由于航空發動機葉片具有結構弱剛性、材料難加工、型面復雜等特性，加工后表面存在燒傷、殘余應力分布不均勻等表面缺陷，將嚴重影響葉片幾何精度、表面質量及其服役性能。因此，分析研究航空發動機葉片磨削方法及其關(guan)鍵(jian)技術對(dui)于指導(dao)航(hang)空(kong)發動機葉片抗疲(pi)勞加工以及提升航(hang)空(kong)發動機服役壽命(ming)具有重要意義。

       砂帶磨削以及磨粒流拋光因(yin)兼具(ju)(ju)磨(mo)削和(he)拋(pao)光的雙重作用，工(gong)藝(yi)靈活性高、適應性強，且其(qi)柔性拋(pao)光的特性在曲面(mian)(mian)平滑過(guo)渡方面(mian)(mian)具(ju)(ju)有(you)獨特的擬合效(xiao)果，在整體葉盤、葉輪、葉片等零件的精密拋(pao)光中得到應用，成為提高航空發動機葉片表面(mian)(mian)完整性和(he)疲(pi)勞壽命的有(you)效(xiao)加工(gong)手(shou)段。

       1、航空發動機葉片磨粒流加工【1】

       磨粒流加工技術是一種適用于復雜曲面零件表面拋光的非傳統磨削方法，半固體磨料介(jie)質在模具模芯(xin)的(de)約束和(he)擠(ji)推壓力的(de)驅動下通過零件待拋(pao)表(biao)面(mian)，具有切削刃的(de)磨粒與工件表(biao)面(mian)粗糙峰谷(gu)相互(hu)擠(ji)壓滑(hua)擦，實現(xian)零件表(biao)面(mian)的(de)去毛刺、除(chu)飛邊、倒(dao)圓以及拋(pao)光，進而達(da)到表(biao)面(mian)材(cai)料去除(chu)以及提(ti)高(gao)表(biao)面(mian)完整(zheng)性(xing)的(de)目的(de)，如圖(tu)2所示(shi)。

       早在1993年(nian)，Boynton就采用磨粒流(liu)加工方(fang)法對(dui)航天(tian)飛(fei)機(ji)的(de)(de)高壓(ya)燃油渦輪泵轉(zhuan)子葉片(pian)進(jin)行(xing)拋光，使(shi)葉片(pian)表面粗(cu)糙度從10.16μm下降到0.76μm，透(tou)平的(de)(de)冷卻效率提高2.1%，入口溫度下降了32℃，對(dui)于(yu)整體的(de)(de)抗疲勞性(xing)(xing)能(neng)和服役性(xing)(xing)能(neng)具(ju)有顯著提升作用。

       經過數十年的(de)發展，磨(mo)粒流加工(gong)(gong)技術目前已經廣泛應用(yong)于(yu)航空發動機葉(xie)片制造領(ling)域。美國DYNATICS、GE等公司采用(yong)磨(mo)粒流加工(gong)(gong)技術實現了葉(xie)片的(de)精(jing)密(mi)磨(mo)削加工(gong)(gong)，將(jiang)表面(mian)粗糙(cao)度從2.0μm降低到(dao)0.8μm，極大提高了葉(xie)片加工(gong)(gong)質(zhi)量，減小(xiao)了由(you)表面(mian)粗糙(cao)度引起的(de)應力集中(zhong)，提升(sheng)了葉(xie)片的(de)疲勞強度。

       葉片的抗疲勞性(xing)能(neng)與表(biao)面(mian)粗糙(cao)度、殘余應(ying)力狀態(tai)、紋理(li)結構等表(biao)面(mian)完(wan)整性(xing)特征直接相關，為(wei)了獲得(de)良好的表(biao)面(mian)完(wan)整性(xing)，需要對(dui)工藝參數進優化研究。Sankar等對(dui)黏彈性(xing)磨料(liao)旋(xuan)轉磨粒流加(jia)工過程中工藝參數對(dui)表(biao)面(mian)完(wan)整性(xing)的影響規律進行了研究，通過實驗(yan)分(fen)析了磨粒含量、壓力、加(jia)工次(ci)數和工件轉速對(dui)磨削表(biao)面(mian)粗糙(cao)度的影響。

       磨粒流(liu)加(jia)(jia)(jia)(jia)工技(ji)術已(yi)被美國航(hang)空(kong)航(hang)天部(bu)門列為航(hang)空(kong)零部(bu)件精加(jia)(jia)(jia)(jia)工的重要工藝，被廣泛應用(yong)于航(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機整體(ti)葉盤、葉片等復雜曲面零件的光(guang)整加(jia)(jia)(jia)(jia)工。目前，磨粒流(liu)加(jia)(jia)(jia)(jia)工已(yi)經(jing)出現了諸多擴展應用(yong)，例(li)如(ru)振(zhen)動(dong)輔助磨粒流(liu)加(jia)(jia)(jia)(jia)工、流(liu)化床(chuang)加(jia)(jia)(jia)(jia)工、動(dong)壓磨粒流(liu)加(jia)(jia)(jia)(jia)工等。

       超(chao)聲振(zhen)動輔助磨(mo)(mo)粒(li)流(liu)加(jia)工(gong)方法(fa)是在傳統(tong)磨(mo)(mo)粒(li)流(liu)加(jia)工(gong)方法(fa)的基礎上引入(ru)超(chao)聲振(zhen)動增大磨(mo)(mo)粒(li)與工(gong)件之間的相互作用關系(xi)，以(yi)達到高質(zhi)、高效拋光(guang)(guang)的新型磨(mo)(mo)粒(li)流(liu)加(jia)工(gong)方法(fa)。Venkatesh等將振(zhen)動輔助磨(mo)(mo)粒(li)流(liu)加(jia)工(gong)方法(fa)應用到錐齒輪齒面(mian)光(guang)(guang)整加(jia)工(gong)獲得(de)了比傳統(tong)磨(mo)(mo)粒(li)流(liu)拋光(guang)(guang)更優的材料去除率和表面(mian)粗糙度。

       從國外(wai)企業(ye)公開的(de)技術文件中(zhong)(zhong)發現，雖然磨粒流(liu)在(zai)(zai)降低表面粗糙度引起的(de)應力集中(zhong)(zhong)方(fang)面效果明(ming)顯，然而磨粒流(liu)加工在(zai)(zai)生(sheng)產過程(cheng)中(zhong)(zhong)存在(zai)(zai)形(xing)狀精度難以控制的(de)特點，整(zheng)體葉(xie)(xie)(xie)盤、葉(xie)(xie)(xie)片的(de)葉(xie)(xie)(xie)盆(pen)和葉(xie)(xie)(xie)背拋(pao)(pao)光質量并不均勻，且在(zai)(zai)葉(xie)(xie)(xie)片邊緣等關鍵(jian)部位會出現嚴重過拋(pao)(pao)現象。尤其是對于(yu)葉(xie)(xie)(xie)片等復雜曲(qu)面構件，如整(zheng)體葉(xie)(xie)(xie)盤的(de)進、排氣邊，目前尚無文獻或(huo)其他(ta)資料給出具體的(de)解決方(fang)案(an)，因此多(duo)只(zhi)用于(yu)表面光整(zheng)加工。

       2、航空發動機葉片砂帶磨削加工

       由于(yu)航空制造企業缺乏(fa)相關的精密(mi)高(gao)效拋光(guang)方法與(yu)技術，目(mu)前(qian)部分航空發動(dong)機葉片的精密(mi)磨削加工(gong)仍然采用(yong)手工(gong)拋光(guang)的方法進行。然而(er)人工(gong)拋光(guang)不僅勞動(dong)強度大、效率低，而(er)且型面精度、表面完整(zheng)性、表面一致性等特(te)征難以保證。

       同時(shi)，受到工人技術等級和熟練程(cheng)度(du)的影響(xiang)，加工質量不(bu)穩(wen)定，嚴(yan)重影響(xiang)著航空發動機葉片的服役性能(neng)、安(an)全可靠(kao)性以及生(sheng)產周期等，因此目前(qian)該方法逐漸被機器磨拋(pao)加工所取代。

       針對(dui)數(shu)(shu)控(kong)磨(mo)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)，袁明(ming)提出航空發動機葉(xie)(xie)(xie)片(pian)數(shu)(shu)控(kong)智(zhi)能(neng)(neng)磨(mo)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)技(ji)術。應用參數(shu)(shu)線法(fa)(fa)規劃葉(xie)(xie)(xie)片(pian)磨(mo)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)軌(gui)跡(ji)，以此為(wei)基礎，提取(qu)磨(mo)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)余量，模(mo)擬與計算(suan)對(dui)應數(shu)(shu)值，適當處理獲取(qu)的葉(xie)(xie)(xie)片(pian)磨(mo)削(xue)加(jia)(jia)工(gong)軌(gui)跡(ji)與加(jia)(jia)工(gong)余量數(shu)(shu)據，推出葉(xie)(xie)(xie)片(pian)數(shu)(shu)控(kong)智(zhi)能(neng)(neng)磨(mo)削(xue)算(suan)法(fa)(fa)(數(shu)(shu)控(kong)車床(chuang)轉軸(zhou)、直(zhi)線軸(zhou)與壓力軸(zhou)運動控(kong)制模(mo)型(xing))，以此控(kong)制數(shu)(shu)控(kong)車床(chuang)運動姿態，并(bing)通過刀位點偏移補償(chang)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)的反變(bian)形誤差，實現(xian)了航發葉(xie)(xie)(xie)片(pian)的數(shu)(shu)控(kong)智(zhi)能(neng)(neng)磨(mo)削(xue)。

       2.1葉(xie)片(pian)數控智能磨削加工軌跡規劃【2】

       對于葉(xie)片(pian)(pian)數(shu)控(kong)智(zhi)能(neng)磨(mo)削加(jia)(jia)工來說(shuo)，合理的軌(gui)跡規劃至關重(zhong)要，不(bu)但可(ke)以(yi)提升數(shu)控(kong)計(ji)算(suan)效率(lv)，也能(neng)滿足葉(xie)片(pian)(pian)磨(mo)削加(jia)(jia)工精(jing)度(du)需求。選取參(can)數(shu)線法規劃葉(xie)片(pian)(pian)磨(mo)削加(jia)(jia)工軌(gui)跡,其具備操(cao)作簡(jian)單和運算(suan)效率(lv)快等優勢。在(zai)加(jia)(jia)工過程中(zhong)，數(shu)控(kong)車床刀(dao)具主要沿(yan)著葉(xie)片(pian)(pian)曲面的u線或(huo)者v線走(zou)刀(dao)。在(zai)葉(xie)片(pian)(pian)磨(mo)削數(shu)控(kong)智(zhi)能(neng)加(jia)(jia)工軌(gui)跡規劃過程中(zhong)，最關鍵的環節(jie)為走(zou)刀(dao)步長與加(jia)(jia)工帶(dai)寬計(ji)算(suan)。

       其中，走(zou)刀步長(chang)計算公式(shi)為(wei)

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

       加工(gong)帶寬計算公式為

       (2) d為葉(xie)片數控磨(mo)削加(jia)工帶寬(kuan);R為數控砂帶輪的(de)半徑;εh為允許最大(da)殘留高度;kb為葉(xie)片表面沿軌跡方(fang)向b的(de)法曲(qu)率。

       以計算得(de)到的走刀步長及加工帶(dai)寬為基礎，根據參數線(xian)法生成葉片磨削加工軌跡,為葉片數控加工提供支(zhi)撐(cheng)。

       2.2葉片(pian)磨(mo)削加工余量計(ji)算

       航空發動機葉片(pian)剛性較差、壁較薄和(he)易變(bian)形等(deng)特(te)點，在制作加(jia)工(gong)后仍然存在超差區域，加(jia)工(gong)余(yu)量(liang)分布(bu)也不均(jun)勻，對葉片(pian)后續磨(mo)削加(jia)工(gong)造成了一定的阻礙(ai)。因此，為了提升葉片(pian)加(jia)工(gong)精度，需(xu)要對葉片(pian)磨(mo)削加(jia)工(gong)余(yu)量(liang)進行提取與計算(suan)。

       葉(xie)片(pian)磨(mo)削(xue)加工余量提取與計(ji)算流程如圖1所示。

       如圖(tu)1所示，利用三坐標檢測方法對葉片表面(mian)數(shu)(shu)據點進(jin)行采集，呈(cheng)現1張曲面(mian)網格(ge)形式(shi)，數(shu)(shu)據點數(shu)(shu)量(liang)(liang)為(m+1)×(n+1),其中，m+1為截面(mian)數(shu)(shu)量(liang)(liang);n+1為截面(mian)上的數(shu)(shu)據點。設(she)置截面(mian)線方向與(yu)(yu)葉身(shen)長度(du)方向為u與(yu)(yu)v,對應(ying)次數(shu)(shu)分別為k與(yu)(yu)l,以上述數(shu)(shu)據為基礎，重(zhong)構葉片模(mo)型，表達式(shi)為

       p(u,v)為重(zhong)構后的(de)葉片模(mo)型;di,j為數據點i與j之間的(de)距(ju)離;Bi,k(u)與Bj,l(v)分別(bie)為在u與v方(fang)向重(zhong)構的(de)B樣條曲(qu)面。

       依據(ju)規劃好的(de)刀(dao)(dao)(dao)路軌跡計算刀(dao)(dao)(dao)觸點(dian)p(r,n),其(qi)中(zhong)，r為(wei)刀(dao)(dao)(dao)觸點(dian)的(de)徑(jing)向(xiang)矢(shi)量(liang)(liang)，n為(wei)刀(dao)(dao)(dao)觸點(dian)的(de)法向(xiang)矢(shi)量(liang)(liang)。為(wei)了方便研(yan)究的(de)進(jin)行，以葉(xie)片理論模型作(zuo)為(wei)參照，其(qi)截面線與葉(xie)身長度(du)方向(xiang)表示為(wei)X與Y。經過基(ji)準重(zhong)合后，獲得經過刀(dao)(dao)(dao)觸點(dian)，方向(xiang)為(wei)法向(xiang)矢(shi)量(liang)(liang)方向(xiang)的(de)直線，表示為(wei)

       L為(wei)直線矢量方程;r1為(wei)檢測坐標系(xi)下(xia)的徑向矢量;δ為(wei)輔助系(xi)數，與直線長短緊(jin)密相關。

       將式(3)與式(4)聯立即可獲得交點p′,通過(guo)計算刀(dao)觸點與交點之間(jian)的距離(li)(不為0),從而確(que)定葉(xie)片的磨削加工余(yu)量，表(biao)達式為

       εi為第i個刀觸點(dian)的磨削加工余(yu)量(liang);為刀觸點(dian)與交(jiao)點(dian)的距離(li)。

       通過(guo)上述過(guo)程完成了葉片磨削(xue)加工余(yu)量(liang)的提取與計(ji)算(suan),為后續葉片數控智(zhi)能磨削(xue)算(suan)法的推出提供(gong)精準的數據支(zhi)撐。

       2.3葉片(pian)數控智能磨削算法

       上述過程獲得的葉片磨削(xue)加(jia)工(gong)軌跡與(yu)磨削(xue)加(jia)工(gong)余量只是(shi)葉片制作(zuo)加(jia)工(gong)的第1步，但是(shi)這(zhe)些數(shu)據無(wu)法直接應(ying)用于數(shu)控(kong)(kong)機(ji)床(chuang)，需要對其進(jin)行適當的處理。為了實現葉片的數(shu)控(kong)(kong)智(zhi)能加(jia)工(gong)，必須(xu)對數(shu)控(kong)(kong)機(ji)床(chuang)加(jia)工(gong)過程中的運動姿態進(jin)行全(quan)面控(kong)(kong)制，推出對應(ying)的葉片數(shu)控(kong)(kong)智(zhi)能磨削(xue)算法。

       葉片數(shu)控智能(neng)磨(mo)削算(suan)(suan)(suan)法包(bao)含3個控制模型，分別為數(shu)控機床轉(zhuan)(zhuan)軸(zhou)(zhou)、直線軸(zhou)(zhou)與(yu)(yu)壓力軸(zhou)(zhou)運動控制模型。以(yi)葉片理(li)論模型為基礎，構(gou)建工件坐標系(xi)，記為OPXPYPZP,使(shi)其與(yu)(yu)數(shu)控機床坐標系(xi)保持同樣的姿(zi)態。為了(le)保障葉片刀觸點矢量與(yu)(yu)磨(mo)頭刀架矢量保持方向相(xiang)同，需要(yao)將卡盤繞X軸(zhou)(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)A角，繞Y軸(zhou)(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)B角，并精確計算(suan)(suan)(suan)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)角，即可完(wan)成(cheng)轉(zhuan)(zhuan)軸(zhou)(zhou)運行控制。旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)角計算(suan)(suan)(suan)公式為：

       N0=[nx0,ny0,ns0,0]T為(wei)在工件(jian)坐(zuo)標系(xi)下，刀觸點法向矢(shi)量;N1=[nx1,ny1,ns1,0]T為(wei)葉(xie)片旋轉A角后刀觸點的法向矢(shi)量。

       數控(kong)機床(chuang)直(zhi)線軸控(kong)制主(zhu)要(yao)是(shi)對旋轉變換(huan)后刀觸點的坐標數值(zhi)進行計算，其決定著刀具是(shi)否能夠按規劃(hua)軌(gui)跡進行運作，不但影(ying)響著葉片(pian)磨(mo)削加工(gong)精度，也會影(ying)響磨(mo)削的效率。

       假設旋轉(zhuan)后(hou)工件坐(zuo)標(biao)(biao)系(xi)中刀觸(chu)點為(wei)R2=[x1,y2,z2,1]T,依據數(shu)控機床(chuang)坐(zuo)標(biao)(biao)與工件坐(zuo)標(biao)(biao)系(xi)的關系(xi)，通過坐(zuo)標(biao)(biao)轉(zhuan)換計算刀觸(chu)點在數(shu)控機床(chuang)中的坐(zuo)標(biao)(biao)，計算公式為(wei)

       R=[x，y，z，1]T為在(zai)數控機床坐(zuo)(zuo)標(biao)系中(zhong)刀(dao)觸點(dian)的坐(zuo)(zuo)標(biao);[xh，yh，zh，1]T為坐(zuo)(zuo)標(biao)轉換(huan)矩陣;[x0，y0，z0，1]T為原(yuan)始刀(dao)觸點(dian)坐(zuo)(zuo)標(biao)矩陣。

       航空發動機葉(xie)片(pian)磨(mo)(mo)(mo)削(xue)加工(gong)(gong)(gong)實質上是一(yi)種柔性拋(pao)磨(mo)(mo)(mo)過程，為(wei)了(le)保障材料具有一(yi)定的(de)去除率(lv)，必須對葉(xie)片(pian)施加一(yi)定的(de)法向接觸(chu)壓(ya)(ya)力m，這也是壓(ya)(ya)力軸(zhou)的(de)運行控制重點。隨著磨(mo)(mo)(mo)削(xue)加工(gong)(gong)(gong)余(yu)量的(de)變化，相應地施加載荷也存在著較大的(de)不同。為(wei)了(le)滿足葉(xie)片(pian)加工(gong)(gong)(gong)精度(du)的(de)需求，應該(gai)根據刀(dao)觸(chu)點磨(mo)(mo)(mo)削(xue)加工(gong)(gong)(gong)余(yu)量確定磨(mo)(mo)(mo)削(xue)參數(shu)，以(yi)此為(wei)基礎(chu)，調(diao)節數(shu)控機床壓(ya)(ya)力軸(zhou)的(de)接觸(chu)壓(ya)(ya)力。

       在(zai)葉片磨削加工過程中，材料去除率(lv)為(wei)

       rk為材料去除率(lv);Cg為磨削(xue)過程中，修(xiu)正(zheng)常(chang)數(shu)、阻(zu)力(li)系數(shu)與耐用度(du)系數(shu)的(de)乘積;Vb為砂帶(dai)線速度(du);Vm為葉(xie)片進給速度(du);F為刀(dao)觸點(dian)p的(de)法向壓力(li);x1、x2和x3為輔助計算參數(shu)。

       以式(shi)(9)計算結果為基(ji)礎，確定磨(mo)削壓(ya)力計算公式(shi)，即

       x0為(wei)輔(fu)助(zhu)計(ji)算參數(shu)，取值(zhi)范圍為(wei)0~1。

       上述(shu)過程完成了數控機床(chuang)運行姿態的全面控制(zhi)，為葉片磨削加工提(ti)供良(liang)好的控制(zhi)性能。

       2.4葉片加工反變形誤差補償

       由于(yu)環境、器械(xie)等多種因素的影響，葉(xie)片(pian)磨削加工(gong)(gong)存(cun)在(zai)著(zhu)些許誤差(cha)，導(dao)致葉(xie)片(pian)發生一定的彎曲(qu)變(bian)形(xing)，如(ru)葉(xie)片(pian)向(xiang)上或者向(xiang)下偏(pian)移、葉(xie)根(gen)偏(pian)移量較大等。上述情(qing)況(kuang)均會影響葉(xie)片(pian)的加工(gong)(gong)質量，故(gu)需要(yao)對其進行反變(bian)形(xing)誤差(cha)補(bu)(bu)償，常規情(qing)況(kuang)下，葉(xie)片(pian)在(zai)加工(gong)(gong)去除余(yu)量后，葉(xie)冠會發生δ變(bian)形(xing)，此時(shi)為了補(bu)(bu)償δ變(bian)形(xing),刀位點應該(gai)向(xiang)相反方向(xiang)進行偏(pian)移補(bu)(bu)償，還需要(yao)滿足葉(xie)片(pian)表面光滑性，因此需要(yao)滿足下述條件，即(ji)

       a為(wei)單步加工量(liang)(liang);工為(wei)刀(dao)位點偏移補償(chang)量(liang)(liang);a-x為(wei)實(shi)際磨削(xue)深度。

       特別地，對葉片進(jin)行進(jin)一(yi)步(bu)精加工時，為了確保實際磨削不(bu)會超過(guo)理論數(shu)值(zhi),還需要滿(man)足(zu)下述條件(jian)，即(ji)

       d為(wei)當前時刻葉片余量。

       通過(guo)上述過(guo)程完成航空葉片(pian)數控(kong)智能磨(mo)削加工(gong)，能有效地(di)提升葉片(pian)制作加工(gong)的精度。

       3、結語

       磨(mo)削(xue)(xue)作(zuo)為航空(kong)發動(dong)機葉片的(de)最終材料去(qu)除工(gong)藝(yi)，對于疲勞(lao)壽命具有(you)重(zhong)要影(ying)響。目前雖(sui)然在新(xin)型輕質航空(kong)材料研發以及抗疲勞(lao)磨(mo)削(xue)(xue)方(fang)法和工(gong)藝(yi)等方(fang)面(mian)(mian)已經取得(de)了(le)一(yi)定(ding)進展，但仍(reng)存在抗疲勞(lao)磨(mo)削(xue)(xue)方(fang)法匱乏，表面(mian)(mian)完(wan)整性控制策略不(bu)完(wan)善(shan)，難以實現工(gong)業化應用等問題。

       本文介紹了兩種磨削技術以(yi)便大家學(xue)習，引用(yong)資料來(lai)源附于(yu)文(wen)末，感興趣的(de)朋友可自行(xing)搜索閱讀。