整体叶盘型面开式砂带精密磨削方法

第1章　绪论 先进航空发动机是关系国家军事安全、国民经济发展的战略性高科技产品，是现代工业技术皇冠上的明珠，如图1.1所示。航空发动机制造能力是一个国家综合实力的象征，能够衡量一个国家综合的研发、制造水平。高密度的航空发动机行业技术，拥有强大的军民一体化特点，在全行业的经济，军事和政治价值极高。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中已经将大型飞机列为重大专项工程，而且要求配装具有自主知识产权的高性能涡扇发动机，包括军民两用型大型发动机，这是必须实现的国家战略目标。《中国制造2025》将航空航天装备列为“大力推动重点领域突破发展”方向。同时，“十二五”以来，党中央、国务院做出重大战略决策，“下决心把航空发动机搞上去”，启动“两机”国家科技重大专项和航空发动机国家重大专项的论证与实施，并且在“十三五”规划中将航空航天装备列入高端装备创新发展工程的首要位置。新一代大涵道比涡扇发动机市场巨大，经济、军用社会效益显著，对国民经济发展、国防建设和科技进步具有重大推动作用和战略意义[1，2]。 图1.1　某型号航空发动机剖视图 航空发动机是飞机的“心脏”，其内部工作温度高，转子转速高，高温气体产生的压力大，内部构件的工作条件复杂且恶劣，机械负荷、热负荷大，而且要求其使用寿命要足够长，如图1.2所示[3]。因此其研究和创新工作的难度极大，研制周期长，消耗费用高，它的主要研究内容包含了空气动力学、材料工艺学、控制与测试等多门学科，是一个复杂的系统工程。航空制造领域目前认为，衡量航空涡轮发动机制造技术水平与其工作能力的一个重要指标是发动机的推重比[4，5]。先进的高推重比航空发动机的使用，使得战斗机执行战术时的机动性、短距起飞、超音速巡航等优异作战性能得到了很大程度的提高。航空发动机制造技术的进步主要体现在如何提高推重比上，这已成为国家航空动力产业发展的主要目标。在诸多影响因素中，其中起到举足轻重的作用的是航空发动机内部各级叶片的设计与加工工艺[6，7]。 图1.2　航空发动机内部各级叶片 人们在探索如何提高飞机叶片型面精度的同时，又在考虑如何提高发动机叶盘的结构构造。20世纪80年代中期，在航空发动机结构设计方面，出现了一种被称为“整体叶盘”（blisk）的结构，它是将叶片和轮盘作为一个整体，省去了连接用的榫头、榫槽，使结构大为简化，如图1.3所示。首先，轮盘的轮缘处不需加工出安装叶片的榫槽，因而轮缘的径向尺寸可以大大减小，从而使转子重量减轻，可以显著提高发动机的推重比。其次，整体叶盘结构取消了叶片的锁紧装置结构，使得发动机零件数目大量减少，不仅使成本降低，而且有利于装配和平衡， 图1.3　Rolls-Royce整体叶盘及其局部特征 提高了发动机的可靠性，延长了转子的寿命。另外，采用整体叶盘后气流流道变得圆滑，消除了盘片分离结构中气流在榫根与榫槽间隙中泄露所造成的损失，提高了气动性能和工作效率，同时可以避免由于装配不当或榫头的磨蚀，特别是微动磨损、裂纹和锁片损坏带来的故障，从而减少维修次数和成本[8]。 随着航空发动机涵道比、推重比及服役寿命要求的不断提高，整体叶盘在气动布局上采用了新的宽弦、弯掠叶片和窄流道等新技术，从而进一步提高了气动效率。由于整体叶盘的这些特点，使其成为下一步发动机叶盘的发展趋势，并将全面取代传统的叶盘结构形式。美国国防部的综合高性能涡轮发动机技术（integrated high performance turbine engine technologies， IHPTET） 计划指出，到 2020 年，战斗机上发动机的涡轮都将采用整体叶盘结构，由此可见，整体叶盘已经作为新型航空发动机的重大改进部件，不仅应用于在研型号，而且还将在未来高推重比发动机上广泛应用，整体叶盘具有巨大的潜在市场需求[9]。 目前，国内外整体叶盘的主流粗加工工艺包括：一是通过粗铣/电化学加工工艺去掉大部分材料；二是采用焊接的方式连接叶盘与叶片。而整体叶盘的精密加工主要还是通过数控精密铣削加工来保障型面精度要求[10]。但是由于整体叶盘的叶片型面均为自由曲面，在采用球头铣刀行切加工后，型面表面依然存在波峰波谷残留切削刀痕，且由于刀具在行切平面内运动，运动轨迹曲线曲率不同和定位等原因，也会导致行间的残留高度相差较大。而设计要求在进排气缘附近不允许有横向加工痕迹，叶尖端面和圆角不允许有叶盆到叶背方向的纹理，因为刀痕对发动机质量和性能有直接影响，甚至会因表面质量缺陷导致叶盘在运行时爆裂的严重事故。国内外的研究表明，整体叶盘在加工过程中存在着一些不足之处： （1）铣削加工后，残留高度相差较大，表面质量一致性差，存在严重的铣削缺陷，导致整个流道型面和叶片型面的表面质量达不到设计要求。 （2）铣削过程中刀具与切屑之间以及刀具与工件之间的接触区产生很高的切削温度和接触压力，工件表面产生挤压、撕裂，从而在加工表面形成微裂纹，会直接影响整体叶盘的气流动力性和使用性能。 通过对整体叶盘的失效现象进行综合分析和反复验证研究表明，叶盘失效的根源主要是零件已加工表面层的状态不良[11]。据统计，80%的航空发动机复杂曲面零部件疲劳失效源于表面质量不能满足要求，同时航空发动机台架实验证明，经过高精度的磨削加工以后，航空发动机的气流动力性能可以明显提高1%～2%。因此，整体叶盘在铣削加工后，必须对流道型面及叶片型面进行抛磨加工，使各曲面之间转接平滑、圆顺，提高表面质量完整性、增强其疲劳强度，保证整机使用性能和寿命。 目前国内外整体叶盘的表面磨削抛光工作大多数仍处于手工打磨阶段。人工抛光不仅劳动强度大、效率低，而且抛光表面易烧伤，型面精度和表面完整性难以保证，导致叶盘可靠性降低。同时，受到工人技术等级和熟练程度的影响，加工质量不稳定，严重影响着航空发动机的使用性能、安全可靠性以及生产周期[12]。 由此可见，现有整体叶盘手工抛光方法已不适应航空发动机批量化生产需求，而后期磨削抛光技术与装备已经在某种程度上制约了我国航空发动机整体水平提升，必须研制专用的整体叶盘数控抛光机床。而且由于国外相关企业以及研究机构对有关于航空发动机整体叶盘叶片型面抛光关键技术及加工工艺对外都是绝对保密，因此独立开展航空发动机整体叶盘数控抛光技术研究，实现整体叶盘复杂型面的高效自动化精密抛光，提高整体叶盘型面几何精度以及表面完整性，对于提高整体叶盘的加工能力水平具有重要的意义。 1.1　国内外整体叶盘抛光技术及装备研究进展 1.1.1　整体叶盘磨料流抛光技术及装备研究进展 磨料流加工（abrasive flow machining， AFM）是美国于20世纪70年代发展起来的一种表面光整加工新工艺，*早是由美国的Extrude Home公司开发出来的，具有工装简单、加工变形小、精度高等特点，专门用于航空航天领域合金零件表面处理工艺的加工[13]。其工作原理如图1.4所示，该方法是将含有磨料、具有黏弹性、柔软性和切削性的磨流介质等在挤压力的作用下形成一个半固态、可流动的“挤压块”，并通过高速往复运动流过欲加工表面从而产生磨削作用的加工方法[14]。 图1.4　磨料流加工示意图[14] 美国Dynatics公司为美国某航天发动机数控铣削加工后的整体叶盘表面做磨料流抛光，避免了以往加工中产生的裂纹以及表面残余应力，解决了整体叶盘高速旋转过程中常产生的断裂问题[15]。美国通用电气公司T700发动机I级压气机叶盘，材料为AM355不锈钢，手工抛光单件工时为40h，而在数控铣削加工后再使用磨料流加工方法，单件工时1 h，且质量和精度大幅度提高，表面粗糙度从2.0μm降到0.8μm，叶型精度公差为+0.10～+0.08 mm，大大提高了叶盘的生产效率和生产质量[16，17]。Williams等[18，19]通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察磨料流加工后的表面效果，得到了不同方法的加工表面再经磨料流加工后的对比结果，认为初始表面和磨料浓度对加工表面的粗糙度有重要影响。同时，法国SNECMA公司提出了磨料流整体叶盘单个叶片的抛光，并且将磨料流用于整体叶盘铣削前的粗加工、精铣前的加工以及精铣后的加工[20-23]。 中国*初在1983年引进磨料流光整技术，从那时开始引进加工技术和设备，且主要是作为进口成套设备的配套设备引进的，首先在航空部门得到应用。经过几年的研究，大连理工大学高航等建立了整体叶盘磨料流抛光加工实验平台，如图1.5所示，并在此基础上进行了磨料流加工模拟分析及可行性研究[24，25]。刘向东等[26]进行了整体叶盘流道的磨料流抛光试验研究，表面粗糙度达到0.14～0.45μm，且压缩机的效率可以提高1%。为了提升整体叶盘磨料流抛光质量，沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司提出了一种被加工工件在自转的同时绕旋转工作平台的旋转轴公转的整体叶盘双驱动轴复合自动光整加工方法[27]。西北工业大学的蔺小军等[28]提出了一种整体叶盘磨料流抛光用夹具，以实现正确引导磨料流动，提高夹具的气密性。北京航空工艺研究所在磨料流抛光技术方面取得较大进展，并将其应用于发动机离心叶盘和钛合金整体叶盘叶片的型面抛光，在某型发动机研制中，采用磨料流工艺进行了前置扩压器叶片型面抛光实验，实现了叶片腐蚀层的均匀去除，改善了零件抗疲劳性能[14]。 图1.5　整体叶盘磨料流抛光工作示意图[24] 此外，辽宁科技大学陈燕等提出采用磁力研磨方法对整体叶盘进行抛光，并对其抛光工艺、表面完整性等进行了研究，结果表明整体叶盘经磁力研磨加工后原有的铣削加工纹理被有效去除，表面粗糙度由研磨前的0.82μm降低至0.25μm[29-32]，其抛光示意图如图1.6所示，其中图1.6（a）为装置系统示意图，图1.6（b）为整体叶盘现场抛光示意图。北京航空航天大学的Li等[33]设计了CBN电镀砂轮，并进行了GH4169整体叶盘CBN电镀砂轮数控抛光实验，结果表明该方法可以使磨削精度提高50%，如图1.6和图1.7所示。 图1.6　磁力研磨加工原理[29] 图1.7　整体叶盘CBN砂轮加工原理[33] 通过上述文献的分析可以看出，整体叶盘磨料流抛光技术及装备的研究在国外已经比较成熟并应用于发动机整体叶盘的抛光加工。目前，国内整体叶盘磨料流抛光表面粗糙度达到0.2～0.4μm，抛光效率累计7～8h/个。但是由于技术起步较晚，工艺缺乏更深入的研究，对于磨料流抛光中的夹具与流道设计等关键技术，还需要在实践中进行不断地摸索和完善。目前，整体叶盘磨料流抛光技术及装备在国内仍处于研发阶段。