吳志正，張玉華，萬(wàn)禮揚(yáng)，翁劍，莊可佳

1. 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖北武漢 430070

2. 中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

吳志正

1 序言

榫槽在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中用于連接各個(gè)部件，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。榫槽的質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性、安全性和壽命有著顯著的影響。榫槽一般由拉刀（見圖1）進(jìn)行加工，拉刀經(jīng)過(guò)微刃磨削后，切削刃刃口鈍圓半徑減小，使得切削刃變得尖銳，并且由于砂輪磨粒和刀具材料本身的不均勻性，刀具刃口處還會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的微觀缺陷。

圖1 榫槽拉刀

拉刀的刃口表面質(zhì)量控制是保證榫槽廓形精度的關(guān)鍵手段。大量經(jīng)驗(yàn)表明，刀具刃口過(guò)于尖銳會(huì)使其剛度降低，加工過(guò)程中容易發(fā)生崩缺，造成刀具報(bào)廢。而微觀缺陷不僅會(huì)影響刀具切削性能，加速刀具在切削過(guò)程中的磨損，還會(huì)直接影響工件的表面質(zhì)量。

為了保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)榫槽的質(zhì)量，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用榫槽拉刀選用合適的刃口處理方法是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前常使用鈍化處理對(duì)刀具刃口進(jìn)行強(qiáng)化，鈍化處理是指對(duì)尖銳鋒利的刀具進(jìn)行加工，使其切削刃的刃口獲得一定半徑的圓角，消除刀具刃口的毛刺、劃痕等微觀缺陷，可以有效提高刀具表面質(zhì)量、刀具刃口強(qiáng)度以及刀具工作壽命，同時(shí)還能使得加工過(guò)程變得更加平穩(wěn)。目前常用的鈍化方法有磁力研磨處理方法、磨粒水射流處理方法、噴砂處理方法和電化學(xué)處理方法等[1-3]。

鈍化處理除了能夠?qū)⒌毒呷锌谟射J刃鈍化為圓弧形的刃口外，還能夠進(jìn)一步改變刀具鈍圓刃口的形狀，DENKENA等學(xué)者[4]提出了一種用前刀面鈍化值Sγ和后刀面鈍化值Sα的比值來(lái)描述刀具刃口形狀的表示方式，用形狀因子K表示，K＝Sγ/Sα。不同的刃口形狀和尺寸對(duì)應(yīng)不同的切削材料和切削工況，刃口尺寸和形狀的選擇對(duì)刀片性能的影響十分關(guān)鍵[5，6]。鈍化處理可改變刀具刃口形狀使得刀具能夠適用于不同的工況。

本文使用彈性噴砂對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用榫槽拉刀進(jìn)行鈍化處理，彈性噴砂屬于噴砂中的一種方法，利用彈性磨料隨著高速氣流沖刷刀具刃口，去除較為尖銳的刃口材料，將刀具切削刃的刃口鈍化為鈍圓形，實(shí)現(xiàn)對(duì)刃口的鈍化處理從而提高刀具壽命和加工性能。

作為一種新型刀具刃口鈍化技術(shù)，目前針對(duì)彈性噴砂對(duì)刀具刃口鈍化效果的影響規(guī)律還尚未明了，研究該方法對(duì)于刀具的刃口鈍化處理具有重要意義。

2 鈍化處理與彈性噴砂

噴砂是一種常用的鈍化處理方式，噴砂利用壓縮氣體加速磨料顆粒，通過(guò)產(chǎn)生的高速磨料束來(lái)沖擊待加工表面并去除材料，以此來(lái)加工刀具刃口及表面。磨料的沖擊和切削作用能使工件表面質(zhì)量得到改善。

按照磨料介質(zhì)的不同，噴砂可被分為干噴砂和濕噴砂，干噴砂以空氣作為介質(zhì)，濕噴砂以液體作為介質(zhì)。彈性噴砂屬于干噴砂中的一種，傳統(tǒng)的干噴砂工藝一般采用碳化硅或白剛玉顆粒等硬質(zhì)材料作為磨料，彈性噴砂作為一種新型的干噴砂方法，采用彈性磨料對(duì)工件進(jìn)行處理。

2.1 彈性磨料制備

彈性磨料制備流程如圖2所示，彈性磨料上是由特定工藝制成的多元素聚合物微粒，其制備過(guò)程主要可分為以下步驟。

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圖2 彈性磨料制備流程

1）將聚氨酯、硅橡膠、碳化硅和偶聯(lián)劑在攪拌器的作用下均勻混合，然后加入固化劑，形成粘膠混合物。

2）將粘膠混合物放入高溫容器中加熱一段時(shí)間。

3）在加熱后的粘膠混合物中加入纖維并進(jìn)行攪拌，使纖維均勻混合在粘膠混合物中。

4）將粘膠混合物倒入增壓容器后進(jìn)行烘烤和固化，獲得彈性磨料的基底顆粒。

5）將彈性磨料的基底顆粒通入高壓噴槍的磨料管道，將一定比例的金剛石微粉通入噴槍的空氣管道，在高壓氣流的作用下，金剛石微粉被固定在彈性磨料基底顆粒上，最終在噴嘴處得到彈性磨料。

2.2 彈性噴砂特點(diǎn)

通過(guò)上述工藝生產(chǎn)出的彈性磨料顆粒近似球形，沒(méi)有尖銳的邊緣，這與主要依靠尖銳邊緣去除材料的硬質(zhì)磨料截然不同。單個(gè)彈性磨料顆粒的平均尺寸約為1mm。圖3a為使用Zeiss Sigma 500電子掃描顯微鏡在100倍放大倍數(shù)下觀察到的單個(gè)彈性磨料顆粒，當(dāng)放大到2000倍觀察時(shí)，可以在彈性磨料顆粒表面觀察到金剛石顆粒，這是彈性磨料能夠去除工件材料的原因。

圖3 彈性磨料顯微電子掃描圖像

與傳統(tǒng)的硬質(zhì)噴砂方法相比，采用彈性磨料的彈性噴砂具有諸多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)彈性磨料沖擊工件表面時(shí)，金剛石顆粒首先接觸到工件表面并對(duì)工件表面進(jìn)行切削直至彈性磨料顆粒完全撞擊至工件表面；當(dāng)彈性磨料顆粒完全撞擊至工件表面后，由于彈性磨料基底顆粒的彈性，彈性磨料會(huì)迅速?gòu)墓ぜ砻娣磸楅_，不會(huì)對(duì)工件表面長(zhǎng)時(shí)間切削，從而不會(huì)損傷工件表面，降低了對(duì)工件本身精度的影響。并且由于彈性噴砂的材料去除率低，所以在彈性噴砂過(guò)程中工件的表面溫度接近室溫，降低了溫度對(duì)于鈍化效果的影響。

彈性磨料接觸到工件表面的每一粒金剛石顆粒都相當(dāng)于一個(gè)切削刃，而硬質(zhì)磨料只有接觸到工件表面的尖銳處才能對(duì)工件進(jìn)行切削，與硬質(zhì)噴砂相比，彈性噴砂加工后的工件表面粗糙度值更低且更加均勻。

當(dāng)磨料沖擊在工件表面時(shí)，常用的硬質(zhì)磨料易發(fā)生碎裂，在投入使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后其加工效果會(huì)嚴(yán)重減弱。而彈性磨料由于具有彈性，不易碎裂，因此對(duì)工件表面的加工效果幾乎不隨時(shí)間變化。

3 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證彈性噴砂對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用榫槽拉刀的加工效果，需要對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用榫槽拉刀進(jìn)行噴砂試驗(yàn)。拉刀具有多個(gè)切削齒，在本試驗(yàn)中，每組試驗(yàn)對(duì)拉刀的單個(gè)齒進(jìn)行彈性噴砂處理，每組試驗(yàn)采用不同的噴砂參數(shù)。

鈍化處理加工效果的影響因素主要有噴砂壓強(qiáng)、噴砂時(shí)間、噴砂距離和噴砂角度等，其中噴砂壓強(qiáng)、噴砂時(shí)間對(duì)鈍化加工后刀具刃口鈍圓半徑的影響尤為明顯。為了驗(yàn)證彈性噴砂對(duì)拉刀切削刃的刃口鈍圓半徑以及表面粗糙度的鈍化效果，本文以噴砂壓強(qiáng)與噴砂時(shí)間作為變量進(jìn)行噴砂試驗(yàn)。其中噴砂壓強(qiáng)設(shè)置4個(gè)數(shù)值，分別為230kPa、280kPa、330kPa和380kPa，每種噴砂壓強(qiáng)設(shè)置3種噴砂時(shí)間，分別為10s、20s和30s，共12組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)保持噴砂角度與噴砂距離固定，設(shè)置噴砂角度為0°，即噴槍口對(duì)準(zhǔn)每組試驗(yàn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的切削齒刃口，使噴砂方向與切削齒前刀面和后刀面的中軸線重合，控制噴槍口與拉刀切削刃之間的距離為30mm。試驗(yàn)后使用Alicona InfiniteFocus三維表面測(cè)量?jī)x（見圖4）觀測(cè)各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)刀齒的刃口鈍圓半徑以及表面粗糙度。具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。

圖4 Alicona InfiniteFocus三維表面測(cè)量?jī)x

表1 彈性噴砂鈍化試驗(yàn)參數(shù)

為研究噴砂角度對(duì)拉刀刃口形狀的影響規(guī)律，另外設(shè)置3組試驗(yàn)，如圖5所示。控制各組試驗(yàn)的噴砂壓強(qiáng)、噴砂時(shí)間和噴砂距離相同，在噴砂角度分別為0°、-18°和18°時(shí)對(duì)拉刀的切削刃進(jìn)行彈性噴砂，試驗(yàn)后使用Alicona InfiniteFocus三維表面測(cè)量?jī)x觀測(cè)拉刀刃口形狀。

圖5 彈性噴砂拉刀刃口試驗(yàn)示意

本試驗(yàn)在自主研發(fā)的基于彈性噴砂原理設(shè)計(jì)的智能彈性噴砂設(shè)備（見圖6）中進(jìn)行。該設(shè)備采用六自由度機(jī)器人手臂控制噴槍位置，基于機(jī)械臂優(yōu)秀的精度與靈活性，固定在機(jī)械臂上的噴嘴可以迅速而精確地加工刀具。噴砂壓強(qiáng)與噴砂時(shí)間可在設(shè)備操作面板上設(shè)置，設(shè)備內(nèi)部安放有用于放置工件的工作臺(tái)。在試驗(yàn)過(guò)程中，將拉刀放置于智能彈性噴砂設(shè)備中的工作臺(tái)上，將噴槍口對(duì)準(zhǔn)待噴砂處理的切削齒，并控制機(jī)械臂操縱噴槍沿著切削齒的切削刃來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)使切削刃被均勻加工，同時(shí)在加工時(shí)遮擋住拉刀上其余的切削齒以避免二次噴砂造成干擾。

圖6 智能彈性噴砂設(shè)備

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 彈性噴砂對(duì)刃口鈍圓半徑的影響

經(jīng)過(guò)彈性噴砂處理后，由Alicona InfiniteFocus三維表面測(cè)量?jī)x測(cè)得原始刃口鈍圓半徑為8.602μm，各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)切削刃的刃口半徑結(jié)果如圖7所示。

圖7 刃口鈍圓半徑試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，經(jīng)過(guò)噴砂處理后，各組切削刃的刃口鈍圓半徑相較于原始刃口鈍圓半徑均有提升，且相同噴砂時(shí)間內(nèi)，噴砂壓強(qiáng)越大，刃口鈍圓半徑越大；相同噴砂壓強(qiáng)下，噴砂時(shí)間越長(zhǎng)，刃口鈍圓半徑越大。

從微觀層面分析，這是由于噴砂壓強(qiáng)越大，每顆彈性磨料所攜帶的動(dòng)能就越大，沖擊在拉刀切削刃表面上時(shí)彈性磨料表面金剛石顆粒切削的材料越多，同時(shí)沖擊在切削刃表面所造成的塑性變形也更明顯，使得相同噴砂時(shí)間內(nèi)，噴砂壓強(qiáng)越大，刃口鈍圓半徑越大；噴砂時(shí)間越長(zhǎng)，單次加工過(guò)程中沖擊在拉刀切削刃上的彈性磨料顆粒就越多，彈性磨料顆粒在拉刀切削刃上切削掉的材料越多，同時(shí)沖擊在切削刃表面的彈性磨料顆粒數(shù)量越多，所造成的塑性變形也更明顯，使得相同噴砂壓強(qiáng)下，噴砂時(shí)間越長(zhǎng)，刃口鈍圓半徑越大。

4.2 彈性噴砂對(duì)刃口表面粗糙度的影響

對(duì)比電子顯微鏡拍攝出的經(jīng)彈性噴砂處理前后的拉刀刃口處的表面形貌（見圖8）可以看出，經(jīng)彈性噴砂處理后拉刀表面的平整度大幅提高。由Alicona InfiniteFocus三維表面測(cè)量?jī)x測(cè)得的表面粗糙度值數(shù)據(jù)如圖9所示。圖9中彈性噴砂處理前拉刀刃口表面粗糙度值Ra為0.416μm，經(jīng)彈性噴砂處理后，最低降至了0.119μm。由試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著噴砂壓強(qiáng)與噴砂時(shí)間的增大，拉刀切削齒刃口的表面粗糙度值整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

圖8 彈性噴砂前后拉刀表面形貌對(duì)比

圖9 表面粗糙度值試驗(yàn)結(jié)果

4.3 彈性噴砂對(duì)刃口形狀的影響

圖10是由Alicona InfiniteFocus三維表面測(cè)量?jī)x觀測(cè)到的不同噴砂角度下彈性噴砂后的拉刀刃口形貌，結(jié)合表2中的拉刀形狀因子數(shù)據(jù)可知，經(jīng)不同噴砂角度加工后的拉刀切削刃刃口形狀也有所不同。噴砂角度為0°時(shí)，前、后刀面鈍化值基本一致，刃口的形狀因子K＝1.016，刃口為均勻的圓弧形刃口；噴砂角度為-18°時(shí)，前刀面鈍化值Sγ比后刀面鈍化值Sα小，刃口形狀因子K＝0.745，刃口形狀偏向后刀面的瀑布型刃口；噴砂角度為18°時(shí)，前刀面鈍化值Sγ比后刀面鈍化值Sα大，刃口形狀因子K＝1.345，刃口形狀偏向前刀面的瀑布型刃口。

圖10 不同噴砂角度下拉刀刃口形貌

表2 不同噴砂角度下拉刀形狀因子

結(jié)合彈性噴砂原理可知，當(dāng)噴砂角度為0°時(shí)，噴砂射流方向與切削齒的前刀面和后刀面的中軸線重合，此時(shí)彈性磨料均勻沖擊前刀面與后刀面，使得彈性噴砂加工后的拉刀切削齒刃口的前刀面鈍化值Sγ和后刀面鈍化值Sα基本一致，刃口形狀為均勻的圓弧形刃口。

當(dāng)噴砂角度為-18°時(shí)，噴砂射流方向相對(duì)于切削齒的前刀面和后刀面的中軸線沿后刀面方向偏轉(zhuǎn)了18°，此時(shí)彈性磨料主要沖擊后刀面，后刀面被去除的材料較多，使得彈性噴砂加工后的拉刀切削齒刃口的前刀面鈍化值Sγ比后刀面鈍化值Sα小，刃口形狀因子K＜1，刃口形狀為偏向后刀面的瀑布型刃口。

當(dāng)噴砂角度為18°時(shí)，噴砂射流方向相對(duì)于切削齒的前刀面和后刀面的中軸線沿前刀面方向偏轉(zhuǎn)了18°，此時(shí)彈性磨料主要沖擊前刀面，前刀面被去除的材料較多，使得彈性噴砂加工后的拉刀切削齒刃口的前刀面鈍化值Sγ比后刀面鈍化值Sα大，刃口形狀因子K＞1，刃口形狀為偏向前刀面的瀑布型刃口。

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及分析說(shuō)明彈性噴砂是一種有效的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用榫槽拉刀的鈍化處理方式，經(jīng)彈性噴砂后，拉刀切削刃刃口鈍圓半徑增大，能夠減少由于拉刀切削刃過(guò)于尖銳導(dǎo)致加工過(guò)程中崩刃情況的發(fā)生；當(dāng)采用不同的噴砂角度處理拉刀時(shí)，能夠得到不同形狀的刃口，可根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的參數(shù)加工出理想的刃口形狀。此外，彈性噴砂可改善拉刀切削刃的表面質(zhì)量，去除切削刃上及周邊的毛刺、劃痕等微觀缺陷并降低刃口的表面粗糙度值，能夠改善拉刀加工出的榫槽的質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用榫槽拉刀切削刃刃口過(guò)于尖銳以及刃口表面存在微觀缺陷等問(wèn)題，使用彈性噴砂技術(shù)對(duì)拉刀進(jìn)行了一系列的鈍化處理試驗(yàn)，檢測(cè)了彈性噴砂處理后各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)切削齒的刃口鈍圓半徑、表面形貌以及表面粗糙度，并且觀測(cè)了各組切削齒刃口的刃口形狀。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得到以下結(jié)論，證明了彈性噴砂能夠有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)用榫槽拉刀的表面質(zhì)量以及切削性能。

1）彈性噴砂能夠有效鈍化航空發(fā)動(dòng)機(jī)用榫槽拉刀，在噴砂角度和噴砂距離固定的情況下，噴砂壓強(qiáng)與噴砂時(shí)間越長(zhǎng)，彈性噴砂加工后的拉刀切削刃刃口的鈍圓半徑越大。

2）在噴砂壓強(qiáng)、噴砂時(shí)間和噴砂距離不變的情況下，通過(guò)調(diào)整噴砂角度能改變拉刀切削刃刃口的形狀。

3）經(jīng)彈性噴砂處理后，拉刀切削齒的表面質(zhì)量有明顯的提升，能改善表面質(zhì)量和平整度。并且隨著噴砂壓強(qiáng)與噴砂時(shí)間的增大，拉刀切削齒刃口的表面粗糙度值逐漸降低。