詹 飛，張明德，張衛(wèi)青，徐浩馳

（重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

基于ADAMS的航發(fā)精鍛葉片邊緣砂帶磨削機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

詹 飛，張明德，張衛(wèi)青，徐浩馳

（重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

設(shè)計(jì)一種新型的砂帶磨削機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)、螺母絲桿與彈簧的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了航發(fā)精鍛葉片邊緣的浮動(dòng)磨削加工?；贏dams仿真軟件平臺(tái)，對(duì)新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到接觸力曲線。根據(jù)接觸力曲線，采用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化砂帶磨削機(jī)構(gòu)的彈簧剛度系數(shù)、彈簧阻尼系數(shù)與導(dǎo)桿阻尼系數(shù)，優(yōu)化后的新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)的接觸力穩(wěn)定時(shí)間降低到0.1s內(nèi)，且其接觸力最大振動(dòng)幅值較小，證明了文章設(shè)計(jì)的新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)具有較好的接觸力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

葉片邊緣；砂帶磨削；ADAMS；運(yùn)動(dòng)仿真

0　引言

航發(fā)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣決定著航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率的高低。航發(fā)葉片邊緣具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與較高的加工工藝要求，目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛葉片進(jìn)排氣邊緣通常采用普通銑床切邊后進(jìn)行手工打磨成型的加工方法。這種加工方法容易導(dǎo)致葉片進(jìn)排氣邊緣的加工精度較低、加工后的葉片邊緣型面一致性較差以及葉片邊緣與葉身轉(zhuǎn)接不圓滑等問題，從而增加葉片加工報(bào)廢率［1］。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的砂帶浮動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺母絲桿，以獲得快速的輸入激勵(lì)響應(yīng)，用彈簧連接絲桿與導(dǎo)桿，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)磨削。利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立砂帶磨削機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化浮動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)，提高接觸力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1　航發(fā)葉片邊緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及磨削加工工藝要求

本文以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛葉片為例，如圖1所示，分析航發(fā)葉片邊緣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及磨削加工工藝要求。

葉片邊緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：航發(fā)精鍛葉片由榫頭、葉身、阻尼臺(tái)組成，葉片葉身長(zhǎng)85.4mm，弦寬約58.9mm；葉片進(jìn)排氣邊緣弧半徑R的范圍為0.18mm～0.67mm；葉身曲面由16個(gè)截面給定，每個(gè)截面由葉背、葉盆兩條樣條曲線和葉片進(jìn)排氣邊圓弧光順拼接而成。

葉片邊緣加工工藝要求：航發(fā)精鍛葉片邊緣通常采用普通銑床切邊后進(jìn)行砂帶磨削成型的加工工藝，葉片邊緣型面輪廓的加工精度要求為0.06mm～0.1mm；表面粗糙度要求為低于Ra0.4μm［2］。

目前國(guó)內(nèi)航發(fā)葉片砂帶磨削機(jī)床的磨削機(jī)構(gòu)主要采用氣缸連接導(dǎo)桿，導(dǎo)桿與接觸輪連接的方式實(shí)現(xiàn)恒壓浮動(dòng)磨削，這種結(jié)構(gòu)的輸入激勵(lì)響應(yīng)較慢，僅適用于葉片型面的恒壓浮動(dòng)磨削［3］。而葉片邊緣曲面的加工余量不均勻，磨削機(jī)構(gòu)需根據(jù)曲面的加工余量實(shí)時(shí)控制接觸壓力變化，對(duì)磨削機(jī)構(gòu)的輸入激勵(lì)響應(yīng)速度與接觸力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性提出了較高的要求。

圖1　航發(fā)精鍛葉片

2　新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

新型砂帶浮動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)產(chǎn)生輸入激勵(lì)，通過彈簧連接絲桿與導(dǎo)桿，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)磨削加工，能較好的適應(yīng)葉片邊緣曲面形狀變化，滿足葉片邊緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；同時(shí)，機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，具有快速的輸入激勵(lì)響應(yīng)，使用砂帶磨削方式，能獲得較好的表面粗糙度，滿足葉片邊緣的加工工藝要求。如圖2所示，由圖2可知其運(yùn)動(dòng)原理：

圖2　新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)原理圖

氣缸6的氣缸桿伸出，使穿過絲桿內(nèi)孔并連接氣缸桿與導(dǎo)桿11的鋼絲9處于放松狀態(tài)，磨削機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)桿11與接觸輪13的重力向下進(jìn)刀，接觸輪13與工件接觸時(shí)，導(dǎo)桿11與接觸輪13的重力與彈簧10彈力平衡，完成進(jìn)刀動(dòng)作。

當(dāng)需要增加接觸力時(shí)，伺服電機(jī)2通過同步帶5快速驅(qū)動(dòng)螺母帶輪7反轉(zhuǎn)，螺母帶輪7的反轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿8向下移動(dòng)，絲桿8的向下移動(dòng)會(huì)使彈簧10產(chǎn)生的彈力減小，這時(shí)，導(dǎo)桿11與接觸輪13的重力與彈簧彈力的合力就會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生接觸力；相反，伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)則控制接觸力的減小。同時(shí)，安裝在導(dǎo)桿11上的壓力傳感器12會(huì)不間斷地向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)反饋接觸力信號(hào)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)反饋的接觸力信號(hào)與葉片邊緣曲面的加工余量實(shí)時(shí)調(diào)整伺服電機(jī)的角位移，從而實(shí)現(xiàn)接觸力的精確控制。在加工完成時(shí)，氣缸6收縮氣缸桿，鋼絲9處于張緊狀態(tài)，帶動(dòng)導(dǎo)桿11與接觸輪13向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磨削機(jī)構(gòu)的退刀動(dòng)作。

3　磨削機(jī)構(gòu)模型建立與仿真分析

3.1磨削機(jī)構(gòu)仿真模型建立

由于ADAMS仿真軟件的建模功能較為簡(jiǎn)單，而砂帶磨削機(jī)構(gòu)的模型建立又比較復(fù)雜，為了保證模型在仿真時(shí)的精度，采用三維軟件UG構(gòu)建砂帶浮動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)裝配模型。將裝配后的三維模型用Parasolid文件導(dǎo)入多體運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中，如圖3所示。

圖3　3D模型導(dǎo)入ADAMS

在ADAMS/View中，砂帶與同步皮帶的仿真模型建立非常復(fù)雜，而其仿真模型的建立對(duì)砂帶磨削機(jī)構(gòu)接觸力分析的影響較小，因此可將砂帶的張緊作用對(duì)接觸力的影響簡(jiǎn)化為絲桿與導(dǎo)桿之間彈簧的預(yù)壓緊力；將伺服電機(jī)連接同步帶輪產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)置于螺母帶輪上。由此可得整個(gè)系統(tǒng)的約束關(guān)系如表1所示。

表1　浮動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)的約束關(guān)系

3.2接觸力的計(jì)算

浮動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)工作時(shí)的接觸力為接觸輪與工件接觸而產(chǎn)生的垂直方向的力。在ADAMS/View中有兩種計(jì)算接觸力的方法，一種是沖擊函數(shù)法（Impact）；另外一種是補(bǔ)償法（Restitution），這兩種方法都是對(duì)接觸約束采用懲罰算法而得到的。根據(jù)文獻(xiàn)［4-5］知，補(bǔ)償法（Restitution）較難對(duì)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置，因而選擇沖擊函數(shù)法（Impact）計(jì)算接觸力。根據(jù)Impact函數(shù)計(jì)算兩個(gè)構(gòu)件之間的接觸力為：

式中K—?jiǎng)偠认禂?shù)；

x1—兩物體要接觸的初始距離；

x—兩物體碰撞過程中的實(shí)際距離；

e—?jiǎng)傂粤χ笖?shù)；

C—阻尼系數(shù)；

STEP—階躍函數(shù)，可參考ADAMS用戶手冊(cè)

d—阻尼率達(dá)到最大所經(jīng)過的距離。

根據(jù)接觸的兩構(gòu)件的材料特性［6］，確定接觸力相關(guān)參數(shù)如下：

①剛度系數(shù)（Stiffness）：2855/（N/mm），用于計(jì)算接觸力法向作用力的材料剛度；

②指數(shù)（Force Exponent）：2，反映材料非線性程度；

③阻尼系數(shù)（Damping）：0.57/（（N·s）/mm），反映出接觸能量的損失；

④滲透系數(shù)（Penetration Depth）：0.1mm，反映最大阻尼時(shí)的侵入深度。

3.3新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)參數(shù)分析

對(duì)于新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)而言，其接觸力是由螺母帶輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿的上下移動(dòng)，從而改變彈簧的拉力或壓力而產(chǎn)生的。相同輸入激勵(lì)下的磨削機(jī)構(gòu)，在彈簧剛度系數(shù)的不同時(shí)，會(huì)使螺母帶輪在相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角位移不同，從而引起接觸力最大振動(dòng)幅值的變化；同時(shí)，彈簧阻尼系數(shù)與導(dǎo)桿阻尼系數(shù)會(huì)影響接觸力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間［7］。由于新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性能主要通過接觸力穩(wěn)定時(shí)間與接觸力最大振動(dòng)幅值來進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，這三個(gè)參數(shù)的取值對(duì)于新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性而言十分重要。

在ADAMS中，需將接觸力穩(wěn)定時(shí)間與接觸力最大振動(dòng)幅值設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)才能進(jìn)行優(yōu)化，而實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的設(shè)定十分困難。因此，需采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)彈簧剛度系數(shù)、彈簧阻尼系數(shù)與導(dǎo)桿阻尼系數(shù)三個(gè)參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)新型浮動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)定彈簧阻尼系數(shù)取值范圍為0.1（N·s）/mm～10（N·s）/mm、彈簧剛度系數(shù)取5 N/mm～15 N/mm、導(dǎo)軌阻尼系數(shù)取值范圍為0.1（N·s）/mm～10（N·s）/mm。選用的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為0 r/min～3000 r/min，航發(fā)精鍛葉片進(jìn)排氣邊緣曲面加工的接觸力通常為5N～15N［8］，建立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平見表2。

表2　實(shí)驗(yàn)因素水平表

對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)因素及水平，若進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)需113次實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)次數(shù)過多、實(shí)驗(yàn)周期過長(zhǎng)。針對(duì)這種情況，采用均勻設(shè)計(jì)法能通過較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［9］。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)表（114）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排，如表3所示。

表3　實(shí)驗(yàn)安排

4　仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

航發(fā)精鍛葉片進(jìn)排氣邊緣在加工過程中對(duì)于接觸力的控制調(diào)整十分頻繁，接觸力的變化小到0.5N～2N，大到5N～10N。為使砂帶磨削機(jī)構(gòu)在接觸力的各種變化下都具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，需對(duì)不同的輸入激勵(lì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，砂帶磨削系統(tǒng)對(duì)彈簧的輸入激勵(lì)為：

式中，φ為螺母帶輪角位移（rad）；P為螺母絲桿的螺距（mm），根據(jù)磨削機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)取P=2mm；K為彈簧剛度系數(shù)。

現(xiàn)將輸入激勵(lì)分為2N、6N、12N三個(gè)水平，對(duì)螺母帶輪與絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)約束（Revolute Joint）添加驅(qū)動(dòng)（Motion），分別建立STEP函數(shù)：

2N：STEP（time，0，0d，0.01，-360d/K）；

6N：STEP（time，0，0d，0.03，-360*3d/K）；

12N：STEP（time，0，0d，0.05，-360*6d/K）。

進(jìn)入仿真界面，設(shè)置仿真參數(shù)：仿真時(shí)間為0.5s，輸出結(jié)果500次。對(duì)不同的輸入激勵(lì)分別按照表3進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。每組參數(shù)值的仿真實(shí)驗(yàn)完成后，進(jìn)入PostProcessor界面中，測(cè)量出接觸力曲線，將相同輸入激勵(lì)下的各組仿真實(shí)驗(yàn)的接觸力曲線輸出到同一圖表中進(jìn)行對(duì)比，如圖5～圖7所示。

圖5　輸入激勵(lì)為2N的接觸力曲線

圖6　輸入激勵(lì)為6N的接觸力曲線

圖7　輸入激勵(lì)為12N的接觸力曲線

在PostProcessor界面中，通過工具欄的曲線跟蹤（Plot tracking）功能，可以對(duì)每一組仿真實(shí)驗(yàn)的接觸力曲線的相關(guān)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。使用此功能可獲得各組仿真實(shí)驗(yàn)的接觸壓力最大振動(dòng)幅值、穩(wěn)定時(shí)接觸力值以及穩(wěn)態(tài)偏差為±0.05N時(shí)的接觸力穩(wěn)定時(shí)間。

為方便對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)因素水平以及不同輸入激勵(lì)下的接觸力穩(wěn)定時(shí)間、接觸力最大振動(dòng)幅值與穩(wěn)定時(shí)接觸力值，對(duì)上述獲得的各值輸入圖8～圖10所示圖表中進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)圖8～圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，當(dāng)彈簧剛度系數(shù)為 13N/mm、彈簧阻尼系數(shù)為 2（N·s）/mm、導(dǎo)軌阻尼系數(shù)為2（N·s）/mm（實(shí)驗(yàn)序號(hào)9）時(shí)，浮動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)在各接觸力激勵(lì)水平下的接觸力穩(wěn)定時(shí)間均較短，分別為0.016s、0.094s、0.09s；且接觸力最大振動(dòng)幅值均較小，分別為1.71N、29.19N、57.94N；穩(wěn)定時(shí)接觸力分別為1.12N、4.77N、10.48N。

根據(jù)優(yōu)化后的彈簧剛度系數(shù)、彈簧阻尼系數(shù)與導(dǎo)桿阻尼系數(shù)，對(duì)螺母帶輪添加新的驅(qū)動(dòng)，建立STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)，具體函數(shù)值為：STEP（time，0，0d，0.03，-360* 3d/13）+STEP（time，0.2，0d，0.23，-360*3d/13）+ STEP（time，0.4，0d，0.45，-360*6d/13）。進(jìn)入仿真界面，設(shè)置仿真參數(shù)：仿真時(shí)間為0.6s，輸出結(jié)果500次。進(jìn)行仿真，進(jìn)入PostProcessor界面中，測(cè)出磨削機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相關(guān)曲線，如圖11所示。

圖8　接觸力穩(wěn)定時(shí)間對(duì)比

圖9　接觸力最大振動(dòng)幅值對(duì)比

圖10　穩(wěn)定時(shí)接觸力對(duì)比

圖11　接觸力仿真曲線

由圖11知，接觸力的變化趨勢(shì)與螺母帶輪角位移、彈簧變形量相一致，與實(shí)際相符。對(duì)優(yōu)化后的新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)的接觸力進(jìn)行多次調(diào)整，其輸出的接觸力均能在0.1s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，接觸力控制精度為±0.05N，且接觸力最大振動(dòng)幅值均較小。優(yōu)化后的新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)具有較好的接觸力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及較高的接觸力控制精度，滿足航發(fā)精鍛葉片邊緣磨削加工的要求。

5　結(jié)論

本磨削機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)、螺母絲桿與彈簧的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)航發(fā)精鍛葉片邊緣的浮動(dòng)磨削加工，具有快速的輸入激勵(lì)響應(yīng)。通過ADAMS仿真分析與均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)該機(jī)構(gòu)的彈簧剛度系數(shù)、彈簧阻尼系數(shù)與導(dǎo)桿阻尼系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的磨削機(jī)構(gòu)的接觸力能在0.1s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，接觸［參考文獻(xiàn)］

力控制精度達(dá)到±0.05N，且接觸力最大振動(dòng)幅值較小，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及較高的接觸力控制精度，能夠滿足航發(fā)精鍛葉片邊緣磨削加工的要求。

［1］張?jiān)?航發(fā)葉片七軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨削加工方法及自動(dòng)編程關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

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（編輯 趙蓉）

Optimization Design of Aeroengine Precise Forging Blade Edge Belt Grinding Mechanism Based on ADAMS

ZHAN Fei，ZHANG Ming-de，ZHANG Wei-qing，XU Hao-chi
（School of Mechanical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

To achieve the floating and grinding of the blade edge of Aeroengine precision forging，a new belt grinding mechanism which mainly consists of servomotor，screw-nut pair and the spring structure is designed.Based on software platform of Adams，the contact pressure curve through simulating of the new belt grinding mechanism is obtained.According to the contact pressure curve，using uniform experimental design，optimizing the coefficient of spring stiffness，spring damping，guide rod damping，reduced the stable time of contacting pressure to 0.1 seconds after optimized new belt grinding mechanism，and the maximum vibration amplitude of the contact pressure is small than others，it proved that the design of the new belt grinding mechanism has good dynamic response characteristics of contact pressure.

blade edge；belt grinding；ADAMS；motion simulation

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）02-0017-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.005

2014-11-04；

2014-12-09

“高檔數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備“國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2014ZX04001031）；重慶市應(yīng)用技術(shù)研究項(xiàng)目（cstc2012gg-yyjs70006）

詹飛（1987—），男，四川廣安人，重慶理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜曲面零部件智能化制造與檢測(cè)，（E-mail）272028996@qq. com；通訊作者：張明德（1975—），男，四川蒼溪人，重慶理工大學(xué)副教授，研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜曲面零件智能化制造及檢測(cè)，（E-mail）zmd @cqut.edu.cn。