關系曲線

從圖5 中2 組曲線變化情況可以看出，無論是靜態磨削壓力還是動態磨削壓力，其變化與磨頭垂直方向上位移量的變化基本均滿足線性關系，并且靜態磨削壓力的曲線始終位于動態磨削壓力的曲線上方。

磨頭垂直方向位移量和靜態磨削壓力之間基本滿足線性關系，能更明顯地體現出磨削加工過程中的彈性特征，從而確保磨削刀具和被加工葉片之間的柔性接觸，使葉片形狀得到了有效保護。磨頭垂直方向位移量和靜態磨削壓力之間近似滿足線性關系，這也在相當程度上滿足了葉片加工過程中的柔性處理，從而形成了使葉片得到了有效保護。

4 結論

因為航空發動機葉片的形狀和材料具有特殊性，所以常規加工方法難以達到預期效果。本文以自動化磨削加工為手段，構建了磨削加工過程的三維展示模型，展示了磨削加工過程的接觸情況和磨削工具砂帶的構成。采用額外配置彈簧的方法來抵消磨削加工過程中的彈性特性，并從接觸輪和彈簧2 個組件出發進行了受力分析。最后對航空發動機葉片加工過程進行了測試。試驗結果表明：磨削壓力-彈簧拉伸量的關系曲線和磨頭垂直方向上位移量-磨削壓力的關系曲線均呈明顯的線性關系，并且靜態磨削壓力的曲線始終位于動態磨削壓力的曲線上方。