(①南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 泰州 225300；②揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

汽輪機(jī)葉片是汽輪機(jī)的重要部件，其表面加工質(zhì)量直接影響汽輪機(jī)的效率。汽輪機(jī)葉片一般為復(fù)雜的曲面型面，國(guó)內(nèi)外采用五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工中心加工葉片型面的表面，由于精度和表面質(zhì)量達(dá)不到希望的要求，所以還需要對(duì)其表面進(jìn)行光整加工。國(guó)內(nèi)外研究使用砂輪和砂帶兩種技術(shù)對(duì)葉片表面進(jìn)行磨削加工，可以集磨削和拋光于一體。由于砂帶磨削具有高效率和冷態(tài)的特性，所以其技術(shù)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)能夠用于干磨、高速、大吃刀量等的重磨削領(lǐng)域及高精密零件的磨削加工領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)很多高校、研究所和企業(yè)也都做了研究，并取得了可喜的成果。揚(yáng)州大學(xué)機(jī)電研究所從事葉片磨削技術(shù)研究多年，相繼研制了四軸聯(lián)動(dòng)、五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控葉片砂帶磨床樣機(jī)[1-2]。

本課題針對(duì)以前研究存在的問題結(jié)合最新的研究成果，在江蘇省科技支撐計(jì)劃BE2010141項(xiàng)目的支持下，開展了六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床可控力磨削技術(shù)磨頭結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)。

1 砂帶磨削運(yùn)動(dòng)及磨削特點(diǎn)分析

1.1 砂帶磨削運(yùn)動(dòng)分析

汽輪機(jī)葉片具有復(fù)雜型面，砂帶磨削是由主動(dòng)輪經(jīng)張緊輪帶動(dòng)柱形接觸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸輪帶動(dòng)包裹在它外層的砂帶運(yùn)動(dòng)，對(duì)葉片型面進(jìn)行磨削包絡(luò)成型，如圖1所示。為了使砂帶磨削盡可能地減少欠切或過(guò)切，必須使砂帶接觸輪軸線矢量與曲面型面磨削點(diǎn)處的最小曲率方向一致[3]，如圖2所示。為了達(dá)到這一要求，需要配置有3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和3個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的六軸聯(lián)動(dòng)控制[4]。

1.2 砂帶磨削特點(diǎn)分析[5]

(1)汽輪機(jī)葉片屬于難加工的材料，砂帶屬于柔性材料，砂帶的磨鈍是砂帶磨損最普通和最根本的形式。在磨削過(guò)程中，隨著磨損時(shí)間和材料去除量的增長(zhǎng)，砂帶磨損高度均逐漸增大，磨損高度因砂帶磨粒材料不同而不同，研究表明，一般可達(dá)0.2～0.4 mm，如圖3和圖4所示。

(2)葉片在被磨削過(guò)程中，其被磨削位置的材料去除量與磨削位置的壓力、相對(duì)磨削速度以及磨削時(shí)間有關(guān)，服從式(1)。

(1)

對(duì)于磨削點(diǎn)而言，磨削時(shí)間可以認(rèn)為是瞬時(shí)，相對(duì)磨削速度可以設(shè)定，因此材料去除量與磨削位置的壓力有很大的關(guān)系。磨削位置的壓力可分解為法向力和切向力，主要受法向力的影響。即只要控制好法向力就能得到預(yù)想的材料去除量，磨削和光整加工的質(zhì)量就可以有保證。

2 磨頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨頭是磨床的重要機(jī)構(gòu)，理論研究表明磨頭設(shè)計(jì)存在2個(gè)難點(diǎn)：(1)砂帶在磨削過(guò)程中磨損高度一般達(dá)到0.2～0.4 mm，磨削位置法向力隨磨削位置材料磨削量的變化而變化；同理，磨削力變化，磨削位置的材料磨削量就發(fā)生變化。因此要精確控制磨削量，就必須為磨削提供可控制的磨削力。(2)接觸輪(含砂帶)刀軸矢量方向與葉片型面上磨削點(diǎn)的最小主曲率方向一致的機(jī)械結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)才能使刀具在軟件控制下實(shí)現(xiàn)精確的軌跡包絡(luò)。

2.1 可控力磨削磨頭機(jī)械結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)

通過(guò)以前的實(shí)驗(yàn)積累和最新的思考，設(shè)計(jì)出用恒力氣缸、補(bǔ)償彈簧和平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)組合而成的可控磨削力砂帶磨頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖5所示，其原理如圖6所示。原理闡述如下：作用在接觸輪上的力有：磨頭重力F重、氣缸壓力F氣、彈簧補(bǔ)償力F彈、砂帶磨削力F磨，F(xiàn)重和F彈保持不變，F(xiàn)磨由工藝設(shè)定，在確定F磨后，由程序計(jì)算出F氣大小，使式(2)平衡。

F氣+F磨=F重+F彈

(2)

當(dāng)砂帶磨損導(dǎo)致磨削深度減小，磨削力F磨減小時(shí)

F氣+F磨

(3)

當(dāng)更換新砂帶或毛坯余量不均，致使磨削深度增加，導(dǎo)致磨削力F磨增大時(shí)

F氣+F磨>F重+F彈

(4)

由電氣比例閥、伺服氣缸、壓力傳感器等組成的反饋回路控制恒力氣缸使F氣變大或變小，使接觸輪下降或上升，磨削深度增大或減小，使磨頭系統(tǒng)歸于平衡，達(dá)到控制磨削精度的目的。

2.2 精確包絡(luò)軌跡運(yùn)動(dòng)磨頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6-7]

要實(shí)現(xiàn)精確的軌跡包絡(luò)，需要X、Y、Z和A、B、C等6根軸共同運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)為T字形結(jié)構(gòu)的機(jī)床床身上布置3根直線運(yùn)動(dòng)的X軸、Y軸、Z軸和3根回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的A軸、B軸、C軸。X軸由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)夾持葉片的機(jī)床頭架和尾座沿著床身導(dǎo)軌作軸向移動(dòng)(左右移動(dòng))，安裝磨頭機(jī)構(gòu)的立柱在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿著床身Y軸方向作徑向移動(dòng)(前后移動(dòng))，磨頭機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿立柱導(dǎo)軌在Z軸方向作上下移動(dòng)。3根移動(dòng)軸確定接觸輪(包含包裹在接觸輪外周的砂帶)與葉片磨削點(diǎn)的相對(duì)位置。

A軸運(yùn)動(dòng)由伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)專用夾具連同葉片一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。B軸部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖7所示，它由安裝在垂直滑臺(tái)上的B軸伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)B軸小齒輪，由小齒輪帶動(dòng)固定于磨頭支架上的B軸大齒輪左右擺動(dòng),磨頭支架與垂直滑臺(tái)之間設(shè)置有圓弧導(dǎo)軌，以保證磨頭支架有較高的支撐剛度和精確的定位導(dǎo)向，從而實(shí)現(xiàn)B軸繞Y軸軸線在±45°范圍內(nèi)高精度擺動(dòng)。

機(jī)床磨頭C軸部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由安裝在磨頭支架上的C軸伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)C軸小齒輪，帶動(dòng)裝于C軸回轉(zhuǎn)軸上的大齒輪使C軸繞Z軸在±90°范圍內(nèi)擺動(dòng)，如圖8所示。

B軸與C軸控制接觸輪(包含砂帶)刀軸矢量方向，與A軸共同作用，使刀軸矢量方向與葉片型面上磨削點(diǎn)的最小主曲率方向一致，滿足磨削干涉量最小的要求。

3 磨頭結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析和有限元分析

磨頭系統(tǒng)是數(shù)控砂帶磨床的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到磨床設(shè)計(jì)的成敗。為了保證所設(shè)計(jì)的磨床滿足葉片磨削時(shí)強(qiáng)度、剛度和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性要求及磨削加工精確、可靠，本文在磨頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步完成后，對(duì)磨頭系統(tǒng)作運(yùn)動(dòng)仿真分析和對(duì)磨頭支架作力學(xué)性能分析，以檢驗(yàn)?zāi)ヮ^系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

3.1 磨頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真分析[8-9]

對(duì)磨頭系統(tǒng)進(jìn)行仿真首先需對(duì)磨頭機(jī)構(gòu)所涉及的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件設(shè)置約束連接；其次，確定機(jī)構(gòu)初始零位置；最后，為恒力磨削機(jī)構(gòu)添加伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。以接觸輪中心點(diǎn)的位移和連架桿轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為研究對(duì)象進(jìn)行分析，設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)位移函數(shù)為s=30cos(60t+90) mm，仿真時(shí)間周期為6 s。

(1)選擇接觸輪中心點(diǎn)位移為檢測(cè)對(duì)象。分別選擇X軸(左右方向軸)坐標(biāo)、Y軸(前后方向軸)坐標(biāo)和位移矢量模在一個(gè)仿真周期內(nèi)的位移量進(jìn)行測(cè)量，得到如圖9所示的結(jié)果。由圖9可見，在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，接觸輪中心點(diǎn)在左右軸X方向最大位移量為1.4 mm，位移較?。辉赮軸正負(fù)方向位移分別達(dá)到+29 mm和-28 mm，位移較大；接觸輪中心點(diǎn)位移矢量模與Y軸運(yùn)動(dòng)近似。因此可以認(rèn)為接觸輪中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是前后運(yùn)動(dòng)。

(2)連架桿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角測(cè)量，連架桿帶動(dòng)接觸輪上下運(yùn)動(dòng)，連架桿運(yùn)動(dòng)由恒力氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)。由圖9可知接觸輪前后方向運(yùn)動(dòng)極限位置是不對(duì)稱的，但位移相差不大。如果恒力氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)處于上、下兩個(gè)極限位置，而連架桿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角不相等但角度相差不大，就可以得到磨頭系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的結(jié)論。由圖10可知，當(dāng)活塞桿位于回程末端，即接觸輪運(yùn)動(dòng)至最上端時(shí)，連架桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度為6.8°；而當(dāng)活塞桿位于進(jìn)程末端，即接觸輪運(yùn)動(dòng)至最下端時(shí)，連架桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度為-6.5°?？梢娫诨钊麠U行程順逆對(duì)稱的情況下，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)的連架桿前后轉(zhuǎn)角并不對(duì)稱，而接觸輪在Y軸方向上下兩個(gè)極限位置也不對(duì)稱。該仿真結(jié)果與接觸輪中心點(diǎn)位移結(jié)果一致，證明了磨頭系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。

3.2 磨頭支架的有限元分析[10-11]

磨頭支架的剛度和強(qiáng)度將直接影響磨床磨削的剛度、強(qiáng)度以及各控制軸的傳遞精度。

磨頭支架為不規(guī)則形狀零件，Pro/E建模后導(dǎo)入ANSYS軟件分析。磨頭支架結(jié)構(gòu)單元的劃分選用SOLID92三維四面體單元，用6級(jí)精度進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，模型分為10 302個(gè)單元，24 358個(gè)結(jié)點(diǎn)。

磨頭支架所受載荷主要有施加到其圓環(huán)套架上約1 500 N的磨頭重力載荷和磨頭支架自身約750 N的重力載荷。并且在垂直平面內(nèi)繞其轉(zhuǎn)軸在±45°范圍內(nèi)作往復(fù)擺動(dòng)。本文就支架位于±45°最危受力工況下受力狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算其靜剛度和強(qiáng)度，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)是否滿足磨削作業(yè)要求。

建立有限元模型，施加邊界條件和工作載荷后，由軟件系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，得到整個(gè)磨頭支架有限單元的應(yīng)力和應(yīng)變，再經(jīng)后置處理，輸出支架的等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，如圖11所示。由圖中可知在最危受力工況下磨頭支架最大應(yīng)力為11 MPa,接觸輪中心處最大應(yīng)變?yōu)? μm，由分析結(jié)果可知，磨頭支架在±45°工況下變形較小，其剛度能夠滿足葉片磨削要求，即其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)汽輪機(jī)葉片加工工藝的需要，進(jìn)行了砂帶磨削特點(diǎn)分析和六軸聯(lián)動(dòng)汽輪機(jī)葉片數(shù)控砂帶磨床磨削運(yùn)動(dòng)分析，研究和設(shè)計(jì)了數(shù)控砂帶磨床恒力磨削磨頭，對(duì)磨頭進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，對(duì)磨頭支架進(jìn)行了力學(xué)性能分析。通過(guò)制造出來(lái)的磨床樣機(jī)實(shí)際磨削驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的磨頭結(jié)構(gòu)完全符合性能要求。圖12為磨床樣機(jī)和磨頭磨削實(shí)際運(yùn)行圖片。

研究成果為葉片精整加工提供了較好的工具手段，使得葉片的加工精度、加工效率上了一個(gè)新臺(tái)階。但由于葉片數(shù)控磨削加工機(jī)床還剛剛研制成功，無(wú)論是在結(jié)構(gòu)上，還是在控制技術(shù)和編程方法上還有待進(jìn)一步提高和完善。

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