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)鍵技術對于指(zhi)導(dao)航空發動(dong)機(ji)葉片抗疲勞加工以(yi)及提(ti)升航空發動(dong)機(ji)服役壽命具有重(zhong)要意義。

       砂帶磨削以及磨粒流拋光因兼具(ju)(ju)磨(mo)削(xue)和拋光(guang)的雙重作用，工藝靈活性(xing)(xing)高、適應性(xing)(xing)強，且其柔性(xing)(xing)拋光(guang)的特性(xing)(xing)在曲面平滑過渡方面具(ju)(ju)有(you)獨特的擬(ni)合效(xiao)果，在整體葉(xie)盤、葉(xie)輪、葉(xie)片等零件的精密(mi)拋光(guang)中得(de)到(dao)應用，成為提高航空發(fa)動機葉(xie)片表面完(wan)整性(xing)(xing)和疲(pi)勞壽命的有(you)效(xiao)加(jia)工手段。

       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)質在模具模芯的(de)(de)約束和擠推壓(ya)(ya)力的(de)(de)驅動下通(tong)過(guo)零件(jian)待拋(pao)表(biao)面，具有切削刃的(de)(de)磨(mo)粒(li)與工件(jian)表(biao)面粗糙峰谷相互擠壓(ya)(ya)滑擦，實現零件(jian)表(biao)面的(de)(de)去毛刺、除(chu)飛邊(bian)、倒圓以(yi)及拋(pao)光，進而達到表(biao)面材料去除(chu)以(yi)及提高(gao)表(biao)面完整性(xing)的(de)(de)目的(de)(de)，如圖2所示。

       早在1993年(nian)，Boynton就(jiu)采用磨粒流加(jia)工(gong)方法對(dui)航天飛機的高(gao)壓(ya)燃油渦輪(lun)泵轉子葉片(pian)進(jin)行拋光，使葉片(pian)表面粗糙度從10.16μm下降(jiang)到0.76μm，透平(ping)的冷(leng)卻(que)效率提高(gao)2.1%，入口溫(wen)度下降(jiang)了32℃，對(dui)于整體的抗疲勞性能和(he)服役(yi)性能具(ju)有(you)顯著提升作用。

       經過數(shu)十年的發(fa)展，磨(mo)粒(li)流加工(gong)(gong)技術(shu)目前已經廣泛應(ying)用于(yu)航空發(fa)動機(ji)葉(xie)片(pian)制(zhi)造領域。美國DYNATICS、GE等公司采用磨(mo)粒(li)流加工(gong)(gong)技術(shu)實現(xian)了葉(xie)片(pian)的精密磨(mo)削加工(gong)(gong)，將表面粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)從2.0μm降低到0.8μm，極大提高了葉(xie)片(pian)加工(gong)(gong)質量，減小(xiao)了由表面粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)引起的應(ying)力集中，提升了葉(xie)片(pian)的疲勞強度(du)(du)。

       葉片(pian)的抗疲勞性(xing)能與表(biao)面(mian)粗糙度(du)、殘余應(ying)力(li)狀(zhuang)態、紋理(li)結構等表(biao)面(mian)完整性(xing)特征直接相關，為了(le)獲得良好(hao)的表(biao)面(mian)完整性(xing)，需要對(dui)(dui)工藝參數(shu)(shu)進優化(hua)研究。Sankar等對(dui)(dui)黏彈(dan)性(xing)磨(mo)料旋轉磨(mo)粒流加工過(guo)程中工藝參數(shu)(shu)對(dui)(dui)表(biao)面(mian)完整性(xing)的影響(xiang)規律進行了(le)研究，通過(guo)實(shi)驗分析了(le)磨(mo)粒含量、壓力(li)、加工次(ci)數(shu)(shu)和工件轉速對(dui)(dui)磨(mo)削(xue)表(biao)面(mian)粗糙度(du)的影響(xiang)。

       磨(mo)粒(li)流(liu)加(jia)工(gong)技(ji)術已(yi)被美國航(hang)(hang)空(kong)航(hang)(hang)天部門列為(wei)航(hang)(hang)空(kong)零部件精加(jia)工(gong)的重要工(gong)藝(yi)，被廣泛應用于航(hang)(hang)空(kong)發動機整(zheng)體(ti)葉盤、葉片等復(fu)雜曲面零件的光整(zheng)加(jia)工(gong)。目前(qian)，磨(mo)粒(li)流(liu)加(jia)工(gong)已(yi)經出現了諸多擴展應用，例(li)如振(zhen)動輔助磨(mo)粒(li)流(liu)加(jia)工(gong)、流(liu)化床加(jia)工(gong)、動壓磨(mo)粒(li)流(liu)加(jia)工(gong)等。

       超聲振動(dong)輔(fu)助磨(mo)粒流(liu)(liu)加工(gong)方法是在傳(chuan)(chuan)統磨(mo)粒流(liu)(liu)加工(gong)方法的基礎上引入超聲振動(dong)增大磨(mo)粒與(yu)工(gong)件之間的相互作(zuo)用關系，以達到(dao)高(gao)質、高(gao)效(xiao)拋(pao)光的新型磨(mo)粒流(liu)(liu)加工(gong)方法。Venkatesh等(deng)將振動(dong)輔(fu)助磨(mo)粒流(liu)(liu)加工(gong)方法應用到(dao)錐(zhui)齒(chi)輪齒(chi)面光整加工(gong)獲得了比傳(chuan)(chuan)統磨(mo)粒流(liu)(liu)拋(pao)光更(geng)優(you)的材料去(qu)除率和表面粗糙(cao)度。

       從國外(wai)企業公開的(de)技術文(wen)件(jian)中發現(xian)，雖然(ran)磨粒(li)流(liu)在降(jiang)低表面(mian)(mian)粗糙度引起的(de)應力集(ji)中方面(mian)(mian)效果明顯，然(ran)而磨粒(li)流(liu)加工(gong)在生產過程中存在形狀精度難以控制的(de)特點，整(zheng)體葉盤(pan)(pan)、葉片(pian)(pian)的(de)葉盆和葉背拋(pao)光質量并不均勻，且在葉片(pian)(pian)邊緣等(deng)關鍵(jian)部(bu)位會出現(xian)嚴重過拋(pao)現(xian)象。尤其是對于葉片(pian)(pian)等(deng)復雜曲面(mian)(mian)構(gou)件(jian)，如(ru)整(zheng)體葉盤(pan)(pan)的(de)進、排氣(qi)邊，目前尚無文(wen)獻或其他資料給出具體的(de)解決方案，因此(ci)多只(zhi)用于表面(mian)(mian)光整(zheng)加工(gong)。

       2、航空發動機葉片砂帶磨削加工

       由于航空制造企業缺乏相關的(de)精密高效拋(pao)(pao)(pao)光方法與(yu)技(ji)術，目前部分(fen)航空發動(dong)機葉片的(de)精密磨削(xue)加工(gong)仍然采用手(shou)工(gong)拋(pao)(pao)(pao)光的(de)方法進行。然而人工(gong)拋(pao)(pao)(pao)光不僅勞動(dong)強度(du)(du)大(da)、效率低(di)，而且型(xing)面精度(du)(du)、表面完整性、表面一致性等特征難以保證(zheng)。

       同(tong)時(shi)，受(shou)到工(gong)(gong)(gong)人(ren)技術等級和熟練程度的(de)影響，加(jia)工(gong)(gong)(gong)質(zhi)量不穩定，嚴(yan)重影響著航空發(fa)動機(ji)葉片的(de)服(fu)役(yi)性(xing)(xing)能、安(an)全可靠性(xing)(xing)以及生產周期等，因此(ci)目前該方法逐(zhu)漸被機(ji)器(qi)磨拋加(jia)工(gong)(gong)(gong)所取代。

       針對數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)磨削加(jia)工(gong)，袁明提出(chu)航空發動(dong)機葉片(pian)(pian)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)智(zhi)能(neng)磨削加(jia)工(gong)技術。應(ying)用參(can)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)線法規劃葉片(pian)(pian)磨削加(jia)工(gong)軌跡(ji)，以此(ci)為基礎，提取磨削加(jia)工(gong)余量，模(mo)擬與計算(suan)對應(ying)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)值，適當處理獲(huo)取的(de)葉片(pian)(pian)磨削加(jia)工(gong)軌跡(ji)與加(jia)工(gong)余量數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)據，推(tui)出(chu)葉片(pian)(pian)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)智(zhi)能(neng)磨削算(suan)法(數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)車(che)床(chuang)轉軸(zhou)、直線軸(zhou)與壓力軸(zhou)運動(dong)控(kong)(kong)制模(mo)型)，以此(ci)控(kong)(kong)制數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)車(che)床(chuang)運動(dong)姿態，并通過刀位(wei)點偏移補償葉片(pian)(pian)的(de)反變形誤差，實現了航發葉片(pian)(pian)的(de)數(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)智(zhi)能(neng)磨削。

       2.1葉片(pian)數控智能磨削加(jia)工(gong)軌(gui)跡(ji)規(gui)劃(hua)【2】

       對于葉(xie)片(pian)(pian)數(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)(kong)智能磨(mo)削(xue)加(jia)(jia)(jia)工來說，合理的軌(gui)跡(ji)規(gui)劃至關(guan)(guan)重(zhong)要，不(bu)但可(ke)以提升數(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)(kong)計(ji)算(suan)(suan)效(xiao)率，也能滿足葉(xie)片(pian)(pian)磨(mo)削(xue)加(jia)(jia)(jia)工精度(du)需求(qiu)。選取(qu)參(can)數(shu)(shu)(shu)線(xian)法規(gui)劃葉(xie)片(pian)(pian)磨(mo)削(xue)加(jia)(jia)(jia)工軌(gui)跡(ji),其(qi)具(ju)備(bei)操作簡單和運算(suan)(suan)效(xiao)率快等(deng)優勢(shi)。在(zai)加(jia)(jia)(jia)工過程中(zhong)，數(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)(kong)車床刀(dao)具(ju)主(zhu)要沿著葉(xie)片(pian)(pian)曲面的u線(xian)或(huo)者v線(xian)走(zou)刀(dao)。在(zai)葉(xie)片(pian)(pian)磨(mo)削(xue)數(shu)(shu)(shu)控(kong)(kong)(kong)智能加(jia)(jia)(jia)工軌(gui)跡(ji)規(gui)劃過程中(zhong)，最(zui)關(guan)(guan)鍵的環節為走(zou)刀(dao)步長與加(jia)(jia)(jia)工帶寬計(ji)算(suan)(suan)。

       其中，走刀步(bu)長計(ji)算公(gong)式為

       (1) L為葉片磨削(xue)加(jia)工(gong)走刀(dao)步長;ε為給定的加(jia)工(gong)誤差(cha)極限;kf為葉片磨削(xue)中插補段沿著走刀(dao)軌(gui)跡f的法曲率。

       加工帶(dai)寬計算(suan)公式(shi)為

       (2) d為(wei)葉片數(shu)控磨(mo)削加工帶寬(kuan);R為(wei)數(shu)控砂(sha)帶輪的(de)半徑;εh為(wei)允許最大殘留(liu)高(gao)度;kb為(wei)葉片表面(mian)沿軌跡方向b的(de)法曲(qu)率。

       以計算得到的走(zou)刀步長及加(jia)工(gong)帶寬為(wei)基礎，根據(ju)參數線法生(sheng)成葉片磨削加(jia)工(gong)軌跡,為(wei)葉片數控加(jia)工(gong)提供支(zhi)撐。

       2.2葉片磨(mo)削加工余量計算

       航空(kong)發動機(ji)葉(xie)(xie)片(pian)剛性較差、壁較薄和(he)易變形(xing)等(deng)特點，在制作加(jia)工(gong)后(hou)仍然存(cun)在超差區域，加(jia)工(gong)余(yu)量分布(bu)也不均(jun)勻，對葉(xie)(xie)片(pian)后(hou)續(xu)磨削(xue)加(jia)工(gong)造(zao)成了(le)一(yi)定(ding)的阻礙。因此，為(wei)了(le)提升葉(xie)(xie)片(pian)加(jia)工(gong)精度(du)，需要對葉(xie)(xie)片(pian)磨削(xue)加(jia)工(gong)余(yu)量進(jin)行提取與計算。

       葉片磨削(xue)加工余量提取與計算流(liu)程如圖1所示。

       如圖1所(suo)示(shi)，利(li)用(yong)三坐(zuo)標檢(jian)測方(fang)法對葉(xie)(xie)片表(biao)(biao)面數(shu)(shu)據(ju)(ju)點進行采集，呈現1張曲面網格形式，數(shu)(shu)據(ju)(ju)點數(shu)(shu)量為(wei)(wei)(wei)(m+1)×(n+1),其(qi)中，m+1為(wei)(wei)(wei)截面數(shu)(shu)量;n+1為(wei)(wei)(wei)截面上的數(shu)(shu)據(ju)(ju)點。設置截面線方(fang)向(xiang)與葉(xie)(xie)身長度方(fang)向(xiang)為(wei)(wei)(wei)u與v,對應(ying)次數(shu)(shu)分別為(wei)(wei)(wei)k與l,以(yi)上述數(shu)(shu)據(ju)(ju)為(wei)(wei)(wei)基(ji)礎，重(zhong)構葉(xie)(xie)片模(mo)型，表(biao)(biao)達式為(wei)(wei)(wei)

       p(u,v)為(wei)重構后的葉片模型(xing);di,j為(wei)數據點i與j之間的距離;Bi,k(u)與Bj,l(v)分別為(wei)在u與v方向重構的B樣(yang)條曲面。

       依據(ju)規劃好的(de)刀(dao)(dao)路軌跡計(ji)算刀(dao)(dao)觸點(dian)(dian)p(r,n),其(qi)(qi)中，r為(wei)刀(dao)(dao)觸點(dian)(dian)的(de)徑(jing)向(xiang)(xiang)矢(shi)量(liang)，n為(wei)刀(dao)(dao)觸點(dian)(dian)的(de)法(fa)向(xiang)(xiang)矢(shi)量(liang)。為(wei)了(le)方(fang)(fang)便研究的(de)進行，以葉片理論模(mo)型作(zuo)為(wei)參照，其(qi)(qi)截面線與葉身長度方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)表示為(wei)X與Y。經(jing)過基準重合后(hou)，獲得(de)經(jing)過刀(dao)(dao)觸點(dian)(dian)，方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)為(wei)法(fa)向(xiang)(xiang)矢(shi)量(liang)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)直(zhi)線，表示為(wei)

       L為直線矢(shi)量方程;r1為檢測坐標(biao)系下的(de)徑向矢(shi)量;δ為輔助系數(shu)，與直線長短(duan)緊密相關。

       將式(3)與(yu)式(4)聯立即可(ke)獲得(de)交(jiao)點(dian)p′,通過計算刀觸點(dian)與(yu)交(jiao)點(dian)之間的距離(不為0),從而確定葉(xie)片的磨削加工(gong)余量，表達式為

       εi為第i個刀(dao)觸(chu)(chu)點的磨削加工(gong)余(yu)量;為刀(dao)觸(chu)(chu)點與交點的距離。

       通過上述(shu)過程完成了葉片(pian)磨削加工余量(liang)的提取與計算,為后續葉片(pian)數控智能磨削算法(fa)的推(tui)出提供精準的數據(ju)支(zhi)撐。

       2.3葉片數控智能磨削算法

       上述過(guo)程獲(huo)得的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)片(pian)磨(mo)削加工軌(gui)跡與(yu)磨(mo)削加工余量(liang)只(zhi)是(shi)葉(xie)(xie)片(pian)制(zhi)作(zuo)加工的(de)(de)(de)(de)第1步，但是(shi)這些數(shu)據無法(fa)直接(jie)應(ying)用于數(shu)控(kong)機(ji)床，需要對(dui)其進行適當(dang)的(de)(de)(de)(de)處(chu)理。為了實現葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)(de)數(shu)控(kong)智(zhi)能加工，必須對(dui)數(shu)控(kong)機(ji)床加工過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)運動姿(zi)態進行全面(mian)控(kong)制(zhi)，推出對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)片(pian)數(shu)控(kong)智(zhi)能磨(mo)削算法(fa)。

       葉片(pian)數(shu)控(kong)智(zhi)能(neng)磨削算(suan)法(fa)包含(han)3個控(kong)制(zhi)模型(xing)，分別(bie)為(wei)數(shu)控(kong)機(ji)床轉(zhuan)軸(zhou)、直(zhi)線(xian)軸(zhou)與壓力軸(zhou)運(yun)動控(kong)制(zhi)模型(xing)。以葉片(pian)理論模型(xing)為(wei)基礎，構建工件坐標系，記為(wei)OPXPYPZP,使其與數(shu)控(kong)機(ji)床坐標系保(bao)持同樣的姿態。為(wei)了保(bao)障葉片(pian)刀(dao)觸點矢(shi)量與磨頭刀(dao)架矢(shi)量保(bao)持方(fang)向相(xiang)同，需要將卡盤繞(rao)X軸(zhou)旋轉(zhuan)A角(jiao)，繞(rao)Y軸(zhou)旋轉(zhuan)B角(jiao)，并精確計算(suan)旋轉(zhuan)角(jiao)，即可完(wan)成轉(zhuan)軸(zhou)運(yun)行控(kong)制(zhi)。旋轉(zhuan)角(jiao)計算(suan)公式為(wei)：

       N0=[nx0,ny0,ns0,0]T為在工件(jian)坐標系下，刀觸(chu)點法向(xiang)矢量(liang)(liang);N1=[nx1,ny1,ns1,0]T為葉片旋轉(zhuan)A角后刀觸(chu)點的法向(xiang)矢量(liang)(liang)。

       數控機(ji)床直線軸控制主要是對旋轉(zhuan)變換(huan)后刀觸(chu)點的坐(zuo)標(biao)數值進(jin)行計算，其(qi)決定著刀具是否能夠按規劃軌跡進(jin)行運(yun)作，不但影響著葉片磨削加工精度，也(ye)會影響磨削的效(xiao)率(lv)。

       假(jia)設(she)旋轉后工件(jian)坐標系中刀觸(chu)點為R2=[x1,y2,z2,1]T,依據數控(kong)機床(chuang)坐標與工件(jian)坐標系的關系，通過(guo)坐標轉換(huan)計算刀觸(chu)點在數控(kong)機床(chuang)中的坐標，計算公式為

       R=[x，y，z，1]T為在數(shu)控機床坐(zuo)標系中刀觸點的坐(zuo)標;[xh，yh，zh，1]T為坐(zuo)標轉換矩陣;[x0，y0，z0，1]T為原始刀觸點坐(zuo)標矩陣。

       航空(kong)發動(dong)機葉片(pian)磨削(xue)加(jia)工(gong)實質上是一種柔性拋(pao)磨過程，為(wei)了(le)保障材料具有一定(ding)的(de)(de)去除(chu)率，必須對葉片(pian)施(shi)(shi)加(jia)一定(ding)的(de)(de)法向接(jie)觸壓(ya)力(li)m，這也是壓(ya)力(li)軸的(de)(de)運行控制重點。隨著磨削(xue)加(jia)工(gong)余量的(de)(de)變化，相(xiang)應地施(shi)(shi)加(jia)載荷(he)也存在著較(jiao)大的(de)(de)不(bu)同。為(wei)了(le)滿足葉片(pian)加(jia)工(gong)精度的(de)(de)需(xu)求，應該(gai)根據刀觸點磨削(xue)加(jia)工(gong)余量確定(ding)磨削(xue)參數(shu)，以此為(wei)基礎(chu)，調節數(shu)控機床壓(ya)力(li)軸的(de)(de)接(jie)觸壓(ya)力(li)。

       在(zai)葉片磨削加(jia)工過程中(zhong)，材料(liao)去(qu)除率為

       rk為(wei)(wei)材(cai)料(liao)去除率;Cg為(wei)(wei)磨削過(guo)程(cheng)中，修正常數、阻(zu)力(li)系數與耐用度系數的乘積;Vb為(wei)(wei)砂帶線速度;Vm為(wei)(wei)葉(xie)片進給(gei)速度;F為(wei)(wei)刀觸點p的法向壓力(li);x1、x2和x3為(wei)(wei)輔(fu)助(zhu)計算參數。

       以(yi)式(9)計(ji)算結果(guo)為基礎，確定磨削壓力計(ji)算公(gong)式，即(ji)

       x0為輔助計算參數，取值范(fan)圍為0~1。

       上(shang)述(shu)過程完成了數控機床運行姿(zi)態(tai)的全面(mian)控制(zhi)，為葉(xie)片磨削加工(gong)提(ti)供(gong)良好的控制(zhi)性能。

       2.4葉片加工反變形誤差補(bu)償

       由于環境、器械等多種因素的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)，葉(xie)片磨削加(jia)(jia)工(gong)存在(zai)著些許誤差，導致葉(xie)片發生一(yi)定的(de)彎曲變形(xing)，如葉(xie)片向(xiang)上或者向(xiang)下偏(pian)移(yi)、葉(xie)根(gen)偏(pian)移(yi)量較大等。上述情況均會影(ying)響(xiang)(xiang)葉(xie)片的(de)加(jia)(jia)工(gong)質(zhi)量，故(gu)需(xu)(xu)要對其進行反變形(xing)誤差補償，常規情況下，葉(xie)片在(zai)加(jia)(jia)工(gong)去除(chu)余量后，葉(xie)冠會發生δ變形(xing)，此時為了補償δ變形(xing),刀位點應該向(xiang)相反方向(xiang)進行偏(pian)移(yi)補償，還需(xu)(xu)要滿(man)足葉(xie)片表面光(guang)滑性，因此需(xu)(xu)要滿(man)足下述條件(jian)，即(ji)

       a為(wei)(wei)單(dan)步加工(gong)量;工(gong)為(wei)(wei)刀位點偏(pian)移補償量;a-x為(wei)(wei)實際磨削深度。

       特別地，對葉(xie)片進(jin)行進(jin)一步精(jing)加工(gong)時，為了確(que)保(bao)實際磨(mo)削不會超過理論數(shu)值,還需要(yao)滿足(zu)下(xia)述條件，即(ji)

       d為當前時刻葉片余(yu)量(liang)。

       通過(guo)上(shang)述過(guo)程完成航(hang)空葉片(pian)數控智(zhi)能磨(mo)削加工(gong)，能有(you)效(xiao)地(di)提升葉片(pian)制作加工(gong)的(de)精度。

       3、結語

       磨(mo)削(xue)作為(wei)航空發動機葉(xie)片的最終材料去除工藝，對(dui)于疲(pi)勞壽命(ming)具(ju)有重要影響。目(mu)前雖(sui)然(ran)在(zai)新(xin)型輕質航空材料研發以及抗疲(pi)勞磨(mo)削(xue)方(fang)法和工藝等(deng)方(fang)面已經取得(de)了(le)一定進展，但仍存在(zai)抗疲(pi)勞磨(mo)削(xue)方(fang)法匱乏，表面完(wan)整性控制策(ce)略不完(wan)善，難以實現(xian)工業化應用(yong)等(deng)問題。

       本文介紹了兩種磨削技術以便大家學習(xi)，引用資料來源(yuan)附(fu)于文末，感興(xing)趣的朋友可自行(xing)搜索閱讀。