袁 明

(中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

一個國家所具備的航空能力是顯示科技發(fā)展水平的主要指標之一。對于飛機來說，動力系統(tǒng)是飛行的基礎與前提，發(fā)動機作為飛機的動力系統(tǒng)，受到了國家的重視。航空發(fā)動機由多個部件構成，最關鍵的部件為葉片，其數(shù)量占比達到了40%以上。常規(guī)情況下，航空發(fā)動機應用葉片對氣體進行壓縮和膨脹，以最大效率產(chǎn)生動力，幫助飛機完成相應的任務。航空發(fā)動機正常作業(yè)時，葉片運動形式為高速旋轉，承擔的載荷較大，這對葉片質量和性能等提出了極高的要求，如耐高溫性能和耐磨損性能等[1]。以渦噴風扇發(fā)動機為例，其運行總壓比約為40，此時，葉片轉速能夠達到12 500 r/min，燃燒室溫度能夠達到1 720 K，再加之工作環(huán)境較為惡劣，致使葉片失效概率急劇攀升。在航空飛機事故中，葉片失效造成飛機事故概率占比達到了80%以上，而葉片失效主要原因為加工質量存在缺陷，如加工工具精度差和表面粗糙度差等，由此可見，如何提升葉片加工質量是保障航空發(fā)動機穩(wěn)定運行的關鍵。

隨著航空發(fā)動機的不斷升級與發(fā)展，葉片的形狀也逐漸變得復雜，這對葉片加工技術造成了較大的挑戰(zhàn)。而磨削加工技術是葉片制造過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，其不但可以去除葉片表面刀痕，還可以提升葉片表面質量，以此達到精加工效果[2]。但是已有航空發(fā)動機葉片數(shù)控智能磨削加工技術無法滿足葉片質量與精度的需求，因此提出新的航空發(fā)動機葉片數(shù)控智能磨削加工技術，制造更加精密的葉片，保障航空發(fā)動機的正常運行，降低飛機故障發(fā)生率。

1 航空發(fā)動機葉片數(shù)控智能磨削加工技術

1.1 葉片數(shù)控智能磨削加工軌跡規(guī)劃

對于葉片數(shù)控智能磨削加工來說，合理的軌跡規(guī)劃至關重要，不但可以提升數(shù)控計算效率，也能滿足葉片磨削加工精度需求。選取參數(shù)線法規(guī)劃葉片磨削加工軌跡[3]，其具備操作簡單和運算效率快等優(yōu)勢。在加工過程中，數(shù)控車床刀具主要沿著葉片曲面的u線或者v線走刀。在葉片磨削數(shù)控智能加工軌跡規(guī)劃過程中，最關鍵的環(huán)節(jié)為走刀步長與加工帶寬計算。

其中，走刀步長計算公式為

(1)

L為葉片磨削加工走刀步長；ε為給定的加工誤差極限；kf為葉片磨削中插補段沿著走刀軌跡f的法曲率。

加工帶寬計算公式為

(2)

d為葉片數(shù)控磨削加工帶寬；R為數(shù)控砂帶輪的半徑；εh為允許最大殘留高度；kb為葉片表面沿軌跡方向b的法曲率。

以計算得到的走刀步長及加工帶寬為基礎，根據(jù)參數(shù)線法生成葉片磨削加工軌跡[4]，為葉片數(shù)控加工提供支撐。

1.2 葉片磨削加工余量計算

航空發(fā)動機葉片剛性較差、壁較薄和易變形等特點，在制作加工后仍然存在超差區(qū)域，加工余量分布也不均勻，對葉片后續(xù)磨削加工造成了一定的阻礙。因此，為了提升葉片加工精度，需要對葉片磨削加工余量進行提取與計算[5]。

葉片磨削加工余量提取與計算流程如圖1所示。

圖1 葉片磨削加工余量提取與計算流程

如圖1所示，利用三坐標檢測方法對葉片表面數(shù)據(jù)點進行采集，呈現(xiàn)1張曲面網(wǎng)格形式，數(shù)據(jù)點數(shù)量為(m+1)×(n+1)，其中，m+1為截面數(shù)量；n+1為截面上的數(shù)據(jù)點[6]。設置截面線方向與葉身長度方向為u與v，對應次數(shù)分別為k與l，以上述數(shù)據(jù)為基礎，重構葉片模型，表達式為

(3)

p(u,v)為重構后的葉片模型；di,j為數(shù)據(jù)點i與j之間的距離；Bi,k(u)與Bj,l(v)分別為在u與v方向重構的B樣條曲面。

依據(jù)規(guī)劃好的刀路軌跡計算刀觸點p(r,n)，其中，r為刀觸點的徑向矢量，n為刀觸點的法向矢量。為了方便研究的進行，以葉片理論模型作為參照，其截面線與葉身長度方向表示為X與Y。經(jīng)過基準重合后，獲得經(jīng)過刀觸點，方向為法向矢量方向的直線，表示為

L=r1+δ×n

(4)

L為直線矢量方程；r1為檢測坐標系下的徑向矢量；δ為輔助系數(shù)，與直線長短緊密相關。

將式(3)與式(4)聯(lián)立即可獲得交點p′，通過計算刀觸點與交點之間的距離(不為0)，從而確定葉片的磨削加工余量，表達式為

(5)

通過上述過程完成了葉片磨削加工余量的提取與計算[7]，為后續(xù)葉片數(shù)控智能磨削算法的推出提供精準的數(shù)據(jù)支撐。

1.3 葉片數(shù)控智能磨削算法

上述過程獲得的葉片磨削加工軌跡與磨削加工余量只是葉片制作加工的第1步，但是這些數(shù)據(jù)無法直接應用于數(shù)控機床，需要對其進行適當?shù)奶幚韀8]。為了實現(xiàn)葉片的數(shù)控智能加工，必須對數(shù)控機床加工過程中的運動姿態(tài)進行全面控制，推出對應的葉片數(shù)控智能磨削算法。

葉片數(shù)控智能磨削算法包含3個控制模型，分別為數(shù)控機床轉軸、直線軸與壓力軸運動控制模型。以葉片理論模型為基礎，構建工件坐標系，記為OPXPYPZP，使其與數(shù)控機床坐標系保持同樣的姿態(tài)。為了保障葉片刀觸點矢量與磨頭刀架矢量保持方向相同，需要將卡盤繞X軸旋轉A角，繞Y軸旋轉B角，并精確計算旋轉角，即可完成轉軸運行控制[9]。旋轉角計算公式為：

(6)

(7)

N0=[nx0,ny0,ns0,0]T為在工件坐標系下，刀觸點法向矢量；N1=[nx1,ny1,ns1,0]T為葉片旋轉A角后刀觸點的法向矢量。

數(shù)控機床直線軸控制主要是對旋轉變換后刀觸點的坐標數(shù)值進行計算，其決定著刀具是否能夠按規(guī)劃軌跡進行運作，不但影響著葉片磨削加工精度，也會影響磨削的效率[10]。

假設旋轉后工件坐標系中刀觸點為R2=[x2,y2,z2,1]T，依據(jù)數(shù)控機床坐標與工件坐標系的關系，通過坐標轉換計算刀觸點在數(shù)控機床中的坐標，計算公式為

(8)

航空發(fā)動機葉片磨削加工實質上是一種柔性拋磨過程，為了保障材料具有一定的去除率，必須對葉片施加一定的法向接觸壓力w，這也是壓力軸的運行控制重點[11]。隨著磨削加工余量的變化，相應地施加載荷也存在著較大的不同。為了滿足葉片加工精度的需求，應該根據(jù)刀觸點磨削加工余量確定磨削參數(shù)，以此為基礎，調節(jié)數(shù)控機床壓力軸的接觸壓力[12]。

在葉片磨削加工過程中，材料去除率為

rk=Cg·(Vb)x1·(Vw)x2·(F)x3

(9)

rk為材料去除率；Cg為磨削過程中，修正常數(shù)、阻力系數(shù)與耐用度系數(shù)的乘積；Vb為砂帶線速度；Vw為葉片進給速度；F為刀觸點p的法向壓力；x1、x2和x3為輔助計算參數(shù)。

以式(9)計算結果為基礎，確定磨削壓力計算公式，即

(10)

x0為輔助計算參數(shù)，取值范圍為0～1。

上述過程完成了數(shù)控機床運行姿態(tài)的全面控制，為葉片磨削加工提供良好的控制性能[13]。

1.4 葉片加工反變形誤差補償

由于環(huán)境、器械等多種因素的影響，葉片磨削加工存在著些許誤差，導致葉片發(fā)生一定的彎曲變形，如葉片向上或者向下偏移、葉根偏移量較大等[14]。上述情況均會影響葉片的加工質量，故需要對其進行反變形誤差補償，常規(guī)情況下，葉片在加工去除余量后，葉冠會發(fā)生δ變形，此時為了補償δ變形[15]，刀位點應該向相反方向進行偏移補償，還需要滿足葉片表面光滑性，因此需要滿足下述條件，即

a-x≥δ

(11)

a為單步加工量；x為刀位點偏移補償量；a-x為實際磨削深度。

特別地，對葉片進行進一步精加工時，為了確保實際磨削不會超過理論數(shù)值[16]，還需要滿足下述條件，即

a-x≤d

(12)

d為當前時刻葉片余量。

通過上述過程完成了航空葉片數(shù)控智能磨削加工，有效地提升了葉片制作加工的精度。

2 實驗與結果分析

2.1 實驗準備階段

為了驗證本文技術的應用性能，選取七軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床作為實驗設備，并配備海克斯康三坐標測量機、TR200粗糙度儀等裝置。實驗關鍵設備——七軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床主要技術指標如表1所示。

表1 七軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床主要技術指標

依據(jù)上述實驗設備技術指標，結合實驗需求，對設備參數(shù)進行科學、合理的設置，并進行測試，在測試合格后，應用該設備進行航空發(fā)動機葉片數(shù)控智能磨削加工實驗。

2.2 實驗方案制定

為了避免航空發(fā)動機葉片磨削加工過程出現(xiàn)干擾因素，對葉片進行適當?shù)膮^(qū)域劃分，具體劃分結果如圖2所示。

圖2 葉片區(qū)域劃分

依據(jù)葉片材料的特性，需要對其進行多次的測試磨削，確定最佳葉片磨削線速度。由于葉面每個磨削區(qū)域的紋理以及余量存在著較大的不同，也需要進行相應的工件進給速度設置。

2.3 實驗結果分析

以上述選取的實驗設備、劃分的實驗區(qū)域為基礎，利用P180紅色尼龍砂帶進行粗磨削加工，利用P240藍色尼龍砂帶進行細磨削加工，在加工后對其誤差進行一定的補償，獲得航空發(fā)動機葉片。采用三坐標測量機對其加工精度進行檢測，以此顯示本文技術的應用性能。

通過實驗獲得葉片型面磨削加工前后示例，如圖3所示。

圖3 葉片型面磨削加工前后示例

由圖3可知，在磨削加工后，葉片型面粗糙度得到了極大的改善，測量粗糙度數(shù)值為0.4 μm，滿足葉片磨削加工需求。

葉片邊緣磨削加工情況，需要通過OGP邊緣投影儀來檢測。以獲得的投影圖像為基礎，計算葉片邊緣磨削加工誤差，如圖4所示。

圖4 葉片邊緣磨削加工誤差

由圖4可知，葉片1與葉片2磨削加工誤差結果較為相近，在標準誤差限值范圍內(nèi)。

葉片根部磨削加工過程較為復雜，對磨削線速度的要求較高。根據(jù)已有文獻研究可知，最佳葉片根部磨削線速度為20 m/min。為了驗證本文技術的應用效果，對葉片根部進行隨機點位采樣，對其粗糙度進行測量及比較，具體結果如圖5所示。

圖5 葉片根部粗糙度

由圖5可知，經(jīng)過磨削加工后，葉片根部粗糙度得到大幅度降低，并且低于粗糙度的最大限值。

上述實驗數(shù)據(jù)表明，應用本文技術后，葉片型面、邊緣與根部均滿足加工精度需求，充分驗證了本文技術應用效果較佳。

3 結束語

為了滿足現(xiàn)今葉片質量與精度的需求，開展了航空發(fā)動機葉片數(shù)控智能磨削加工技術研究，并通過實驗驗證了本文技術的可行性與有效性，為葉片制作加工提供技術支撐，也為航空領域發(fā)展提供助力。