中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （遼寧 110043） 劉隨建 江 劍 梁巧云 賈 爽 繆廣斌

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片因其工作時(shí)的高溫高壓環(huán)境及交變載荷的工作性質(zhì)，使其材料越來(lái)越呈現(xiàn)難加工的特點(diǎn)，尤其是渦輪葉片在基本采用鑄造高溫合金材料的背景下，其成形加工基本形成了以磨削加工為主的加工形式。對(duì)于壓氣機(jī)一類葉片，盡管工藝的主體形式是切削加工，但對(duì)于關(guān)鍵的安裝配合部位和型面部位，因其表面完整性要求較高，磨削加工也成為必不可少的加工手段。

但是由于葉片材料性質(zhì)及結(jié)構(gòu)上一些因素的影響，使得傳統(tǒng)的磨削加工經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)材料性質(zhì)發(fā)生變化、磨料磨具性能不適應(yīng)加工的情況，最終造成葉片加工在質(zhì)量與效率方面受到影響，制約了發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展。而CBN磨削技術(shù)的出現(xiàn)，在一定程度上改變了葉片加工的現(xiàn)狀，從質(zhì)量與效率方面極大地推動(dòng)了葉片加工技術(shù)的發(fā)展。

CBN磨削的技術(shù)特點(diǎn)

C B N磨削技術(shù)的本質(zhì)是以CBN（立方氮化硼）磨料為基礎(chǔ)的磨具呈現(xiàn)，CBN磨料具有以下特點(diǎn)：①硬度遠(yuǎn)高于其他普通磨料，顯微硬度是剛玉磨料的3～5倍，高的硬度意味著切削能力更強(qiáng)、更鋒利。②有高的耐磨性，耐磨性能是剛玉磨料的100倍，意味著它比普通磨料更難磨損。保持磨粒形狀的能力是CBN磨料作為高性能磨料的主要特性之一。③抗壓強(qiáng)度很高，是剛玉磨料的3.5倍，意味著它在惡劣條件下使用時(shí)能保持顆粒完整而不破碎。④有高的導(dǎo)熱系數(shù)和低的摩擦系數(shù)，并且導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度上升而升高，摩擦系數(shù)隨著溫度上升而下降，意味著能夠?qū)崿F(xiàn)高速冷態(tài)磨削。⑤具有高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，并具有非親鐵性，意味著能夠很好地應(yīng)用于各種金屬加工。

CB N磨具是采用結(jié)合劑將CBN磨料固結(jié)在金屬輪上，CBN磨具結(jié)合劑主要有金屬結(jié)合劑、樹(shù)脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑和電鍍金屬結(jié)合劑四大類。

CB N磨削技術(shù)最有效的用途有：①含鎢、鎢鉬和其他高速鋼（特別是釩合金鋼、鈷合金鋼等特種高速鋼）刀具的刃磨和粗磨。②由耐熱鋼、不銹鋼和高硬度（＞55HRC）、高韌性的合金結(jié)構(gòu)鋼制成的精密零件的精磨和終磨，這些零件用普通磨具磨削時(shí)會(huì)因磨具磨損消耗或磨鈍過(guò)快，而不能獲得很高的精度。③CBN磨具磨削鈦合金時(shí)磨削力小、磨削溫度低、磨具磨損小且磨削比很高，而且磨削表層基本上呈壓應(yīng)力狀態(tài)，是磨削鈦合金的理想磨具。④大型精密工件（機(jī)床導(dǎo)軌）的精磨和終磨，這些工件往往由于磨削溫度高而引起較大的熱變形，從而不能獲得高精度。⑤自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床上大批量生產(chǎn)的工件（如儀表和微型軸承的零件）的精磨和終磨。⑥用于加工要求磨具具有良好的棱角保持性的復(fù)雜型面工件（如插齒刀、高精度齒輪、靠模及葉片）。⑦難加工耐熱鋼工件的超精加工。⑧其他鋼淬火工具的精磨。⑨對(duì)局部熱應(yīng)力和熱沖擊敏感的各種零件的磨削。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片基本使用鈦合金、高溫合金等導(dǎo)熱性差、強(qiáng)度高及韌性好的材料，具有曲面性能的薄壁結(jié)構(gòu)，加工表面完整性要求高，幾何精度要求嚴(yán)格，加工批量大，適應(yīng)于使用CBN磨削技術(shù)。

圖1 某導(dǎo)向葉片的深窄槽結(jié)構(gòu)

圖 2

CBN磨削技術(shù)在葉片加工的應(yīng)用效果

（1）CBN磨削技術(shù)對(duì)渦輪葉片深窄槽的加工應(yīng)用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片因裝配及封嚴(yán)等方面的工作需要，在轉(zhuǎn)子葉片榫頭和靜子葉片緣板上經(jīng)常具有深窄槽結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。對(duì)渦輪葉片該種深窄槽部位的加工工藝進(jìn)行分析，由于渦輪葉片材料本質(zhì)是鑄造高溫合金，其切削加工抗力大，如果使用刀具加工易發(fā)生刀具斷裂和表面質(zhì)量差的現(xiàn)象；若采用普通性質(zhì)的磨具進(jìn)行磨削加工，則砂輪凸起部分會(huì)由于強(qiáng)度問(wèn)題而產(chǎn)生碎裂現(xiàn)象。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式已經(jīng)難以適應(yīng)該結(jié)構(gòu)的加工。

一段時(shí)期以來(lái)，該部位的加工采用電火花成形機(jī)方式進(jìn)行加工。該種加工方式的缺點(diǎn)是加工精度與效率都比較低，并且由于電極在加工時(shí)在槽兩端尖邊處放電形式較特殊，使得電極在該兩處有過(guò)快的損耗，導(dǎo)致葉片槽的進(jìn)出口部位形狀經(jīng)常發(fā)生較大的變化。若加工時(shí)觀察不夠，或者對(duì)電極修復(fù)不及時(shí)，容易產(chǎn)生加工質(zhì)量問(wèn)題。

因此，可應(yīng)用CBN磨削技術(shù)解決傳統(tǒng)機(jī)械加工中所存在的不足，CBN磨具的金屬骨架使其強(qiáng)度與剛性比較可靠，而CBN磨料所具有的耐磨性、導(dǎo)熱性及摩擦系數(shù)低等特點(diǎn)，使得其加工獲得了良好的精度與表面質(zhì)量保證能力，加工效率對(duì)比于電火花成形機(jī)加工方式提高了十幾倍。從鎳基與鈷基高溫合金葉片槽的加工情況看，在采用較高的磨削速度與進(jìn)給速度情況下，每次磨削深度可以達(dá)到3mm和1mm，每片砂輪加工數(shù)量可以達(dá)到600余片葉片，大大降低了加工工藝難度，并獲得良好的加工效率。

（2）CBN磨削技術(shù)對(duì)裂紋敏感材料渦輪葉片加工中的應(yīng)用。在進(jìn)行鈷基K40M高溫合金葉片的加工中，使用普通的剛玉砂輪進(jìn)行緣板各表面磨削加工時(shí)，因?yàn)樯拜喰阅軈?shù)、磨削參數(shù)、砂輪修整及冷卻環(huán)境等因素選擇不適當(dāng)?shù)挠绊懀霈F(xiàn)了大量葉片產(chǎn)生磨削裂紋的現(xiàn)象，裂紋普遍呈現(xiàn)沿碳化物強(qiáng)化相開(kāi)裂的形貌（見(jiàn)圖2）。在一定時(shí)期，通過(guò)采取以降低磨削區(qū)溫度為目標(biāo)，對(duì)磨削加工各個(gè)因素進(jìn)行控制的研究，葉片磨削裂紋現(xiàn)象得到了控制，但是加工效率方面作出了較大的犧牲，并且對(duì)于磨削面積較大區(qū)域的加工也沒(méi)有徹底地杜絕裂紋。

為了使葉片加工效率與磨削質(zhì)量獲得可靠保證，依據(jù)對(duì)CBN磨削技術(shù)特點(diǎn)的分析，進(jìn)行了相關(guān)的磨削試驗(yàn)。在磨削速度、進(jìn)給速度及磨削深度均比剛玉砂輪多1倍的加工條件下，通過(guò)對(duì)百余片葉片的加工結(jié)果分析表明，磨削表面完全沒(méi)有裂紋現(xiàn)象，從磨削參數(shù)改變和砂輪不需修整的結(jié)果來(lái)看，磨削效率提高了近5倍。目前，對(duì)于葉片緣板磨削面積較大區(qū)域的加工已經(jīng)采取了CBN磨削方式，實(shí)現(xiàn)了葉片加工的良性生產(chǎn)。

（3）渦輪導(dǎo)向器葉片圓弧緣板與端面組合磨削的試驗(yàn)效果。渦輪導(dǎo)向器葉片在緣板結(jié)構(gòu)上，主要是以圓弧表面為主的止口形式，經(jīng)常需要進(jìn)行端面與圓弧表面的組合磨削。目前，國(guó)內(nèi)外企業(yè)對(duì)于該種加工已經(jīng)趨向于使用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨削機(jī)床為基礎(chǔ)的工藝方法。而使用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨削設(shè)備進(jìn)行加工，從成本上考慮，大多采用了普通磨料砂輪，在加工時(shí)為了使砂輪加工精度與磨削鋒利性得到保持，每次加工需要使用金剛石滾輪對(duì)砂輪進(jìn)行修型后，再使用砂輪對(duì)葉片進(jìn)行加工。

為了保證砂輪具有更好的利用率和形狀精度，葉片圓弧表面與端面的加工，基本采用砂輪外圓表面同時(shí)對(duì)圓弧表面與端面進(jìn)行加工（見(jiàn)圖3），葉片裝夾通常采用與砂輪主軸傾斜一定角度形式的加工，而機(jī)床必須具有四軸聯(lián)動(dòng)的功能。但是由于該種加工方式所使用的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨削設(shè)備較為昂貴，很多企業(yè)存在設(shè)備配置不足或加工能力不夠的現(xiàn)象，為了實(shí)現(xiàn)葉片的配套生產(chǎn)，一些企業(yè)不得不采用車削方式來(lái)進(jìn)行導(dǎo)向器葉片圓弧緣板與端面的加工。由于渦輪葉片材料性質(zhì)所決定的難切削特點(diǎn)，車削時(shí)為了保證刀具獲得加工所需的壽命，加工參數(shù)達(dá)到了非常低的程度，車削轉(zhuǎn)速基本為8～9 r/min，走刀速度1mm/min，切削深度在0.1～0.3mm，效率水平非常低，經(jīng)常影響葉片整體的加工進(jìn)度。

為了改變多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨削機(jī)床缺乏、車削加工效率低下的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)CBN磨具所具有的磨削強(qiáng)度與剛性好、磨料耐磨性好、可進(jìn)行大切深加工等性質(zhì)的了解，其實(shí)質(zhì)可以看作為具有磨削加工性質(zhì)的刀具。因此，可以利用平面緩進(jìn)磨的三坐標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)葉片緣板圓弧與端面的加工（見(jiàn)圖4）。經(jīng)過(guò)實(shí)際加工試驗(yàn)獲得的加工效果是加工效率提高了2～3倍。

圖3 普通剛玉砂輪加工示意圖

圖4 CBN砂輪加工示意圖

CBN磨削技術(shù)的發(fā)展及在葉片加工中的應(yīng)用展望

從航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用CBN磨削技術(shù)所進(jìn)行的加工實(shí)踐可以看出，CBN磨削技術(shù)對(duì)于新材料與新結(jié)構(gòu)葉片加工技術(shù)的發(fā)展具有非常積極的意義，但是就CBN磨削技術(shù)的應(yīng)用而言，CBN磨具成本仍然是一個(gè)不利的方面，磨削精度能力的提高、磨削功能形式的廣泛性，也是需要迫切解決的問(wèn)題。但就目前CBN磨削技術(shù)發(fā)展情況看，其應(yīng)用所存在的不足已經(jīng)越來(lái)越多的得到解決。下面針對(duì)CBN磨削技術(shù)發(fā)展對(duì)葉片加工所具有的意義進(jìn)行分析。

（1）CBN磨具耐用度提高的技術(shù)發(fā)展。首先是特殊結(jié)構(gòu)砂輪形式的提高，有代表性的技術(shù)是南京航空航天大學(xué)所發(fā)明的熱管效應(yīng)砂輪形式，其通過(guò)在CBN磨具金屬骨架內(nèi)部空腔制造形式，使砂輪在磨削時(shí)利用熱交換方式，讓磨削熱得到更好擴(kuò)散，從而更好地提升磨削效率與砂輪壽命。其次，在磨削時(shí)采用合適的磨削液可避免磨料不必要的化學(xué)性質(zhì)磨損，國(guó)內(nèi)一些研究部門的研究結(jié)果表明，使用合適的油基磨削液較使用水基乳化液可以使砂輪壽命提高50%。最后，CBN磨削專用磨床的制造，通過(guò)機(jī)床剛性的提高，使磨削實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的高速磨削，防止振動(dòng)影響的砂輪磨損，實(shí)現(xiàn)高速加工。

（2）多層磨料CBN砂輪技術(shù)發(fā)展。目前開(kāi)展的CBN磨削技術(shù)主要使用的是單層磨料CBN砂輪，其不具有在線修整功能，在使用壽命和加工精度方面還有一定的改進(jìn)空間。國(guó)外先進(jìn)企業(yè)目前所采用的多層磨料CBN砂輪，可以實(shí)現(xiàn)在線修整功能，可以根據(jù)加工需求提高砂輪的精度與使用壽命。

（3）C B N涂覆磨具的發(fā)展。CBN涂覆磨具的出現(xiàn)，使曲面性質(zhì)的加工具有了更好的改善手段，使葉片生產(chǎn)的加工手段更為豐富。

（4）葉片材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化與CBN技術(shù)發(fā)展的契合關(guān)系：①葉片材料發(fā)展對(duì)技術(shù)的需求。渦輪或壓氣機(jī)葉片目前材料趨向于使用定向結(jié)晶、單晶組織高溫合金材料以及金屬間化合物材料。這兩種材料分別具有應(yīng)力加工條件下的再結(jié)晶和裂紋的現(xiàn)象產(chǎn)生，CBN磨削技術(shù)的冷態(tài)磨削與磨削鋒利性，使低應(yīng)力加工更易實(shí)現(xiàn)。②鈦合金葉片結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)對(duì)技術(shù)的需求。鈦合金材料在壓氣機(jī)葉片制造中獲得廣泛應(yīng)用，其轉(zhuǎn)子葉片的圓弧燕尾榫齒結(jié)構(gòu)具有非常嚴(yán)格的輪廓精度與表面質(zhì)量要求，傳統(tǒng)加工中，采用切削加工可以避免燒傷現(xiàn)象產(chǎn)生，但加工精度與表面粗糙度質(zhì)量保證能力差；采用普通磨料的磨削加工，精度與表面粗糙度質(zhì)量保證能力好，但具有燒傷隱患。具有表面修整功能的CBN砂輪，可以在精度與表面粗糙度質(zhì)量及材料性質(zhì)方面獲得良好效果。③葉片型面結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)需求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片型面目前普遍采用熱障涂層形式，硬度較高的熱障涂層表面粗糙度改善與涂層去除工藝，對(duì)CBN涂覆磨具加工性質(zhì)而言是非常適合的，目前國(guó)外企業(yè)已經(jīng)普遍開(kāi)始使用相關(guān)工藝；鈦合金葉片型面以及一些特定部位的打磨操作，由于普通磨料打磨工具所具有的燒傷隱患，各個(gè)企業(yè)基本是設(shè)定限制條件使用，而CBN涂覆磨具用于鈦合金葉片的打磨加工，將使工藝操作更加便利，材料性能損害將得到根本性根除。

結(jié)語(yǔ)

CBN磨削技術(shù)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工技術(shù)的未來(lái)發(fā)展將具有非常積極的意義，需要國(guó)內(nèi)企業(yè)給予足夠的重視，并通過(guò)不斷地研究認(rèn)識(shí)，使其獲得更加廣泛的應(yīng)用。

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