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航空发动机精锻叶片进排气边砂带磨削工艺基础研究

关键词 航空发动机 , 叶片 , 砂带磨削|2020-08-13 10:50:12|应用技术|来源 涂附磨具分会
摘要 引言叶片作为航空发动机的关键零件之一,在发动机上占有重要地位,对航空发动机的性能有着至关重要的影响[1-2]。叶片的主要作用在于与发动机其他部件配合实现燃气发生器对易燃气流的高温压...

引言

叶片作为航空发动机的关键零件之一,在发动机上占有重要地位,对航空发动机的性能有着至关重要的影响[1-2]。叶片的主要作用在于与发动机其他部件配合实现燃气发生器对易燃气流的高温压缩,产生燃气的高速流动,由此转换为飞机所需要的推进动力。叶片长期在高温、高压和高速状态的恶劣工作环境下运转,所承受的载荷情况十分复杂;而且一台发动机内的叶片不仅数量多,而且形状和尺寸大小相差悬殊。

为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求,叶片必须具有精确的截面形状与尺寸、严格的表面完整性[3-4]。截面形状与尺寸对发动机的效率、推力以及空气的流向都有重要影响。如果叶身型面与进排气边的截面形状与尺寸精度达不到设计要求,则可能导致航空发动机出现紊流、气喘、怠速不稳、失速等现象,严重时可危及到飞行安全。因此,本文介绍的航空发动机精锻叶片进排气边缘砂带磨削研究,对实现我国航空发动机叶片的高效精密磨削加工有着非常重要的现实意义。

1、精锻叶片结构特点和加工技术要求

叶片的加工难度可归结为:

a,叶片是在高温、高压和高速状态下运转,通常需要合金化程度很高的热强钢、钛合金以及高温合金等,均属难加工金属材料;

b,叶片的形状是发动机中最为复杂的三维空间曲面零件;

c,在同一台发动机内有多种不同的叶片,其长度在20mm到700~800mm之间,尺寸跨度相当大;

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d,叶片的型面精度要求为0.06~0.2mm,粗糙度Ra不低于0.8µm,图1为叶片叶型公差示意图;

e,叶片进排气边缘的截面形状为圆弧曲线或者其它样条曲线,边缘处R的大小和形状要求精确加工,因为它对气动性能和强度可靠性都有很大的影响;

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f,良好的气动性要求叶片的表面光顺,截面间的型面应平滑过渡(图2),并有轮廓度的要求,轮廓度规定了进排气边厚度的变化速度[5]。

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本项研究所加工的叶片为我国预研的新一代大推比军用航空发动机叶身无余量精锻叶片,如图3。该叶片为带阻尼台叶片,主要由叶身、榫头两部分组成,叶身分为叶盆、叶背、进气边(前缘)和排气边(后缘)。以图3叶片为例,其叶身总长99.6mm,最大弦宽约60mm,进、排气边圆弧半径R在0.22~0.76mm之间,叶身曲面由14个截面给定,每个截面由叶盆、叶背两条曲线和进排气边圆弧组成,要求曲线光顺拼接。从叶片的结构不难看出,该叶片叶身薄,进、排气边圆弧半径很小,且叶身型面为复杂的三维空间自由曲面,各部分的曲率、扭转变化较大,是典型的薄壁复杂曲面零件[6]。

叶片在发动机中的功能使命及其工作特点,决定了受力恶劣、承载最大的零件。它为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求,叶片必须具有精确的截面形状与尺寸、严格的表面完整性,同时允许叶片有一定角度的扭转变形。如果边缘处R弧形精度达不到设计要求,则可能导致航空发动机出现紊流、气喘、怠速不稳、失速等现象,严重时可危及飞行安全。

2、无余量叶片数控砂带磨削工艺路线的拟定

叶片毛坯的类型有:方坯(或棒料)、普通模锻毛坯(余量较大)、半精模锻毛坯、叶身无余量精锻毛坯等。不同类型的叶片毛坯,其加工定位基准的选择是不一样的,叶片各部分尤其是叶身型面的加工方法也是不同的,所以叶片毛坯的类型对叶片机械加工工艺路线的安排影响很大。例如,叶身为大余量的模锻毛坯其叶身型面加工可采用电解加工后抛光的方法,但叶身为小余量的模锻毛坯其型面加工就不宜采用电解加工,而一般采用的工艺路线是:小余量毛坯→加工榫头→以榫头为基准粗铣叶身及进排气边→半精铣叶身及进排气边→精铣叶身及进排气边→叶身及进排气边表面磨削去除残差→叶片抛丸、光饰处理→检验。

本文主要针对图3所示发动机叶片的加工。该叶片为我国预研的新一代大推比军用航空发动机叶身无余量精锻叶片,叶片型面和缘板内侧面不再需要机械加工而直接达到设计图纸的尺寸精度和表面质量要求,但无法通过锻造工艺制作出对气动外形极具敏感的压气机叶片变半径扭曲的光滑进排气边。目前国内航空发动机精锻叶片边缘的加工则是采用普通铣床切除毛坯上锻造飞边,而后采用手工打磨叶片的进排气边,并通过投影的方法肉眼观察打磨质量。由于航空发动机叶片边缘最小厚度不超过1mm,其截面曲面形状为圆弧或者其他样条曲线,采用手工打磨进排气边容易出现弦长超差、方头、截面曲面形状及位置超差、不符合真实R型面要求等问题,导致叶片废品率较高、产品一致性差等问题,严重制约了叶片质量。如图4所示为精锻叶片边缘手工磨削常见的问题。因此,航空发动机叶片制造企业迫切希望能通过数控砂带磨削方法来实现叶片边缘的高效高精度磨削,改变我国传统的叶片生产工艺。

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经分析后,初步确定本次试验采用的工艺路线为:叶身无余量精锻毛坯→铣削切除锻造毛坯飞边→数控砂带磨削进排气边→以叶身型面和进排气边为基准铣削榫头→抛丸及表面光饰处理→检验。

因而本项的研究重点即针对航空发动机叶身无余量精锻叶片,通过数控砂带磨削方法按设计要求加工进排气边缘真实R圆弧。

3、精锻叶片边缘砂带磨削工艺试验

3.1 叶片边缘砂带磨削试验设计

①试验方案

选择试件为某航空发动机压气机一级精锻叶片,叶片材料为TA11钛合金,在经过前道铣削切除毛坯上锻造飞边后,利用机床配置的TBGS软件生成叶片边缘砂带磨削数控程序并进行叶片边缘磨削。叶片进排气边被阻尼台划分为4个相对独立的部分(如图5所示),由于各部分的边缘几何尺寸和空间扭曲程度均存在较大不同,故选用不同的砂带磨削工艺参数。对采用不同工艺参数下磨削的叶片边缘进行磨削尺寸精度测量和截面轮廓线形状检测并作出分析。

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②试验条件

由上述试验方案,确定试验条件如下:

磨削位置:叶片进气边1、2和排气边3、4

数控磨削编程软件:TBGSV1.0

磨削进给速度:800~1600mm/min

磨削走刀方式:纵向进给

磨削条件:干磨

砂带品种:3M金字塔砂带237AA

砂带粒度:A6(矿砂颗粒的平均尺寸为6微米)

砂带规格:(周长×宽度)3000×5(3)mm

砂带线速度:8~20m/s

③检测装置

叶片边缘经过砂带磨削后,需对其几何形状和尺寸进行检测,一般说来,检测主要包括:前后工作边缘的曲率半径、几何形状特征及工作边缘与叶身是否圆滑连接等。

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由于本试验目的在于磨削工艺参数优化,要求能直观观测叶片边缘磨削后截面轮廓线形状,故采用光学投影检测是较为合适的方法。利用光学投影仪(图6为采用Ogp边缘投影仪检测叶片边缘),通过光学系统在投影屏上得到放大了的叶片边缘实像,将其与事先画在玻璃上或硫酸纸上的叶片边缘的标准图形相比较,检查各截面的边缘曲率半径及半径与型面的连接圆滑性等。

3.2 工艺优化过程

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叶片边缘1、2、3、4各部分的磨削加工尺寸特征见表1,边缘各部分均为靠近叶根一侧边宽较大,而越靠近叶尖一侧边宽越小。由表1,边缘1、2的磨削区域较长,磨削余量大,且沿走刀路径法矢量方向曲率变化不大,故可以选用较宽一点的砂带、较快的砂带速度和进给速度;而边缘3、4的磨削区域较短,磨削余量较小,且沿走刀路径法矢量方向曲率变化较大,选择宽砂带会产生干涉和过磨(如图7所示为用5mm砂带磨削边2时发生过磨),故选用窄砂带、较为慢点的砂带速度和进给速度。

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初步拟定的磨削工艺参数见表2。由各边工艺参数,根据边缘余量数据文件和边缘磨削材料去除量控制模型可以得到各加工刀位点所需磨削参数值,进而通过控制磨削用量的变化,来实现边缘各部分的磨削。

本试验采用自行研制的2M5560SK-4NC数控纵向砂带磨床,数控砂带磨床主要结构如图8所示。该机床主要由砂带磨头、驱动装置、工装、电气控制系统等部分构成。机床可实现六轴联动,包括水平方向的X轴和Y轴,竖直方向的Z轴,以及可分别绕X轴、Y轴和Z轴转动的A轴、B轴和C轴。另外,机床磨头带有力控装置,可通过闭环反馈调节砂带磨头压力,将此压力轴称为压力控制轴N轴。目前,该款砂带磨削数控机床已经成功应用于国内多个航空发动机制造企业,完成生产线上的批量航空发动机叶片自动化砂带磨抛工作。该机床技术成熟,具有高效稳定的特性,能有效适应复杂曲面的砂带磨削自动加工。对磨削前后的叶片边缘进行对比(如图9,并对磨削后的叶片边缘分别进行截面轮廓线形状检测和缘点位置磨削尺寸精度测量。

①叶片边缘截面轮廓线形状检测

利用边缘投影仪观测磨削后的叶片边缘型面,磨削存在的典型问题(见图10)主要有:1)偏头。指磨后叶片边缘曲率半径左右不对称,出现一边大一边小现象。2)方根和尖头。方根是指由于叶片根部边缘余量较大且施加的接触压力不足导致的欠磨现象。尖头,则相反,指叶尖部位由于余量较小而施加的接触压力大导致的过磨现象。3)边缘与叶身型面转接不圆滑。

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②叶片缘点位置磨削尺寸精度测量

选定叶片边缘第0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ档截面(图11为叶片截面位置图)利用对表块对进排气边各截面缘点位置磨削尺寸进行测量,测量结果见表3。

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叶片边缘尺寸误差允许的范围为±0.05mm,由磨削后的进排气边缘点处尺寸误差可知,各个截面的尺寸误差大多超过了公差带要求,而且相互间存在较大差异。进气边第0档截面缘点处存在最大负偏差为-0.15mm,第Ⅺ档截面缘点处存在最大正偏差为0.17mm;排气边第Ⅰ档截面缘点处存在最大负偏差为-0.25mm,第Ⅺ档截面缘点处存在最大正偏差为0.32mm。

砂带磨削是一个极为复杂的过程,影响其磨削效果的因素很多。综合分析以上问题产生的原因并提出改进方案:

①叶片边缘磨削材料去除模型不够精确,这是产生方根和尖头现象的主要原因。当对复杂曲面工件进行磨削时,即使接触压力、砂带速度和进给速度保持不变,在工件表面曲率不同的地方,磨削量也不一样,这种影响在叶片边缘部分尤为显著。由于本文建立边缘余量去除模型是基于叶片中间第Ⅷ档截面实验数据得来,而没有考虑边缘曲率半径的影响。因而采用基于该余量去除模型建立的接触压力控制模型,在叶根处计算得到的接触压力比实际所需压力值要小,而在叶尖处则相反,因而导致叶根处欠磨产生方根,而叶尖处过磨产生尖头。为解决该问题,对接触压力控制模型进行了优化,令F=FAδ,其中δ为叶片边缘曲率半径影响系数(第Ⅷ截面处影响系数δ值设为1),随着曲率半径增大,则δ值增大,曲率半径减小,则δ值相应减小。

②由于砂带接触轮与砂带均为弹性体,叶片边缘不均匀余量的去除虽然跟法向接触压力大小密切相关(近似成线性关系),但压力越大变形误差也随之增大。解决偏头的一个较为现实的方法是减小磨后边缘曲率半径较大一侧(图5.7.1显示左侧部分)的走刀步长和走刀行距,进而通过磨削时间的增加来达到增加磨削量的目的。

③边缘与叶身型面转接不圆滑产生的主要原因在于接触力控制精度不够。对于边缘与叶身转接处磨削余量很小,考虑到磨削质量,接触力的分辨率最好能控制在0.1N级别以下。改进的手段主要通过砂带机构低摩擦导向机构的装配结构优化,以降低导向机构静摩擦力,降低砂带浮动机构质量以提高运动灵敏度,进而提高接触力控制精度。

3.3实验结果

通过上一节磨削方案设计后,开展更进一步的磨削试验。磨后的叶片同样利用边缘投影仪观测叶片边缘截面轮廓线形状(图12),并利用对表块对进排气边各截面缘点位置的磨削尺寸精度进行测量(测量结果见表4)。

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由叶片进排气边截面轮廓线形状可以看出,优化以后的边缘截面,偏头、方根和尖头的现象都得到了改善,曲率半径R圆滑度以及边缘与叶身型面之间的转接光滑度也得到了提高。

由磨削后的进排气边缘缘点处尺寸误差测量数据,优化后缘点位置的尺寸误差得到了明显改善,虽然不能达到±0.05mm的加工精度要求,但进排气边尺寸误差值已经可以初步控制在-0.07~0.11mm和-0.12~0.10mm范围以内。

初步试验结果表明通过控制磨削工艺参数实现叶片边缘磨削方法是合理可行的,同时通过工艺试验也为工厂现场磨削工程应用提供了理论及试验分析研究依据。

虽然通过控制进排气边缘缘点误差能够有效的控制叶片弦长加工要求,但是从叶片边缘截面轮廓线观测图中,我们不难看出目前的试验结果还达不到进排气边真实R圆弧的技术要求,与理论轮廓之间还存在一定的差距。由于叶片砂带磨削过程中,由叶片、磨具、夹具和机床组成的工艺系统所产生的加工变形难以控制,且精锻后的叶片本身也存在一定的尺寸和形状误差,使得单纯通过磨削工艺优化来加工叶片进排气边十分困难,开展叶片边缘磨削加工误差补偿研究是有必要的,通过将磨削工艺与误差补偿技术相结合来保证叶片最终的磨削精度和真实R型面。

结论

本文开展航空发动机精锻叶片进排气边缘砂带磨削研究,通过对精锻叶片的结构特点和加工技术要求制定了无余量叶片数控砂带磨削工艺的路线,最后进行了叶片边缘砂带磨削工艺试验。实验结果显示表明通过控制磨削工艺参数实现叶片边缘磨削方法是合理可行的,同时通过工艺试验也为工厂现场磨削工程应用提供了理论及试验分析研究依据。


参考文献:

[1]刘艳.叶片制造技术[M].北京:科学出版社,2002(9):19-24.

[2]朱佳生.透平机械制造加工工艺[M].北京:机械工业出版社,1982.

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[6]刘维伟,张定华等.航空发动机薄壁叶片精密数控加工技术研究[J].机械科学与技术,2004,23(4):329-331.

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