■鄭州煤礦機械集團股份有限公司（河南 450016）吳海龍

■重慶三磨海達磨床有限公司（400021）張 美

葉片是壓氣機、航空發(fā)動機和汽輪機等動力及能源裝置的關(guān)鍵核心零件，其通常由具有一定強度的難加工材料制成，且型面屬空間自由曲面，因此加工難度大。制造出幾何精度高和表面質(zhì)量好的葉片型面對于提高各類輪機的工作效率具有重要作用。葉片薄壁型面常采用五軸聯(lián)動數(shù)控銑削加工，但銑削本身所能達到的加工精度和表面質(zhì)量與葉片最終要求還有很大差距，使得其對葉片推進效率和疲勞強度影響較大，加之葉片存在銑削加工的變形，葉片表面必須磨削或拋光加工。

應(yīng)用砂帶磨削技術(shù)對葉片型面進行精加工是當前國際上葉片精整加工的最先進技術(shù)。歐美及日本等工業(yè)發(fā)達國家已普遍采用數(shù)控葉片磨床加工葉片，如英國Cyril Adams生產(chǎn)的窄渦輪葉片砂帶磨床和Rolls-Royce生產(chǎn)的渦輪葉片寬砂帶型面砂帶磨床、德國Metabo公司的CNC控制透平葉片的六軸聯(lián)動砂帶磨床、日本三菱重工、美國羅格以及G E等公司也開發(fā)了類似砂帶磨床，使葉片整體加工效率、葉片型面幾何精度及葉片質(zhì)量得到大幅度提高。而目前國內(nèi)葉片制造企業(yè)普遍采用手工打磨方法，其加工效率極低，葉片之間一致性差，制造精度很難保證，嚴重制約了葉片的量產(chǎn)進度和質(zhì)量，進而嚴重制約了國內(nèi)發(fā)電及航發(fā)裝備制造業(yè)整體水平提升。

國內(nèi)科研機構(gòu)對葉片砂帶磨削技術(shù)進行了大量研究，其中以重慶大學、華中科技大學和吉林大學為代表，但除了重慶大學聯(lián)合重慶理工大學和重慶三磨海達磨床有限公司針對大型汽輪機葉片進行了六軸數(shù)控葉片砂帶磨床的研制并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化外，其他均限于基礎(chǔ)研究層面，尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用。

然而，與大型汽輪機葉片不同，壓氣機薄壁葉片加工時易產(chǎn)生變形，實現(xiàn)其磨削拋光則更為困難。本文以壓氣機薄壁葉片為研究對象，在大型汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨削技術(shù)基礎(chǔ)上，展開其數(shù)控磨削方法研究，并經(jīng)過大量磨削試驗，驗證其方案可行性，為壓氣機薄壁葉片的生產(chǎn)加工提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1.壓氣機葉片結(jié)構(gòu)特點和拋光工藝要求

圖1所示為某壓氣機15級動葉片，主要由葉身、榫根和櫞板三部分組成，葉身分為葉盆、葉背、進氣邊和排氣邊，其葉身型面部分為復(fù)雜空間自由曲面，各部分的曲率、扭轉(zhuǎn)變化較大，是典型的薄壁件。

圖1 葉片三維模型

該葉片總長112.5mm，最大弦寬約72mm，進排氣邊圓弧半徑為0.19～1.29mm。葉身曲面由23個截面給定，每個截面由葉盆、葉背兩條樣條曲線和進排氣邊圓弧光順拼接。良好的氣動性能要求葉片的表面光順，一般要求表面粗糙度值Ra≤0.8μm，截面間的型面應(yīng)平滑過渡，并有輪廓度的要求，輪廓度規(guī)定了進排氣邊厚度的變化速度。

從葉片的結(jié)構(gòu)不難看出，該葉片具有壁薄、型面復(fù)雜的特點，葉片在前道銑削工藝過程中，由銑刀切削力和切削表層殘余應(yīng)力作用所引起的葉片彈性變形和扭曲變形是不可避免的。在后續(xù)砂帶磨削拋光過程中，若按照銑削后的理論輪廓進行磨削拋光，由于葉片型面已產(chǎn)生銑削變形，容易產(chǎn)生欠磨和過磨現(xiàn)象，影響葉片型面精度甚至造成葉片報廢。

2.變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法的提出

葉片磨削過程中磨削接觸區(qū)砂帶磨粒的受力情況如圖2所示，分別為接觸輪與工件的接觸壓力Fp、工件施加給磨粒的法向力Fn和切向力Ft。磨削過程中，F(xiàn)p與Fn為一對關(guān)系密切的作用力，F(xiàn)n與Ft也具有一定比例關(guān)系。為實現(xiàn)葉片表面恒壓磨削，需保證接觸輪與工件接觸壓力Fp恒定，進而法向力Fn和切向力Ft應(yīng)該是相對穩(wěn)定的，考慮到葉片型面變形，如果出現(xiàn)欠磨或過磨現(xiàn)象，磨削深度ap會發(fā)生改變，切向力Ft也會發(fā)生相應(yīng)變化，從而體現(xiàn)在磨頭電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率也發(fā)生相應(yīng)變化。那么如果能控制磨頭電動機的輸出功率，進而控制接觸輪與工件的接觸壓力，就能實現(xiàn)葉片變形的恒壓自適應(yīng)磨削。

圖2 砂帶磨粒的受力情況

本文提出了如圖3所示的葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法。其控制原理為：在六軸聯(lián)動葉片數(shù)控砂帶磨床基礎(chǔ)上，在磨頭上增加接觸輪與曲面切觸主法線控制軸（N軸）和磨削功率傳感器。通過磨削功率傳感器對磨頭電機電流信號進行采集，并反饋至自適應(yīng)PID控制器，經(jīng)運算后控制主法線軸氣缸壓力輸出，從而控制接觸輪與工件的接觸壓力，實現(xiàn)對葉片型面變形的自適應(yīng)恒壓磨削。

圖3 變形自適應(yīng)恒壓磨削控制原理

3.數(shù)控砂帶磨削裝備及關(guān)鍵技術(shù)

（1）工藝裝備結(jié)構(gòu)。根據(jù)壓氣機薄壁葉片結(jié)構(gòu)特點和加工工藝要求，建立數(shù)控磨削工藝裝備結(jié)構(gòu)如圖4所示。該設(shè)備以砂帶為磨具，采用七軸六聯(lián)動形式，提供3個直線運動軸、3個回轉(zhuǎn)軸和1個主法線軸。這些運動軸包括：與磨頭垂直、沿被加工葉片長度方向的運動軸（X軸），與磨頭垂直沿被加工葉片寬帶方向的運動軸（Y軸），與磨頭平行的運動軸（Z軸），工件回轉(zhuǎn)軸（葉片旋轉(zhuǎn)）為A軸，磨頭擺動軸（磨頭傾斜）為B軸，圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的軸（磨頭扭轉(zhuǎn)）為C軸，主法線軸為N軸。葉片置于回轉(zhuǎn)工作臺的專用夾具上，隨著轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)，葉片一次裝夾可依次實現(xiàn)內(nèi)外弧面和葉片邊緣的磨削，其磨削方式可以進行橫向、縱向、干式及濕式等多種選擇。

圖4 數(shù)控砂帶磨削工藝裝備結(jié)構(gòu)

（2）葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制系統(tǒng)。如圖5所示，該系統(tǒng)由自適應(yīng)PID控制器、氣源發(fā)生裝置和磨頭電動機功率檢測組成閉環(huán)控制，其中控制器用于對被控電流信號的采集、處理運算和輸出相應(yīng)控制信號，以便對比例壓力閥進行實時控制；比例壓力閥為電-氣轉(zhuǎn)換元件，它將輸出的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫π盘柨刂茪飧讋幼?；磨削功率傳感器檢測磨頭電動機電流大小，并將檢測信號反饋至控制器。

其控制過程為：首先在主控界面上輸入期望的控制磨削壓力（代表了給定磨削深度的電流值），磨削加工過程中，與電動機電流的實測值（代表了實際磨削壓力）進行比較，再根據(jù)自適應(yīng)PID控制器進行計算，得出比例閥閥口開度值，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出到比例閥控制其閥口開度，從而控制氣缸動作，使得與氣缸活塞桿連接在一起的磨頭產(chǎn)生微小位移，進而控制磨頭與葉片的接觸壓力Fp恒定，實現(xiàn)對葉片型面變形力-位自動調(diào)節(jié)。

圖5 自適應(yīng)恒壓磨削控制系統(tǒng)框圖

（3）走刀路徑與磨削加工刀具軌跡的生成。不同葉片砂帶磨削時的走刀路徑對保證型面精度十分重要，通常采用橫向行距法或縱向行距法，如圖6所示。

圖6 兩種不同的磨削路徑

橫向行距法砂帶與葉片型面接觸面大，磨削效率高，但存在兩個問題：一是容易產(chǎn)生沿葉片長度方向的波紋，加工精度不高；二是難以較好地解決氣道邊緣的加工?？v向行距法砂帶與葉片接觸面小，加工精度高，適合于有很薄的氣道邊緣的葉片加工，但加工效率低一些。針對壓氣機薄壁葉片表面質(zhì)量和加工精度要求高的特點，本試驗采用縱向行距法。

葉片砂帶磨削加工刀具軌跡的生成是數(shù)控編程中最關(guān)鍵的部分，加工運動軌跡的生成能力直接決定葉片加工程序的質(zhì)量。磨削加工刀具軌跡的生成過程如圖7所示。首先，用PROE/UG設(shè)計軟件對壓氣機葉片進行造型設(shè)計；然后，通過InterOp接口，將葉片模型的STEP/IGES格式文件轉(zhuǎn)換為SAT格式文件，并導入ACIS中；在ACIS中對葉片模型進行曲面描述，按導動規(guī)則約束生成切觸點曲線，再由切觸點曲線按砂帶磨頭刀具偏置計算方法生成刀具軌跡曲線。

圖7 磨削加工刀具軌跡生成過程

4.葉片數(shù)控砂帶磨削試驗及結(jié)果

對圖1所示壓氣機15級動葉片進行磨削試驗，依次對其內(nèi)弧、背弧和進排氣邊緣進行磨削，其磨削過程現(xiàn)場如圖8所示，砂帶磨削工藝參數(shù)如附表所示。

圖8 葉片砂帶磨削試驗

葉片磨削試驗工藝參數(shù)表

圖9 磨削后葉片表面

磨削后的葉片表面如圖9所示。葉片經(jīng)過多軸聯(lián)動砂帶磨削后，需對其幾何形狀和尺寸進行檢測。利用三坐標測量儀對磨后葉片進行截面輪廓型線誤差檢測，經(jīng)掃描和軟件數(shù)據(jù)處理得出測試結(jié)果如圖10所示，完全符合型面±0.12mm、邊緣±0.06mm的技術(shù)要求。利用粗糙度儀對葉片表面粗糙度值進行測量，Ra=0.24～0.30μm，遠優(yōu)于葉片加工表面粗糙度技術(shù)指標要求。在提高葉片型面尺寸精度及降低表面粗糙度值的同時，磨削效率較人工打磨方法顯著提高，勞動強度大大降低。磨削試驗結(jié)果表明葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法是合理可行的。

5.結(jié)語

圖10 磨后葉片型面輪廓檢測結(jié)果

（1）本文提出了壓氣機薄壁葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法，建立了七軸六聯(lián)動數(shù)控砂帶磨削裝備，對葉片變形自適應(yīng)磨削控制系統(tǒng)進行設(shè)計，使整個磨頭系統(tǒng)的壓力恒定，實現(xiàn)了磨削對葉片型面變形的力-位自動調(diào)節(jié)。

（2）對壓氣機葉片磨削加工刀具軌跡的生成和計算方法進行了研究，并對磨削走刀路徑進行了優(yōu)化選擇。經(jīng)過磨削試驗，驗證了葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法的合理性，得到較高的葉片表面質(zhì)量及型面尺寸精度，同時加工效率顯著提高。

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專家點評

文章寫得較嚴謹、規(guī)范，體現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)和砂帶磨削技術(shù)組合使用的新工藝。文章中的圖較清晰地體現(xiàn)了這種新工藝的具體操作使用情況。該方法可以代替人工砂輪打磨，降低工人的勞動強度，保證較好的表面質(zhì)量。該研究用的是專用的砂帶磨床，也可以設(shè)計為單獨的機床附件，可以提高機床的利用率。