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文章來源:網(wǎng)上搜集 訪問3433次 2016-07-28 09:13:19 |
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對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說,核心機(jī)一旦定型,后續(xù)發(fā)展主要通過采用新技術(shù)、新設(shè)計(jì),加大風(fēng)扇直徑,增加增壓壓氣機(jī)級(jí)數(shù),改進(jìn)高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪葉型設(shè)計(jì),提高高壓渦輪葉片材料與涂層的耐高溫性能等來提高部件效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。這其中,表征循環(huán)參數(shù)的高溫?zé)岵考牧系陌l(fā)展相對(duì)較慢,而壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)改進(jìn)較為頻繁,可以說,鈦合金壓氣機(jī)葉片和風(fēng)扇葉片制造是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。 目前,國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)幾乎均采用人工修磨進(jìn)排氣邊的方式制造鈦合金壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片和導(dǎo)向葉片,葉片進(jìn)排氣邊厚度散差較大、一致性差,型線不準(zhǔn)確,葉片質(zhì)量不高。隨著汽輪機(jī)行業(yè)逐步采用數(shù)控砂帶磨床加工葉片型面和進(jìn)排氣邊,航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)也相繼提出了采用數(shù)控砂帶磨削加工進(jìn)排氣邊的要求,迫切希望能夠通過數(shù)控砂帶磨解決進(jìn)排氣邊磨削加工這一航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的難題。本文通過對(duì)航空鈦合金葉片工藝特點(diǎn)的分析和對(duì)不同葉片數(shù)控砂帶磨削的生產(chǎn)實(shí)踐、工藝試驗(yàn)、驗(yàn)證分析,總結(jié)提出航空鈦合金葉片實(shí)現(xiàn)數(shù)控砂帶磨 削的幾個(gè)必要條件和相應(yīng)對(duì)策。 進(jìn)排氣邊磨削加工難點(diǎn) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和汽輪機(jī)葉片的制造工藝差別很大,前者主要采用成型法,而后者主要采用去除材料法。汽輪機(jī)葉片的材料多為不銹鋼,一般先是銑削出葉片徑向面作為徑向基準(zhǔn),加工肩臺(tái)或榫槽與頂尖孔作為軸向基準(zhǔn),然后采用多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工葉身型線,最后經(jīng)數(shù)控砂帶磨拋光完成;航空葉片一般采用鈦合金精密鍛造、鑄造方法制造壓氣機(jī)葉片,采用擴(kuò)散連接/ 超塑性成型(DB/SPF)法制造鈦合金寬弦風(fēng)扇葉片,葉片型面是靠模具成型保證的,型面精度空間誤差不超過0.15mm,成型后不再加工,直接用作型面定位夾具的基準(zhǔn)用來加工葉根榫槽和進(jìn)排氣邊。因此,航空鈦合金葉片的加工主要是進(jìn)排氣邊的加工,對(duì)于數(shù)控砂帶磨削加工,其加工難點(diǎn)有以下幾個(gè)主要方面。 。1)航空葉片進(jìn)排氣邊非常薄,大型的風(fēng)扇葉片也僅有R0.3mm 左右,小的壓氣機(jī)葉片有些甚至?xí)_(dá)到R0.1mm 級(jí)別。這就使得在進(jìn)行砂帶磨削時(shí),必須采用很小的接觸力進(jìn)行磨削,否則難以保證型面精度,這對(duì)于砂帶磨削裝置的接觸力控制提出了很高的要求。 。2)磨削余量不均勻。鍛造的鈦合金壓氣機(jī)葉片和超塑成型風(fēng)扇葉片一般采用銑削或線切割進(jìn)排氣邊鍛造飛邊(保證弦寬),然后進(jìn)行進(jìn)排氣邊磨削拋光加工,這一加工特點(diǎn)使得進(jìn)排氣邊圓角(或局部橢圓截面)部分加工余量很不均勻,如下圖所示:紅色部分為毛坯外輪廓,圓弧部分為進(jìn)排氣邊的理論曲線。 。3)葉片變形問題。這個(gè)問題和磨削余量不均勻是同類問題,鍛造鈦合金葉片和超塑成型葉片均在一定溫度下完成形變,受殘余應(yīng)力影響都存在變形,尤其是壓氣機(jī)葉片,變形的數(shù)量級(jí)與葉片進(jìn)排氣邊厚度在同一量級(jí),達(dá)到0.1mm 以上,這和航空葉片一般型面空間誤差0.05mm 左右相比就太大了,必須予以修正。 。4)基準(zhǔn)問題,型面定位、葉片裝夾后的一致性問題。精鍛葉片和超塑成型葉片型面精度很好,但仍然是粗基準(zhǔn),這和汽輪機(jī)葉片銑削基準(zhǔn)相比還是比較粗。如上所述,這個(gè)裝夾定位誤差在數(shù)量級(jí)上和葉片變形誤差相當(dāng),這也是不能不考慮到的一個(gè)重要影響因素,也必須通過修正坐標(biāo)系來解決。 此外,進(jìn)排氣邊磨削時(shí),冷卻條件不好,很薄的邊緣散熱條件不好,葉片進(jìn)排氣邊容易產(chǎn)生燒蝕,這也給葉片進(jìn)排氣邊磨削帶來一定困難;對(duì)于超塑成型風(fēng)扇葉片,除了進(jìn)排氣邊,型面也需要磨削拋光,還存在型面余量不均勻、變形誤差等問題。 葉片數(shù)控砂帶磨削關(guān)鍵技術(shù) 1、對(duì)砂帶裝置進(jìn)行改進(jìn) 通過汽輪機(jī)葉片生產(chǎn)實(shí)踐完善數(shù)控砂帶磨削裝置單元化技術(shù),優(yōu)化控制技術(shù)和六軸聯(lián)動(dòng)編程技術(shù),積累葉片數(shù)控砂帶磨削工藝數(shù)據(jù)。 隨著生產(chǎn)中不斷反映出的要求,對(duì)砂帶裝置的改進(jìn)也是持續(xù)進(jìn)行的,主要的改進(jìn)包括: 。1)砂帶機(jī)構(gòu)低摩擦導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以降低導(dǎo)向機(jī)構(gòu)靜摩擦力,提高浮動(dòng)砂帶機(jī)構(gòu)靈敏度,提高接觸力控制精度; (2)更新低阻浮動(dòng)氣缸以提高接觸力控制精度; 。3)優(yōu)化砂帶輪系結(jié)構(gòu)、改善裝配工藝性以提高輪系軸線平行度,增大接觸輪砂帶包絡(luò)角度,提高高速砂帶運(yùn)行穩(wěn)定性; 。4)優(yōu)化B 軸設(shè)計(jì),采用無背隙軸承減速機(jī)B 軸傳動(dòng),提高B 軸動(dòng)態(tài)性能10 倍以上,擴(kuò)大了B 軸擺動(dòng)范圍(適應(yīng)風(fēng)扇葉片大幅度彎曲變化); (5)優(yōu)化C 軸設(shè)計(jì),采用分片齒輪消隙,減少了C 軸尺寸和結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高C 軸精度和動(dòng)態(tài)特性; 。6)改進(jìn)C 軸和砂帶機(jī)構(gòu)整體防護(hù),基本做到砂帶機(jī)構(gòu)免清潔、免維護(hù); 。7)采用橫向磨削改進(jìn)粗加工編程方法,提高葉片加工效率; (8)采用新材料接觸輪,接觸輪壽命由7~10 天左右提高到15~20 天左右。 通過優(yōu)化設(shè)計(jì),目前單元化的砂帶磨削裝置體積更小,接觸輪壓力控制最小達(dá)到5N 級(jí)別,整機(jī)可靠性大幅度提高,基本可以做到運(yùn)行免維護(hù),正在試驗(yàn)中的新型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和壓力控制裝置將進(jìn)一步提高接觸壓力控制精度,接觸力控制精度不超過0.5N。 2、靜葉片強(qiáng)力磨削試驗(yàn) 試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^汽輪機(jī)靜葉片強(qiáng)力磨削成型驗(yàn)證強(qiáng)力磨削成型工藝方法和型面精度控制方法。 通過對(duì)常見靜葉片型面特征的分析,可以看到,靜葉片曲面扭曲很小,甚至是桶狀葉型,尤其是不帶冠葉片,只有葉身型線部分(首尾兩端加工后切除),葉身型線非常適合數(shù)控砂帶磨削成型。對(duì)于六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床,選擇合適的接觸輪直徑、硬度和砂帶寬度,采用強(qiáng)力磨削直接成型靜葉片型面是可行的;并且由于砂帶磨削線速度高,擁有比銑削更高的金屬去除率,采用強(qiáng)力磨削直接成型靜葉片型面,在效率方面會(huì)優(yōu)于銑削。 3、超塑成型風(fēng)扇葉片試驗(yàn) 本試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^超塑成型風(fēng)扇葉片磨削試驗(yàn)積累航空鈦合金葉片磨削工藝數(shù)據(jù)(試驗(yàn)中)。鈦合金超塑成型空心葉片毛坯葉身單邊余量約0.5mm,進(jìn)排氣邊為線切割割出,余量最大約3mm,裝夾基準(zhǔn)為葉根部位的矩形肩臺(tái)(線切割割出,誤差不超過0.1mm),要求采用數(shù)控砂帶磨削加工出進(jìn)排氣邊圓角(橢圓截型)并修磨葉身曲面至尺寸。 對(duì)于航空鈦合金葉片,通過砂帶磨削修形,磨削出進(jìn)排氣邊圓。ɑ驒E圓)截型是必需的;保證準(zhǔn)確型線的關(guān)鍵是磨削接觸力,提高接觸力控制精度,降低磨削接觸力是實(shí)現(xiàn)航空鈦合金葉片進(jìn)排氣邊準(zhǔn)確加工的關(guān)鍵。 根據(jù)前文所述航空鈦合金葉片的特點(diǎn)和幾種代表性的葉片砂帶磨削的試驗(yàn)研究,我們可以總結(jié)出現(xiàn)行工藝條件下航空鈦合金葉片型面和進(jìn)排氣邊數(shù)控砂帶磨削的幾個(gè)必要條件和已有對(duì)策。 。1)現(xiàn)行工藝條件下,航空鈦合金葉片毛坯型面和進(jìn)排氣邊制造誤差均大于允差,要求數(shù)控砂帶磨具備修正、磨削成型和拋光功能,因此數(shù)控砂帶磨削必須建立在對(duì)葉片裝夾狀態(tài)的準(zhǔn)確測量基礎(chǔ)上,也就是機(jī)床設(shè)備必須具有在位測量功能(機(jī)內(nèi)測量),并且檢測方式盡可能采用非接觸式,以免在壓氣機(jī)小葉片測量時(shí)造成不必要的變形?赡懿扇〉姆绞綖榛诙嗄恳曈X原理的CCD 測量或線激光掃描,考慮到毛坯反光的因素,目前線激光掃描似乎比CCD 測量略占優(yōu)勢(shì)。 。2)基于實(shí)測、反求的快速模型重構(gòu)技術(shù),測量的目的是加工,必須通過模型重構(gòu)迅速生成在現(xiàn)實(shí)毛坯誤差或裝夾差異狀態(tài)下的模型,并且判斷出是否能夠加工出合格的產(chǎn)品并生成或修正加工程序,進(jìn)行加工。在修正葉片型線的應(yīng)用方面,更是離不開模型重構(gòu)和模型比對(duì)的支持,否則根本不知道該加工哪里?紤]到葉片加工效率,這一過程基本可以控制在5min 左右完成。 。3)砂帶磨局部修正功能。較大的偏差可以通過強(qiáng)磨休整,多走幾遍理論軌跡來修正,但是對(duì)于小于0.1mm 的偏差修正,實(shí)時(shí)壓力控制的變壓力磨削會(huì)更有效。目前,關(guān)于變壓力磨削編程控制已經(jīng)做了試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不是技術(shù)難題。 。4)低摩擦導(dǎo)向和小接觸力控制是實(shí)現(xiàn)航空鈦合金葉片進(jìn)排氣邊準(zhǔn)確加工的關(guān)鍵,對(duì)于R0.1mm 級(jí)的進(jìn)排氣邊磨削成型和拋光,接觸力可能會(huì)小于2N,考慮到磨削質(zhì)量,接觸力的分辨率不會(huì)高于0.5N,最好能控制在0.1N 級(jí)別。這將對(duì)砂帶機(jī)構(gòu)導(dǎo)向裝置提出挑戰(zhàn),目前在試驗(yàn)的導(dǎo)向裝置和浮動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本可以做到零摩擦,剩下的就是降低砂帶浮動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量提高運(yùn)動(dòng)靈敏度了。 。5)適應(yīng)航空鈦合金葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的機(jī)床結(jié)構(gòu)。對(duì)于壓氣機(jī)葉片中的鍛彎葉片和掠型的風(fēng)扇葉片,加工時(shí)B 軸擺動(dòng)角度會(huì)要求更大,機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮;大型風(fēng)扇葉片扭曲接近90°,加工時(shí)C 軸擺角變化相應(yīng)地也會(huì)非常大,也是機(jī)床設(shè)計(jì)布置中考慮的重點(diǎn)。
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