楊印權(quán)，張亞雙，梁巧云

（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的表面質(zhì)量是評(píng)價(jià)產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，一些復(fù)雜型面航空零件的邊緣倒圓、機(jī)加葉片零件表面的殘留刀紋去除仍未完全擺脫手工拋光方式，除了耗費(fèi)大量的人力資源，也易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能與壽命。滾磨光整技術(shù)能有效地提高零件表面質(zhì)量等級(jí)，清除毛刺、刀痕等表面缺陷，還能使零件金屬表層產(chǎn)生微弱的塑性變形，改善表面殘余應(yīng)力狀況。當(dāng)前在一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造中應(yīng)用滾磨光整技術(shù)，已取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。本文對(duì)滾磨光整這項(xiàng)新工藝技術(shù)進(jìn)行了介紹，并研究了滾磨光整技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中的應(yīng)用。

1 滾磨光整加工的基本類(lèi)型及特點(diǎn)

滾磨光整加工是將工件、磨塊和磨劑按一定混合比裝入滾筒中，當(dāng)滾筒運(yùn)動(dòng)時(shí)，在工件和磨塊間產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力和強(qiáng)制流動(dòng)力，迫使磨塊對(duì)工件產(chǎn)生碰撞、滾壓、滑擦和刻劃，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的光整加工。

1.1 滾磨光整加工的類(lèi)型

根據(jù)滾筒的運(yùn)動(dòng)方式，滾磨光整加工可分為以下幾種形式[1]：

（1）回轉(zhuǎn)式滾磨：滾筒作單一的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速n必須小于某固定值，否則工件與磨料將緊貼在滾筒周壁，相互間不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)表面的光整加工。因此，這種加工方法效率低、質(zhì)量差，現(xiàn)已逐漸被其他方法所取代。

（2）振動(dòng)式滾磨：滾筒作三維的空間振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，工件和磨料在圓環(huán)形容器中沿螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)，形成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。這種加工方法對(duì)細(xì)化表面質(zhì)量較好，對(duì)表面物理機(jī)械性能的改善不大，不適用于較大較長(zhǎng)的工件。

（3）離心式滾磨：滾筒既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)作行星運(yùn)動(dòng)。這種加工方法可以獲得較高的加工質(zhì)量和加工效率。

（4）主軸回轉(zhuǎn)滾磨：滾筒作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，夾持工件的主軸作逆向回轉(zhuǎn)。這種加工方法工件有固定的位置，當(dāng)滾筒與主軸選擇合適的相對(duì)轉(zhuǎn)速時(shí)，便可以獲得較好的加工質(zhì)量和較好的加工效率。

（5）旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式滾磨：滾筒兼具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與空間振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式。磨料運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，更易加工一些復(fù)雜型面的大型工件。

1.2 滾磨光整的功能特點(diǎn)及適用范圍

滾磨光整主要有以下特點(diǎn)[2]：

（1）操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，環(huán)境污染小；

（2）可實(shí)現(xiàn)鑄鍛件的去飛邊、去氧化層和表面清潔處理，也可用于切削加工后零件去毛刺、棱邊倒圓和細(xì)化表面，降低表面粗糙度值；

（3） 可適度改善表面應(yīng)力分布狀態(tài)；

（4）對(duì)于內(nèi)孔、溝槽及凹陷表面的光整加工相對(duì)較難，對(duì)易變形、易磕碰零件需在光整過(guò)程中作防護(hù)處理。

2 滾磨光整加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品制造中的應(yīng)用研究

2.1 離心式滾磨光整加工用于小型工件的尖邊倒圓

搖臂是發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)葉片操縱系統(tǒng)中的傳動(dòng)件，材料為T(mén)C4，體積小。傳統(tǒng)工藝采用手工打磨方式進(jìn)行尖邊倒圓，倒圓質(zhì)量差，打磨痕跡明顯，嚴(yán)重的在放大鏡下可看出有溝槽存在，影響搖臂在工作中的傳動(dòng)平穩(wěn)性。研究中利用離心式滾磨光整設(shè)備（BJG-LL05型光整設(shè)備），使零件在滾筒中自由擺放，選擇合適的磨料與磨液完成滾磨光整，并從表面形貌、表面粗糙度和疲勞壽命方面進(jìn)行了對(duì)比。

（1）表面形貌測(cè)試對(duì)比。

搖臂板片光整前后尖邊倒圓情況用金相顯微鏡放大觀察，見(jiàn)圖1。

圖1 尖邊倒圓情況對(duì)比Fig.1 Fillet contrast

未經(jīng)過(guò)光整加工的零件表面存在手工打磨痕跡，銳邊有些鋒利，槽內(nèi)有凸起點(diǎn)、毛刺等，經(jīng)滾磨光整加工后槽內(nèi)凸起點(diǎn)、毛刺、銳邊等均被光整至圓滑狀態(tài)，且表面紋理均勻。從圖1可看出，原工藝尖邊倒圓不均勻，打磨紋理明顯。經(jīng)滾磨光整后的搖臂零件倒圓均勻、光滑，打磨紋理明顯消除。

（2）表面粗糙度檢測(cè)對(duì)比。

用觸針式輪廓儀對(duì)滾磨光整前后的搖臂表面6個(gè)點(diǎn)的粗糙度值進(jìn)行了檢測(cè)及對(duì)比，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

試件滾磨光整后表面粗糙度Ra值平均降低0.35μm左右。

（3）疲勞壽命測(cè)試情況。

疲勞壽命是在DC-660-5電磁振動(dòng)臺(tái)上，在420MPa交變應(yīng)力載荷作用下進(jìn)行測(cè)試的，對(duì)6件搖臂的疲勞壽命測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3所示。

上述研究證明，采用新的滾磨光整加工工藝，改善了搖臂板片部位的棱邊質(zhì)量及表面粗糙度，通過(guò)疲勞壽命測(cè)試對(duì)比，滾磨光整后的試件疲勞壽命提高到原來(lái)的18倍，證明通過(guò)滾磨光整改善表面質(zhì)量、棱邊質(zhì)量等表面完整性指標(biāo)，對(duì)提高零件疲勞性能是很有效的。

圖2 離心式滾磨表面粗糙度檢測(cè)對(duì)比Fig.2 Detection contrast of surface roughness of centrifugal barrel finishing

圖3 離心式滾磨疲勞壽命對(duì)比Fig.3 Fatigue lifetime contrast of centrifugal barrel finishing

2.2 主軸回轉(zhuǎn)滾磨用于復(fù)雜型面的葉片葉身刀紋去除

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片型面復(fù)雜，經(jīng)數(shù)控銑削后留有銑加工痕跡，表面粗糙度及表面紋理無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。采用傳統(tǒng)的手工拋光方法由于受人為因素的影響，造成葉片型面幾何精度下降，不能滿足設(shè)計(jì)要求。由于壓氣機(jī)葉片型面薄，進(jìn)、排氣邊緣相當(dāng)于“尖邊”，光整過(guò)程中要注重保護(hù)葉片的幾何精度不變，尤其是保持葉片進(jìn)排氣邊緣的形狀不被破壞。研究中采用主軸回轉(zhuǎn)滾磨光整加工，綜合考慮了包括工件、夾具、設(shè)備、工藝參數(shù)、磨料及磨液、葉片進(jìn)排氣邊邊緣的保護(hù)方式等多項(xiàng)影響葉片光整質(zhì)量的因素，對(duì)葉身銑加工痕跡去除進(jìn)行了研究，并從表面形貌、表面粗糙度、棱邊質(zhì)量3個(gè)方面進(jìn)行了測(cè)試。

（1） 表面形貌。

葉片光整前表面有明顯的縱向刀紋，光整后消除了銑削刀紋，并形成了均勻的P型紋理（微觀魚(yú)鱗坑），對(duì)提高零件的耐磨性是非常有益的。

（2）表面粗糙度值測(cè)試對(duì)比。

用觸針式粗糙度儀，對(duì)滾磨光整前后的24個(gè)點(diǎn)的粗糙度值進(jìn)行了檢測(cè)及對(duì)比，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

（3）葉片型面進(jìn)排氣邊緣形狀檢測(cè)。

進(jìn)排氣邊緣形狀用葉片白光測(cè)量?jī)x檢測(cè)，某截面檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

從圖5可看出，葉片經(jīng)機(jī)械光整后完整地保留了數(shù)控銑后邊緣的形狀，葉片進(jìn)排氣邊緣圓滑轉(zhuǎn)接良好，圓滑的棱邊質(zhì)量可以降低氣流產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)，增加了葉片的抗疲勞性能。

通過(guò)表面粗糙度檢測(cè)對(duì)比可知，葉片經(jīng)滾磨光整后表面質(zhì)量提高1～2個(gè)等級(jí)；通過(guò)表面形貌測(cè)試對(duì)比可知，光整后消除了銑削刀紋，并形成了均勻的P型紋理（微觀魚(yú)鱗坑），這種表面紋理對(duì)提高零件的耐磨性是非常有益的。通過(guò)對(duì)葉片進(jìn)排氣邊緣即棱邊質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)可知，滾磨光整完整地保留了數(shù)控銑后邊緣的形狀，葉片進(jìn)排氣邊緣圓滑轉(zhuǎn)接良好。

圖4 主軸回旋滾磨表面粗糙度檢測(cè)對(duì)比Fig.4 Detection contrast of surface roughness of spindle barrel finishing

圖5 葉片進(jìn)排氣邊緣形狀對(duì)比Fig.5 Shape contrast of blade inlet and exhaust edge

圖6 光整前后表面紋理對(duì)比Fig.6 Surface texture contrast before and after finishing

圖7 表面應(yīng)力狀態(tài)測(cè)試對(duì)比Fig.7 Comparison of surface stress state detection

2.3 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式滾磨用于大型盤(pán)件的表面應(yīng)力分布狀態(tài)改善

某機(jī)篦齒盤(pán)故障率高，表面孔邊緣質(zhì)量一直不穩(wěn)定，前工序經(jīng)車(chē)加工后表面應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，為了改善表面應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)改善零件表面質(zhì)量，采用旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式滾磨光整方式對(duì)盤(pán)件進(jìn)行光整。

（1）表面形貌檢測(cè)對(duì)比。

對(duì)篦齒盤(pán)進(jìn)行光整加工，光整前后的宏觀對(duì)比可知光整后車(chē)削刀紋及毛刺等表面缺陷已去除，所有棱邊圓角光滑一致。圖6是在放大180倍的顯微鏡下觀測(cè)到的表面紋理。從圖片中可以明顯看出，在經(jīng)過(guò)滾磨光整后表面加工（拋修）痕跡明顯去除，形成均勻的加工紋理。

（2）表面殘余應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)。

對(duì)滾磨光整前后兩種狀態(tài)的5個(gè)點(diǎn)的表面應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)對(duì)比，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7所示。從圖7可知，光整后表面應(yīng)力狀態(tài)改善效果明顯，應(yīng)力由車(chē)加工的拉應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，平均壓應(yīng)力值為-458MPa。

（3）表面粗糙度檢測(cè)。

對(duì)滾磨光整前后的粗糙度值進(jìn)行了檢測(cè)及對(duì)比，光整后表面質(zhì)量平均提高一個(gè)等級(jí)。

篦齒盤(pán)經(jīng)滾磨光整后所有棱邊圓角光滑一致，目視檢查加工刀痕及毛刺等表面缺陷已去除。篦齒盤(pán)的表面殘余應(yīng)力由車(chē)加工的拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，粗糙度平均提高一個(gè)等級(jí)，改善了篦齒盤(pán)表面的完整性，提高了篦齒盤(pán)的抗疲勞性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上開(kāi)展的滾磨光整加工技術(shù)應(yīng)用研究是針對(duì)不同的典型零件特點(diǎn)及工藝要求進(jìn)行的，研究表明，滾磨光整加工不僅能有效地提高零件表面質(zhì)量等級(jí)，清除毛刺、加工刀痕等表面缺陷，改善表面形貌及棱邊質(zhì)量，而且可以改善表面殘余應(yīng)力狀態(tài)，使零件表面形成均勻的壓應(yīng)力狀態(tài)，以上技術(shù)指標(biāo)的改善對(duì)提高零件的表面完整性，進(jìn)而提高零件的抗疲勞性能具有明顯的效果。因此，滾磨光整加工技術(shù)是一項(xiàng)值得推廣和應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝。

[1]楊勝?gòu)?qiáng),李文輝,陳紅玲,等. 表面光整加工理論與新技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社， 2011.

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[2]LI W H, YANG S C, YANG S Q, et al. Process characteristics research on horizontal spindle barrel finishing[J]. Advanced Materials Research, 2008, 53-54:15-19.