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数控砂带抛光在中小航发叶片上的工程应用研究

热度0票浏览64次时间：2021年11月15日 10:10

　（湖南省株洲市中国航发南方工业有限公司，412002）

摘要：针对中小航空发动机中小叶片的自动抛光难题，采用不同规格型号的砂带，在数控砂带磨床上对某型叶片开展了数控砂带抛光工艺方法、参数及表面完整性的相关研究，验证了数控砂带抛光在中小叶片叶身、前后缘等部位实现自动抛光的可行性及有效性。

　　关键词：中小叶片；叶身型面；数控砂带；自动抛光；表面完整性1 概述我公司生产的叶片主要以中小叶片为主，叶片大部分分布在 24～138mm 长度以内，叶片型面轮廓度在 0.08～0.14 之间。叶片型面加工目前主要采用的是“数控铣削+手工抛光”的工艺路线。随着产量的增加，任务量也越来越重，目前抛光工作量已经成为制约叶片生产交付的瓶颈。

　　手工抛光质量不稳定、存在过抛或欠抛等现象，所加工的叶片精度及一致性不高，不能满足现代高性能航空发动机叶片的加工要求。

　　且叶片抛光技能人员的培养时间长，一般需要 1 年以上，成熟操作人员需要 3～5 年的时间，因此迫切需要采用机械化抛光方法来代替手工抛光。

　　数控砂带抛光是通过一种带反馈的压力可调的浮动砂带磨削装置，通过对接触压力的精确控制，实现叶片边缘非均匀余量状态下的当量磨削。

　　2 工艺分析及工艺验证

　　某型发动机压气机工作叶片属于典型的燕尾型榫头转子叶片，大小约为：70mm×45mm（长×宽），材料为马氏体不锈钢。叶根及前后缘处叶型曲率变化大、尺寸小（前、后缘最小半径约为 0.2），结构复杂，是砂带抛光的难点区域。另外，该叶片的设计要求、技术条件和验收标准较高。

　　2.1 工艺难点分析

　　该叶片主要的抛光难点还主要体现在如下几条：

　　1）叶根转接半径小、曲率变化大，砂带的可达性差，容易出现欠抛；2）前、后缘半径小、精度要求高，且边缘精度对砂带抛光来说保证难度大，容易出现欠抛或过抛；3）砂带抛光存在砂带变形、接触轮变形、工件变形等多重变形，需要合理的安排抛光轨迹及选取合适的抛光参数。

　　2.2 工艺验证

　　本次选取了60片某型发动机压气机工作叶片开展了数控砂带自动抛光工艺试验。

　　2.2.1 数控砂带抛光技术要求

　　1）叶型截面轮廓度符合设计图纸要求；

　　2）表面粗糙度 Ra0.8；

　　3）表面无波纹；

　　4）零件合格率达到 98%以上。

　　2.2.2 工艺流程

　　原工艺流程为：

　　锻造叶身——五轴精密数铣叶身（余量 0.02～0.05）——手工抛光叶身型面、叶根 R 部位保证粗糙度不大于 Ra0.2。

　　增加砂带磨抛光后工艺流程为：

　　锻造叶身——五轴精密数铣叶身（余量 0.02～0.05）——数控砂带磨床抛光叶身型面到 Ra0.8——手工抛光叶根 R 部位及光整型面保证粗糙度不大于 Ra0.2。

　　2.2.3 砂带抛光数控编程

　　针对该工作叶片型面的复杂性，叶片抛光的顺序要有序衔接才能取得更佳的抛光质量。经过工艺分析和实践探索，先总结出抛光顺序及编程轨迹如下：

　　1）粗抛叶盆叶背型面，采用沿积叠轴方向往复走刀方式，走刀轨迹如图 1 所示；2）精抛叶盆叶背，精抛与粗抛的走刀轨迹一致，走刀轨迹如图 1所示；3）抛光前、尾缘圆角，沿积叠轴方向往复走刀方式，走刀轨迹如图 1 所示。

　　a.叶背粗、精抛轨迹 b.叶盆粗、精抛轨迹 c.前缘抛光 d.尾缘抛光图 1 数控砂带抛光轨迹2.2.4 工艺验证砂带是决定磨削效果的重要因素，砂带的种类很多，根据其制作材料，现在常用的有氧化铝砂带、碳化硅砂带、陶瓷砂带、金字塔砂带、金刚石砂带、尼龙砂带等几类。根据该叶片的规格，砂带规格可选 2540×5mm 和 2540×10mm 砂带，橡胶接触轮直径为 20-30mm。磨料粒度根据余量大小选择，当需要较大材料去除时，一般选择研磨带（60-100 微米粒度）或者陶瓷砂带（120#、240#）；对于叶片型面局部余量修磨，一般采用栗色尼龙带（180#-240#）、蓝色尼龙带（320#-400#），采用蓝色尼龙带抛光后型面粗糙度可达 Ra0.2，栗色尼龙带也能用于型面材料去除，但其材料去除率较低。

　　某级工作叶片型面使用如下图2所示的专用砂带进行砂带磨抛光。

　　栗色尼龙带蓝色尼龙带

　　图 2 抛光所用砂带图示

　　工步 1：叶盆叶背粗抛

　　具体抛光参数略。

　　抛光结果：叶盆叶背以及叶根 R 部位铣削刀纹基本去除，为精抛做准备，叶根 R 部位仍有较多余量未去除。

　　工步 2：叶盆叶背进行精抛

　　具体抛光参数略。

　　抛光结果：叶盆叶背铣削刀纹去除，粗糙度提高至不大于 Ra0.8。

　　工步 3：对前、尾缘进行抛光

　　具体抛光参数略。

　　抛光结果：前、尾缘刀纹完全去除，并转接圆滑。

　　工步 4：手工局部抛光叶根转接处及前后缘，使其圆滑；并光整叶身型面，保证粗糙度要求。要求：叶片各部位圆滑光顺，粗糙度不大于 Ra0.2。如下图 3 所示。

　　图 3 某级工作叶片数控砂带抛光后实物

　　3.试验结果分析

　　3.1 抛光后叶片检测情况

　　本次对某型发动机压气机工作叶片共60件叶片进行了数控砂带抛光，除 1 片因为毛坯痕迹未加工起原因报废外（合格率 98.2%），其他59 片都满足现有抛光工序工艺规程要求，叶身型面采用三坐标测量机对截面进行检测，完全合格。

　　抛光后零件型面轮廓度合格，前、尾缘转接圆滑。

　　3.2 抛光后叶片表面纹理检测

　　为了减少工作量及便于记录，我们选择疲劳发生源的叶背且靠近叶根 3-10mm 范围内为检测对象，对按上述抛光参数抛光的 1 件零件（14#）及其它不同参数砂带抛光的 4 件零件（1#、33#、62#、89#），采用超景深三维视频显微镜检测（50 倍）。

　　图 4 不同参数数控砂带抛光的叶片表面纹理图示（50 倍）图 5 同一参数下手工抛光叶片不同部位的表面纹理（50 倍）根据图 4、5 的情况来看，数控砂带抛光的叶片没有出现欠抛、过抛及深划痕等明显缺陷，且不同的数控砂带抛光参数形成的表面纹理不同，总体来说数控砂带抛光的叶片表面纹理比手工抛光形成的表面一致性更好，沟槽表面连续性更加优异（在观测的范围之内，砂带抛光的沟槽很多是被破坏的，不存在连续情况）。

　　连续性的沟槽更容易出现应力集中，降低疲劳寿命。如下图演示所示：

　　a.不连续沟槽纹理表面的应力分析图示

　　b.连续沟槽纹理表面的应力分析图示

　　图 6 连续性的沟槽更容易引起应力集中图示

　　3.3 残余应力检测

　　选取了3.2部分做超景深检测的采用不同参数砂带抛光的5件叶片及按 2.2 部分参数加工的 2 件叶片（共 7 件叶片）进行了应力测定，数据如下：

　　图 7 应力测量点图示

　　表 1 不同参数砂带抛光叶片的应力测量数据单位：Mpa序号零件号点 1 点 2 点 3 点 4 点 5 点 6 点 7 点 81 1# -257.67 -230.37 -251.86 -263.47 -237.45 -213.86 -260.15 -251.242 14# -405.38 -382.1 -376.76 -394.72 -374.49 -365.15 -385.81 -373.43 62# -360.35 -339.76 -339.95 -340.05 -307.15 -334.42 -344 -312.124 89# -262.92 -244.94 -251.6 -292.72 -259.59 -224.07 -191.61 -242.495 33# -370.6 -356.05 -306.22 -408.63 -375.62 -429.52 -393.58 -411.16 108# -431.2 -423.52 -406.93 -463.1 -446.13 -368.97 -425.15 -424.417 106# -358.11 -413.76 -436.44 -319.07 -364.91 -370.9 -373.39 -362.83注：14#、108#、106#号零件采用的都是 2.2 部分工艺验证的参数，其余零件则采用的是其它不同的参数。

　　通过上表可知，不同的砂带抛光参数对叶片表面的残余应力值不一样，但都是对叶片疲劳寿命有益的压应力，范围在-230~-470Mpa 之间，且同一位置点的压应力值即使抛光参数一致也会在一定范围内波动，如：108#及 106#号叶片点 1 就是在同一参数下进行加工的叶片，但是应力值差了 73Mpa。

　　3.4 粗糙度检测

　　将砂带磨抛光的叶片进行粗糙度检测（粗糙度要求不大于 Ra0.8），粗糙度检测合格，情况如下：叶盆被测部位粗糙度 Ra0.4，叶背被测部位粗糙度 Ra0.7。

　　3.5 频率、重量对比

　　对数控砂带抛光的叶片与手工抛光的叶片进行频率及重量测量，数据统计如下表：

　　表 2 某级工作叶片手工抛光与砂带磨抛光的叶片的频率及重量对比手工抛光叶片数控砂带抛光叶片序号零件号重量（g）频率（hz）序号零件号重量（g）频率（hz）1 6 51.33 900 1 3 50.87 8992 9 51.01 911 2 4 50.73 9093 11 51.29 915 3 10 51.03 8934 16 50.48 908 4 13 50.99 9095 18 50.63 919 5 14 50.71 9106 25 51.19 903 6 15 51.15 9087 29 51.19 915 7 17 51.1 9058 30 51.05 913 8 19 50.95 9059 31 51.18 908 9 20 50.9 907

　　10 34 51.44 900 10 21 50.83 906

　　11 35 50.76 900 11 22 50.7 895

　　12 36 50.79 914 12 23 51.06 895

　　13 37 50.99 913 13 24 51.3 903

　　14 41 51.05 910 14 28 50.91 906

　　15 42 51.62 911 15 33 50.44 905

　　16 43 51.1 912 16 39 51.06 895

　　17 46 51.08 911 17 44 50.86 899

　　18 48 50.7 909 18 50 50.82 910

　　平均值 / 51.05 909.56 平均值 / 50.91 903.28最大值 / 51.62 919最大值 / 51.3 910最小值 / 50.48 900 最小值 / 50.44 893分散度 / 2.23% 2.09% 分散度 / 1.69% 1.88%小结：手工抛光及砂带磨抛光叶片的重量及频率差异都非常小，砂带磨抛光重量及频率稍微优于手工抛光。

　　3.6 高周振动疲劳对比试验

　　选定按 2.2 部分工艺参数抛光的某级工作叶片数控砂带抛光与手工抛光的叶片各 13 件，试验在室温下进行，叶片榫头固持，叶身自由，在一弯振型下进行试验。本次试验在 ES-10-240/LT0505 电磁振动台进行，最大正弦推力 10KN，承载能力 50Kg，有效频率范围 1Hz～3000Hz。

　　试验结果如下：

　　第一组手工抛光：

　　表 3 第一组（手工抛光）叶片疲劳试验数据结果SN 初始频率 HZ 失效频率 HZ 线性常数应力 MPa 位移 op(mm) 1%失效寿命对数寿命11 901.3 901.3 1039 381 1.9 7.1×105 5.8529 894 894 1309 381 1.9 8.7×105 5.9437 901.3 901.3 1240 461 2.3 9.3×105 5.9725 903.7 903.7 / 401 2 1.4×106 6.159 901.8 901.8 / 381 1.9 3.4×105 5.5330 903.2 903.2 / 381 1.9 1×106 631 904.7 904.7 / 401 2 8.6×105 5.9336 899.4 899.4 / 401 2 6.3×105 5.806 909.1 909.1 / 381 1.9 8.8×105 5.9441 900.3 900.3 / 381 1.9 1.4×105 5.1543 905 905 / 401 2 9.6×105 5.9846 901.3 901.3 / 381 1.9 1.7×106 6.2348 900.3 900.3 / 421 2.1 8.7×105 5.94/ /均值或中值/ 397 1.98 8.68×105 5.88中值寿命 870963第二组数控砂带抛光：

　　表 4 第二组（数控砂带抛光）叶片疲劳试验数据结果SN 初始频率 HZ 失效频率 HZ 线性常数应力 MPa 位移 op(mm) 1%失效寿命对数寿命3 892.6 892.6 1017 432 2.2 2.7×106 6.4317 888.3 888.3 1158 432 2.2 3.1×105 5.4923 908 908 1058 393 2 8×105 5.915 899.9 899.9 / 373 1.9 2.5×105 5.394 890.7 890.7 / 412 2.1 1×107 719 897.4 897.4 / 393 2 4.6×105 5.6620 895 895 / 373 1.9 1.5×106 6.1821 899.4 899.4 / 373 1.9 8.8×105 5.9422 892.6 892.6 / 373 1.9 3.9×105 5.5913 899.9 899.9 / 412 2.1 2.9×106 6.4628 897.4 897.4 / 373 1.9 2.1×106 6.3239 889.8 889.8 / 432 2.2 8.7×105 5.9344 899.3 899.3 / 432 2.2 5.7×105 5.76均值或中值 // / 400 2.04 1.8×106 6.00中值寿命 1778279试验结论：

　　表 5 疲劳试验数据结果统计分析

　　子样本数 b 2

　　所有试样总数 A 26

　　分子自由度=子样本数-1 1

　　分母自由度=所有试样总数-子样本数 24

　　第一组(503A)为 0.08

　　子样方差

　　第二组(503B)为 0.21

　　统计量 F=第一组(503A)子样方差÷第二组(503B)子样方差 2.632.94（取显著度 10%）查 HB/Z112 表 12、13 得 Fα4.28（取显著度 5%）870963(503A)中值寿命1778279(503B)结论F 小于 Fα。因此两组试样来自同一母体，两组试件的疲劳寿命均值无显著差异，且第二组试样疲劳寿命均值略长，数控砂带抛光叶片的最低 1%失效寿命相比手工抛光叶片的最低 1%失效寿命高。

　　4 结论

　　通过对某型发动机压气机工作叶片开展数控砂带抛光的程序编制、工艺验证、抛光前后的叶型轮廓检测、抛光后叶片表面纹理对比、残余应力分析、粗糙度检测、频率及重量对比、高周振动疲劳对比试验等研究，验证了数控砂带抛光在中小航发叶片上工程应用的可行性及有效性。数控砂带抛光能满足中小航发叶片叶型精度的加工要求；另外，数控砂带抛光叶片的疲劳寿命值比手工抛光的分散性更小，质量更稳定，试验证明可按上述工艺路线将数控砂带抛光应用于批产叶片的型面自动抛光。

　　作者简介：

　　龙永胜，学士，工程师，主要从事航空发动机叶片加工工艺及设备技术工作。