發布日期：2022-04-27 點擊率：514
作者單位：沈陽黎明航空發動機制造公司
面對航空工業的快速發展，新一代航空發動機轉子裝配結構已完全有別于一、二代發動機，對轉子葉片葉尖磨削也提出了更高的要求。近年來，隨著三代發動機批量生產，其整體制造技術水平得到了較大的提升，但與國際先進航空發動機制造企業相比，個別制造工藝仍存在較大差距，高速葉尖磨工藝就是其中一例。目前，采用高速葉尖磨進行發動機各類轉子葉片葉尖的粗精加工、在線檢測及在線去除毛刺已是國外航空發動機制造公司和維修公司普遍應用的工藝技術。某型發動機高壓壓氣機轉子因其轉子葉片與鼓筒的周向裝配結構不同于任何機種的軸向燕尾方式，其葉片與榫槽的配合間隙較大，高出其他機種5倍以上，在葉片活動量要求較大的情況下，磨削葉片外徑保證其公差及徑向跳動要求是一直以來追求的目標，轉子結構及技術要求見圖1。多年來，為使其葉片在拉伸狀態下進行磨削，采取每片葉片安裝在模擬盤上，用螺釘逐個頂起葉片，使用普通改制設備低速對各級模似盤進行磨削的工藝方法，不但生產效率低，而且質量狀態不穩定，無法滿足設計要求。采用高速磨及在線測量新工藝技術是轉子提高葉片外徑磨加工效率、提升質量水平最有效的方法。高速葉片葉尖磨削工藝，通過高速的工件轉速，使轉子葉片在高速條件下獲得足夠大的離心力，具有大活動量的葉片在貼緊鼓筒榫槽的狀態下進行磨削與在線測量，磨削后的外徑尺寸與工作狀態保持一致，是保障發動機性能，使壓氣機轉子在最小的工作間隙下確保發動機耗油率所實施的重要工藝手段。
高速葉尖磨設備工程應用特點
高速葉尖數控磨床型號為DANTIP R3 1500/2000，磨削工件轉速最高可達4000r/min，符合壓氣機轉子各級葉片處于向外拉緊狀態加工葉尖尺寸的技術要求。采用GE/Fanuc Series 16i CNC控制系統，其測量系統為DAN-BTM725非接觸式測量系統，用以在線測量各級葉片的外徑尺寸，并將每次測量的各級、每片葉片的外徑尺寸以數據和圖形的方式顯示出來，提供的LVDT Probe測量系統用來對轉子的非葉片表面進行測量。高速葉尖磨床具有砂輪自動修整功能，能通過程序設定砂輪自動修整時間。高速葉尖磨床提供的吸塵裝置、標準空調系統，分別用以吸收磨削時產生的碎屑以及控制防護罩內溫度，確保測量結果精確。高速葉尖磨設備屬復合加工機床（見圖2），其主要性能參數見表1。
轉子高速葉尖磨工藝設計應用方案
高速葉尖磨工藝設計具有3種含義：一是轉子葉片以拉伸狀態下進行高速磨削的高效加工技術；二是以工序集中為原則的復合加工技術；三是實現在線檢測的測量技術。
1 高速葉尖磨削的高效加工技術
數控高速葉尖磨削工藝已完全顛覆了原普通車改制磨床進行磨削葉片外徑的工藝，其技術主要通過合理的工藝設計、正確的裝夾方式、高效的磨削參數來體現。
（1）工藝設計。
數控高速葉尖磨對磨削工件的自身不平衡量有較高要求，超過設定值即報警中斷磨削，因此，轉子葉尖在高速磨削前需采取一系列平衡工藝對轉子進行預先動平衡，經過試驗，轉子預先平衡的最終不平衡量控制在25g·cm以內。1、2級葉片外徑余量較大，安排一次粗磨工序，其工藝流程見圖3。
（2）裝夾方式。
為保證磨削后1～9級葉片的葉尖相對基準跳動在0.05mm以內，采取轉子基準與工裝基準過盈配合的液壓工裝，通過控制與轉子配合的前后液壓夾盤工裝徑向跳動不大于0.01，經0.2MPa壓力的氣密性檢查，使轉子與夾具緊密配合，達到轉子設計基準與機床加工基準緊密貼合的精確定位。并經過多次試驗加工驗證，用檢查篦齒盤處48個螺母限力30N·m和機座處螺母限力 60N·m來保證轉子能夠安全地進行磨削工作。
（3）磨削參數。
設置磨削參數有3個關鍵點：一是選用的轉速，能夠保證磨削葉片在拉伸狀態下(即葉片處于工作位置)磨削；二是因轉子葉片材料為鈦合金，選用的磨削參數要保證在高速磨削后葉片無灼傷；三是高速磨削過程的穩定性。3個關鍵點相互制約，需一并試驗解決。
通過大量試驗研究驗證了轉子轉速、葉片外徑尺寸余量的大小、葉片角度以及磨削過程產生的毛刺都對磨削的穩定性及鈦合金葉片灼傷有影響，為將這些影響減少到最小，采取分級設置轉速，不同磨削階段設定不同的進給倍率、停留時間，不同級葉片設定不同參數、粗磨預留0.2～0.3mm余量、去除毛刺后再進行葉片外徑的精磨等方法，確定的高速磨削工藝參數見表2。
2 以工序集中為基礎的復合加工技術
提高生產效率是零件切削加工過程的一個永恒主題，高速葉尖磨在一臺設備、同一基準下完成了葉片外徑磨削、尖邊去除毛刺、在線實測外徑多種加工與測量要求，用一次裝夾實現了多工序的復合加工，大大縮短轉子加工生產周期，提高轉子葉片外徑加工質量。
對1～9級轉子葉片，采取逐級磨削，逐級去除毛刺的方法，通過摸索和大量試驗，確定了高速磨削轉速及去除毛刺轉速（見表2），并達到粗糙度為0.8μm的要求。
3 在線檢測技術
發動機轉子葉片外徑磨削的在線檢測是通過磨削程序的編制進行控制的，對1～9級轉子葉片采取逐級逐片磨削以達到圖紙規定尺寸和角度，采取非接觸式測量系統實時在線跟蹤、監控、測量磨削葉片外徑值的方法進行在線測量，測量精度為0.001mm。葉片外徑角度由砂輪頭架轉動相應角度后，再給以適當的徑向距離補償來保證，這種在線測量能最大限度的削除重復定位誤差，加工精度更易獲得保證。
高速葉尖磨與在線測量技術應用評價
為了驗證高速葉尖磨削技術應用結果的正確性，將在高速磨磨削的各級葉片分別采用模擬盤與三坐標測量進行對比試驗，試驗結果表明，經高速磨后在線測量的葉片外徑在滿足設計要求尺寸的情況下，各片葉片直徑差為0.007mm，模似盤上測葉片外徑各片直徑差為0.024mm，三坐標測量各片葉片外徑差0.0074mm。通過對其他各級葉片試驗數據對比分析，在模擬盤和三坐標上測量用高速葉尖磨床磨削的葉片外徑數值均滿足設計給定的尺寸公差帶要求，且高速葉尖磨床上在線測量數據精度比模擬盤和三坐標上測量數據精度高。高速葉尖磨床磨削葉片外徑的準確性，充分肯定了其加工精度和測量精度。
結束語
采用轉子葉片外徑高速磨削、在線去除毛刺與在線測量解決新一代發動機轉子葉片外徑磨削加工，攻克了多年來設計提出的轉子葉片需在工作位置拉伸狀態下進行磨削難點的同時，有效地克服了反復裝配葉片、磨削葉片及去除毛刺耗時多、葉尖尺寸檢測存在誤差等問題，且這種復合加工工藝技術大大減少工作定位次數、縮短加工過程、提高了生產效率及產品質量。這表明基于工序集中的復合加工技術是提升新一代發動機制造水平的一個重要手段，也是國際先進制造技術發展的趨勢。這一復合、高效的加工方法可在中航工業的軍機及民機企業內得以應用，但需從工件的結構設計和加工經濟性等方面綜合考慮。
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