大型鈦合金風(fēng)扇葉片型面數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用
2013-5-13 來源： 作者：
大型鈦合金風(fēng)扇葉片型面數(shù)控銑加工要點
按照葉片型面總體工藝思路要求，葉片型面的銑削加工要保證型面的幾何位置精度基本達到設(shè)計要求水平，并具有一定的表面粗糙度質(zhì)量，同時加工中效率的提高也是型面銑削的重點工作之一。依據(jù)對大型鈦合金風(fēng)扇葉片型面加工特點的了解，需要綜合考慮設(shè)備、刀具、加工定位等多方面因素的影響。
對于大型鈦合金風(fēng)扇葉片型面的銑削加工，選擇五軸聯(lián)動加工中心是非常必要的。選擇成熟的五軸聯(lián)動葉片加工中心既有高效加工方面的考慮，也有加工精度保證能力方面的考慮。對于曲率變化較大的型面加工，機床主軸的擺角功能能夠很好地適應(yīng)型面曲率變化所對應(yīng)的切削受力一致的要求，機床高壓冷卻系統(tǒng)使切削溫度大幅度降低，避免刀具快速磨損，使型面加工獲得良好的加工精度和表面加工質(zhì)量。
為了防止和減小長葉片裝夾和切削加工中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形，要保證設(shè)備前后端裝夾葉片的回轉(zhuǎn)軸具有同步回轉(zhuǎn)功能，其目的是改變傳統(tǒng)葉片加工工藝使用的一端夾緊、一端頂緊的定位裝夾方式，避免葉片裝夾時產(chǎn)生的彎曲變形和葉片回轉(zhuǎn)加工時一端轉(zhuǎn)動、一端隨動而使葉片型面在長度方向產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形。適應(yīng)于葉片定位裝夾的該項要求，葉片尾端輔助定位部分，相對于前端的榫頭定位基準(zhǔn)要具有嚴(yán)格的位置精度要求，在型面粗加工完成后，對于因應(yīng)力變形而產(chǎn)生的葉片前后端定位基準(zhǔn)之間的位置精度誤差，要給予修復(fù)。葉片型面加工用夾具，在安裝到機床前后兩端回轉(zhuǎn)軸上后，在確定機床前后兩端回轉(zhuǎn)軸不存在同心度誤差的情況下，利用專用芯軸對前后夾具的安裝精度進行檢測調(diào)整，保證兩端夾具具有準(zhǔn)確的位置精度關(guān)系，以免機床前后回轉(zhuǎn)軸的同步回轉(zhuǎn)功能因夾具裝夾精度差而產(chǎn)生額外扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。
葉片型面的粗銑加工，是為了去除較大的余量，并為精加工留均勻的加工余量，在此前提下，該工序的加工應(yīng)該保證具有高的加工效率。五軸聯(lián)動葉片加工中心，具有寬行加工功能，其原理是，在銑削葉片時，刀具中心線不垂直于被銑點或面的切線，而是在走刀方向上與被銑點或面的法向成一定的角度，這種銑削采用的是圓柱型立銑刀，銑削軌跡是較寬的橢圓型弧線，與球頭刀的銑削相比，對于銑削出同樣的型面波峰高度或表面質(zhì)量而言，生成的刀具路徑的間距要大很多。因此，這種加工具有很高的加工效率。在實際加工中，采用在葉片長度上從一端向另一端移動的回轉(zhuǎn)加工方式，即螺旋銑削方式，從效率角度上看，螺旋銑削方式相對于縱向銑削方式也具有更高的加工效率。
葉片型面的精銑加工是為了獲得較高的幾何與位置精度，同時使型面的粗糙度水平達到一定的要求。為了降低鈦合金材料加工產(chǎn)生的“回彈”影響和大面積型面加工時刀具磨損對加工精度的影響，刀具必須保證鋒利，并避免一把刀具的長時間加工。為此，在可能的情況下，盡量使用端銑刀進行型面的縱向銑削加工。縱向銑削加工可以分別使用幾把刀具進行葉背型面、葉盆型面、進氣邊緣、排氣邊緣的銑削，避免一把刀具大面積加工造成的磨損使葉片各處型面加工精度水平產(chǎn)生不一致現(xiàn)象，有利于型面最終光精加工的進行。
在大型鈦合金風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片型面銑削加工時，為了改善切削條件，所有避免刀具磨損的措施都是必要的。在刀具材料、規(guī)格形式的選用方面，選擇整體硬質(zhì)合金帶涂層的圓柱球型銑刀加工葉片緣板內(nèi)側(cè)面、緣板內(nèi)側(cè)面與型面轉(zhuǎn)接圓弧、靠近緣板的過渡型面、進排氣邊緣部位，選擇圓柱鑲硬質(zhì)合金帶涂層刀片的端銑刀加工葉片葉盆和葉背大面積的型面表面。加工鈦合金刀具的涂層材料選擇非常重要，要避免使用與鈦合金具有親和性的涂層材料。目前加工鈦合金常用PVD 涂層刀具，PVD 涂層較薄而且光滑，它們附著在刀具硬質(zhì)合金基體上的同時還會產(chǎn)生一種殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力有利于提高刀具的抗破壞性能，PVD 能夠緊密地貼于刀具上，有利于保持鋒利的切削刃外形，PVD 刀具抗磨性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易產(chǎn)生積屑瘤。加工中，要使用充足的冷卻液對刀具進行冷卻和改善摩擦影響，選擇合理的切削加工參數(shù)，改善切削力影響等。
大型鈦合金風(fēng)扇葉片型面數(shù)控光精加工特點
葉片型面光精加工是為了保證型面粗糙度、波紋度滿足設(shè)計要求、材料組織性能不產(chǎn)生變化，并且加工中要保證銑加工所獲得的幾何尺寸和位置精度基本沒有大的改變。對于實際加工而言，葉片型面精加工是在去除銑加工存留刀痕的基礎(chǔ)上，達到所要求的粗糙度、波紋度。型面每處的單面金屬去除量不應(yīng)大于0.05mm。
目前，利用數(shù)控砂帶磨拋機床進行葉片型面光精加工的方式，是實際加工應(yīng)用較為成熟的方法，而利用數(shù)控金剛石磨輪磨削機床進行葉片型面光精加工的方式，是正在嘗試應(yīng)用的一種方法。這些加工方式之所以被選擇應(yīng)用是因為它們各具特點。
首先，對于數(shù)控砂帶磨拋機床加工方法而言，其具有以下特點：(1)砂帶磨削磨粒銳利，磨削效率高，已達到銑削的10 倍、普通砂輪磨削的5 倍;(2) 砂帶磨削與工件摩擦較小，磨削生熱少，砂帶周長較大，磨粒散熱時間間隔長，容易獲得空氣和切削液的完全冷卻，可有效減少工件變形、避免燒傷和燒蝕;(3)砂帶本身的柔軟性和工作輪表面的橡膠體結(jié)構(gòu)，保證砂帶磨削與工件柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用;(4)砂帶磨削有穩(wěn)定的磨具尺寸，由于砂帶依附于工作輪上進行磨削，磨具尺寸有較好的穩(wěn)定性;(5)砂帶磨削不能進行大余量去除的長時間加工，砂帶含有的磨料總量有限，大余量去除的長時間加工會使磨料迅速消耗掉，需要中斷加工進行砂帶更換。
砂帶磨削的上述特點使大型鈦合金風(fēng)扇葉片型面拋光實現(xiàn)程序控制條件下的機械化生產(chǎn)成為現(xiàn)實。目前，用于葉片拋光的數(shù)控砂帶磨削方式，有2 種方法可供選擇應(yīng)用：一種是使用六軸數(shù)控砂帶磨拋機床進行加工，另一種是使用機器人數(shù)控砂帶拋光系統(tǒng)進行加工。
六軸數(shù)控砂帶磨拋機床的運動功能類似于銑削時的五軸數(shù)控加工中心，砂帶磨削工作輪與端銑刀加工所具有的結(jié)構(gòu)差異使其在型面加工適應(yīng)葉片結(jié)構(gòu)方面，必須具有2 個方向的擺角功能。
六軸數(shù)控砂帶磨拋機床具有型面磨削和拋光的雙重功能，功能變換取決于動力頭在剛性磨削和浮動磨削形式的變換。拋光加工時，啟動恒壓浮動機構(gòu)，能夠使磨削正向壓力的變化通過壓力傳感器、磨削功率傳感器、恒壓氣缸等機構(gòu)進行精確控制，適應(yīng)每件葉片型面尺寸一定范圍的差異，實現(xiàn)不破壞型面精度條件下的拋磨加工。在進行型面磨削加工時，鎖住接觸輪浮動機構(gòu)，可以進行型面的剛性磨削加工。型面的剛性磨削加工，可以在型面的精銑加工精度能力差的情況下，起到補充或代替的作用，其使用的砂帶粒度應(yīng)根據(jù)余量情況進行變換，這種加工會改變原有的尺寸位置精度，并且相對于銑削加工，其過大的余量去除會產(chǎn)生較大的應(yīng)力變形。因此，在銑加工具有精度保證能力的前提下，不推薦使用磨削功能。
機器人數(shù)控砂帶拋光方法，是由機器人拿持葉片在程序控制下作復(fù)合運動，在固定的砂帶機上進行拋光加工。其加工利用了逆向工程技術(shù)，加工前，機器人拿持葉片榫頭部位進行葉片型面輪廓尺寸的掃描檢測，然后數(shù)據(jù)處理機構(gòu)生成加工控制程序，最終在程序控制下實現(xiàn)葉片的拋光加工。目前，機器人砂帶磨削方法，因受到運動精度限制，一般只作為型面拋光加工的手段。
數(shù)控金剛石磨輪磨削方法屬于典型的硬剛性磨削，其使用的機床運動機構(gòu)基本與五軸聯(lián)動葉片銑削加工中心相同，而使用的切削工具是將立式銑刀改變?yōu)楸砻鎳娡可辖痄撌鄣膱A柱磨輪。磨削加工時，利用了寬行加工技術(shù)。該種加工方式是硬剛性磨削，由于金鋼石磨輪本身透氣性差，不能通過容留、交換冷卻液介質(zhì)達到散熱的效果，因此不適合對零件表面進行較大余量去除的磨削，而且即使是去除小余量的加工，對于鈦合金材料葉片型面的磨削也易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象，因此在利用該種方法進行鈦合金葉片型面加工時，必須摸索選擇非常適合的切削參數(shù)，機床冷卻方式必須非常有效。另外，金剛石磨輪對型面加工時的硬剛性磨削性質(zhì)，也存在一定的接刀“棱線”，盡管可以通過程序與磨輪規(guī)格的匹配性調(diào)整對其進行改善，但不能達到完全去除，對于葉片疲勞性能的影響是不利的，因此必須采取輔助措施進行消除表面“棱線”的補充加工，還可能需要使用數(shù)控砂帶磨拋機床進行相應(yīng)程序控制下的補充加工。另外，使用自由磨料性質(zhì)的濕吹砂方法進行補充加工也應(yīng)該是可行的方法。由于數(shù)控金剛石磨輪磨削方法的上述特點，其加工應(yīng)用還在摸索階段。
目前，數(shù)控砂帶磨拋機床方法因其多方面的優(yōu)勢特點，正在成為大型葉片型面拋光加工最為適宜的方法，其綜合性的優(yōu)勢特點還在于既可以進行干磨削也可以進行濕磨削，還可以進行CO2冷卻方式下的超低溫磨削，這對于避免大型鈦合金材料葉片型面拋光產(chǎn)生燒傷、燒蝕非常有利。數(shù)控磨拋機床的應(yīng)用，改變了大型葉片型面手工拋光勞動強度大的狀況，對于大型葉片生產(chǎn)效率提高發(fā)揮了重要作用。
結(jié)束語
多軸聯(lián)動加工技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使大型發(fā)動機風(fēng)扇葉片型面加工這一關(guān)鍵加工環(huán)節(jié)在精度和質(zhì)量保證能力方面有了很大的提高，加工效率方面也獲得了滿意的效果，相信隨著工藝設(shè)備技術(shù)的不斷研究改進，大型風(fēng)扇葉片型面加工技術(shù)會朝著機械化、自動化方向發(fā)展。
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