（机械制造及其自动化专业论文）航空发动机精锻叶片数控砂带磨削工艺基础研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 叶片作为航空发动机的关键零件之一，对航空发动机的性能有着至关重要的 影响。叶片在发动机中的功能使命及其工作特点，决定了叶片是发动机中形状复 杂、尺寸跨度大、受力恶劣、承载最大零件。它在高温、高压和高速状态下运转， 通常需要合金化程度很高的热强钢、钛合金以及高温合金等材料制成，为满足发 动机高性能、工作安全性、可靠性及寿命的要求，叶片又必须具有精确的尺寸、 准确的形状和严格的表面完整性。 新一代的航空发动机叶片多采用精密锻造方法制造，叶片型面由锻模保证， 成型精度高，成型后叶身型面不需要二次加工，但由于此类叶片边缘曲率变化大， 加工余量分布不均匀且对气动外形极具敏感，精锻很难满足进排气边加工要求。 目前国内精锻叶片边缘加工通常采用普通铣床切边后手工打磨，容易出现叶片弦 长超差、截面型线变异、边缘与叶身转接不圆滑等问题，导致叶片废品率较高， 产品一致性差，且加工效率低下。为实现航空发动机精锻边缘的高效高精密加工， 提出采用数控砂带磨削叶片进排气边的加工方法。 论文的主要研究工作如下： 航空发动机叶片常用难加工材料( 钛合金和镍基高温合金) 砂带磨削适应 性及有效性分析。 根据航空发动机精锻叶身无余量叶片加工要求和工艺现状，拟定叶片边缘 数控砂带磨削加工工艺路线。在自由曲面六轴砂带磨削基础上，通过对单颗磨粒 法向接触压力模型分析，提出增加法向接触压力轴控制的七轴联动叶片边缘数控 砂带磨削方法，并对接触压力控制方案进行研究。然后，对精锻叶片边缘数控砂 带磨削工艺进行分析，确定加工定位基准和走刀方式，并对砂带、接触轮以及磨 削用量进行了优化选择。 建立精锻叶片边缘余量模型，提取出各磨削刀位点边缘余量值。通过叶片 边缘磨削实验，得到材料去除量预测模型，进而得到边缘磨削参数控制模型，并 由提取后的边缘余量数据文件，计算出各磨削刀位点所需磨削参数值。 开展叶片边缘数控砂带磨削试验，验证提出的叶片边缘磨削材料去除量预 测模型和变磨削参数控制叶片边缘当量磨削方法，并对磨削参数控制模型和磨削 工艺方法进行优化。在此基础上，提出基于样件测量的加工误差补偿方法，并通 过试验验证方法的可行性。 关键字。精锻叶片，进排气边缘，砂带磨削，材料去除，加工误差补偿 a b s t r a c t a so n eo ft h ek e yp a r t so fa e r o - e n g i n e ，b l a d e sh a v eac r i t i c a li n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c eo fa e r o e n g i n e f u n c t i o n a lm i s s i o na n dw o r kc h a r a c t e r i s t i c so fb l a d e s i n t h ee n g i n e ，d e t e r m i n e si t sc o m p l e xs h a p e ，l a r g es p a no fs i z e ，c o m p l e xs t r e s s ，l a r g e b e a t i n gc a p a c i t y o p e r a t i o ni nh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n dh i g h 。s p e e ds t a t e ， u s u a l l yr e q u i r eb l a d e sm a d e o ft i t a n i u ma n do t h e rh i g ht e m p e r a t u r ea l l o ym a t e r i a l s ，a n d i no r d e rt om e e tt h ee n g i n ep e r f o r m a n c e ，j o bs e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n dl i f er e q u i r e m e n t s ， t h eb l a d e sm u s th a v ep r e c i s ed i m e n s i o n s ，a c c u r a t es h a p ea n ds t r i c ts u r f a c ei n t e g r i t y t h en e wg e n e r a t i o no fa e r o e n g i n eb l a d ei su s u a l l ym a n u f a c t u r e db yu s i n g p r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s s ，q u a l i t yo fb l a d es u r f a c e i sg u a r a n t e e db yt h ef o r g i n gd i e ， m o u l d i n gp r e c i s i o ni sh i g h ，a n dt h eb o d y s u r f a c ed o e sn o tn e e dt h es e c o n d a r y p r o c e s s i n g ，b u tb e c a u s eo ft h el a r g ec h a n g e s o ft h e e d g e sc u r v a t u r e ，m a c h i n i n g a l l o w a n c eo ft h el e a d i n ga n dt r a i l i n ge d g e sa r eu n e v e na n dp r e c i s i o nf o r g i n gi sd i f f i c u l t t om e e tt h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s a tp r e s e n t ，m i l l i n gf o r g i n gf l a s hf i r s t ，t h e np o l i s h e d g e so fb l a d eb yh a n di st h ep r o c e s s i n gm e t h o d si nd o m e s t i c ，i ti se a s yt oc a u s e b l a d e c h o r dd e v i a t i o n ，s e c t i o nl i n ev a r i a t i o n ，l e a dt oh i g h e rr e j e c t i o nr a t ea n dp o o rc o n s i s t e n c y i no r d e rt oa c h i e v eh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hm a c h i n i n gp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t so ft h e b l a d ee d g e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ec n ca b r a s i v eb e l tg r i n d i n ga st h ep r o c e s s i n g m e t h o df o rl e a d i n ga n dt r a i l i n ge d g e s t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： a n a l y z e dt h eg r i n d a b i l i t yo fd i f f i c u l t t o m a c h i n em a t e r i a l s ( t i t a n i u ma n dn i c k e l b a s e dh i g ht e m p e r a t u r ea l l o y ) u s e dt om a k ea e r o - e n g i n eb l a d e a c c o r d i n gt o t h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t sa n dc u r r e n tp r o c e s s i n gs t a t u so f a e r o e n g i n eb l a d e ，p u tf o r w a r dan e wg r i n d i n gp r o c e s s w h i c hc a nr e a l i z et h ep r o c e s s i n g o fl e a d i n ga n dt r a i l i n ge d g e s b a s e do ns i xa x i sb e l tg r i n d i n go ff r e e - f o r ms u r f a c e ， t h r o u g h t h es i n g l eg r a i nv e r t i c a lc o n t a c tp r e s s u r em o d e la n a l y s i s ，p r o p o s e dam e t h o db y a d d i n gn o r m a lv e c t o ra x i st oc o n t r o lg r i n d i n gp r e s s u r e ，s t u d i e dt h e c o n t a c tp r e s s u r e c o n t r o ls t r a t e g y a f t e r w a r d s ，a n a l y z e dt h en cb e l tg r i n d i n gp r o c e s so fb l a d ee d g e s ， d e t e r m i n e dt h ep r o c e s s i n gp o s i t i o n i n gr e f e r e n c ea n dt o o lp a t h ，s i m u l t a n e o u s l ya n a l y z e d t h ec o n t a c tw h e e l ，b e l ta n dt h es e l e c t i o no fg r i n d i n gp a r a m e t e r s e s t a b l i s h e da nu n e v e ng r i n d i n gm a r g i nm o d e lo fb l a d ee d g e s ，e x t r a c t e dr e l e v a n t d a t ao ft h em a r g i nv a l u e t h r o u g ht h eg r i n d i n ge x p e r i m e n to fl e a d i n ga n dt r a i l i n ge d g e s ， i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 o b t a i n e dt h ep r e d i c t i o nm o d e lo ft h eg r i n d i n gm a t e r i a lr e m o v a lo ft h ee d g e s ，a n dt h e n g o t t h e g r i n d i n gp a r a m e t e r s c o n t r o lm o d e l ，a f t e r w a r d sc a l c u l a t e dt h e g r i n d i n g p a r a m e t e r sw i t ht h ed a t af i l e se x t r a c t e df r o mt h eb l a d ee d g e s c o m p l e t e dt h ec o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t v e r i f i e dt h ee d g eg r i n d i n gm a t e r i a l r e m o v a lq u a n t i t yp r e d i c t i o nm o d e la n dt h e q u a n t i t a t i v eg r i n d i n gp a r a m e t e r sc o n t r o l m e t h o do fu n e v e nm a r g i n ，a n do p t i m i z e dt h eg r i n d i n gp a r a m e t e r sc o n t r o lm o d e la n d g r i n d i n gp r o c e s s b a s e do nt h ep r o t o t y p em e a s u r e m e n t ，p u tf o r w a r dt h ep r o c e s s i n ge r r o r c o m p e n s a t i o nm e t h o d ，t h r o u g he x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，p r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n d v a l i d i t yo ft h em e t h o d k e y w o r d s ：p r e c i s i o nf o r g e db l a d e ，l e a d i n ga n dt r a i l i n ge d g e s ，b e l tg r i n d i n g ，m a t e r i a l r e m o v a l ，e r r o rc o m p e n s a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 航空发动机是飞机的心脏，是精密复杂的高技术产品，其大量零部件都是在 十分恶劣的环境下工作，承受着高温、高压和高转速的工作负荷，以满足高性能 的要求，并确保安全可靠地运行。航空发动机作为关键国防战略装备而备受重视， 例如美国国防部将航空发动机列为国防关键技术的第二位，占据了美国国防科技 战略的核心位置。我国实现了航空发动机从第二代向第三代、从涡喷向涡扇的跨 越，从中等推力向大推力迈进，但是目前军用发动机种类不全，民用发动机几乎 是空白，而且技术及产业基础仍然薄弱。 叶片作为航空发动机的关键零件之一，在发动机上占有重要地位，对航空发 动机的性能有着至关重要的影响【l ，2 j 。叶片的主要作用在于与发动机腔体配合形成 空气或者燃气截面及方向的不断变化，与主轴或涡轮盘等配合实现燃气发生器高 温压缩易燃气流，同时能保证燃气的高速流动并转换为所需要的飞机运动动力。 其特点表现为形状和载荷情况十分复杂，长期在高温、高压和高速状态的恶劣工 作环境下运转，数量多且尺寸大小相差悬殊( 尺度跨度大长度从2 0 m m 到7 0 0 m m ) 。 为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求，叶片必须具有 精确的截面形状与尺寸、严格的表面完整性【3 ，4 j ，同时允许叶片有一定角度的扭转 变形。截面形状与尺寸对发动机的效率、推力以及空气的流向都有重要影响。如 果叶身型面与进排气边的截面形状与尺寸精度( 进排气边缘与叶身转接的真实r 弧形精度) 达不到设计要求，则可能导致航空发动机出现紊流、气喘、怠速不稳、 失速等现象，严重时可危及到飞行安全。 随着航空工业对航空发动机性能要求的不断提高，对于叶片的性能要求也越 来越高。基于三元流理论计算的三、四代机叶片采用高温合金以及钛合金等难加 工材料，叶形薄且弯曲和扭曲程度更大，形状更为复杂，几何精度要求更高。美 国第四代军用发动机及我国预研的新一代大推比军用航空发动机叶片毛坯均采用 精密锻造方法制造，叶片型面质量由锻模保证，成型精度高，成型后叶身型面不 需要二次n e e 5 7 】。但由于锻造工艺无法制作出对气动外形极具敏感的高压压气机 叶片变半径扭曲的光滑进排气边，因此，叶片进排气边加工便成为此类航空发动 机精锻叶片的加工重点。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 1 航空发动机精锻叶片 f i 9 1 1a v i a t i o ne n g i n ep r e c i s ef o r g i n gb l a d e s 国内航空发动机精锻叶身无余量叶片边缘的加工通常是采用普通铣床切除毛 坯上锻造飞边，而后采用手工打磨叶片的进排气边( 如图1 2 所示) ，并通过投影 的方法肉眼观察打磨质量。由于航空发动机叶片边缘最小厚度不超过l m m ，其截 面曲线形状为圆弧或者其它样条曲线，采用手工打磨进排气边，精度很难保证， 容易出现弦长超差、方头、截面曲面形状及位置超差、不符合真实r 型面要求等 问题，导致叶片废品率较高、产品一致性差等问题，严重制约了叶片的量产进度 和质量，直接导致国内航发企业在新一代基于高压三元流设计的新型叶片在加工 手段、使用寿命，及整机推进效率等方面与发达国家均存在较大差距。 图1 2 国内航空发动机叶片手工打磨现状 f i 9 1 2h a n d g r i n d i n gc o m p l e xp r o f i l ei nc h i n a 三元流叶片的设计和加工是三、四代航空发动机的关键技术，但由于涉及军 工，国外企业及相关研究机构关于航空发动机叶片的砂带磨削关键技术与工艺参 数对外都是绝对保密，目前尚未有关于精锻叶片边缘加工技术难题的相关报告。 因此，本文开展航空发动机精锻叶片进排气边缘数控砂带磨削研究，对实现我国 航空发动机叶片的高效精密磨削加工有着非常重要的现实意义。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 叶片数控砂带磨削研究现状及存在问题 自上世纪5 0 年代，国外一些专家开始对数控机床磨削加工各种叶片、叶轮型 面进行研究，在理论上和试验中都证明砂轮、砂带精磨叶片型面是可行的，并指 出砂带磨削比其它加工方法更能胜任叶片型面的精加工，特别是对复杂叶片型面 的精加工【8 j 。英国c y r i la d a m s 公司生产的窄砂带涡轮叶片型面磨床以及 r o l l s r o y c e 公司生产的宽砂带涡轮叶片型面磨床较为突出，在世界上颇具声誉。 作为砂带磨削抛光行业的领导者，德国i b s ( 原m e t a b o ) 公司在表面精整加 工领域拥有五十多年的理论研究和实际加工经验。图1 3 为该公司研制的六轴数控 叶片砂带磨床【9 1 ，该机床有仿形磨削、恒压力磨削和n c 磨削等三种加工方式，能 够进行各种叶片型面的磨削，加工精度和效率都较高。每台在欧美相关售价约6 0 万欧元，由于其售价太高和“巴统”协定的存在，国内目前仅有无锡叶片厂和上海汽 轮机厂购置到此类机床。 图1 3 德国m e t a b o 六轴数控砂带磨床 f i 9 1 3s i x - a x e sb e l tg r i n d i n gm a c h i n e i ng e r m a n y 美国e x c e l l o 公司为美国g e 公司设计开发的六坐标c n c 叶片砂带磨床， 可加工叶片的最大尺寸为1 5 0 0 x 3 3 0 m m ，加工所需时间仅为3 5 小时。 与此同时，我国许多专家、学者以及厂家也开始致力于数控磨削加工各种涡 轮和叶片型面的研究，通过对砂带磨削机理、砂带磨削特性以及叶片等复杂型面 材料磨削性能的研究，初步证明了砂带磨削加工难加工材料的可行性以及砂带磨 削具有砂轮磨削所不具备的优越性【l 啦! 6 j 。 上世纪九十年代中期，华中理工大学将x k 5 0 4 0 数控铣床改造成五轴联动的 叶片型面砂带磨床，它能实现了除b 轴( 绕y 轴的回转轴) 以外的其余五轴联动， 由于该磨床在磨削的过程中砂带接触轮受力方向与接触区域不理想，导致叶片的 砂带磨削精度不稳定【1 7 】。成都科技大学与宁江机床厂将m k 2 9 4 5 c 四轴联动坐标磨 床改造成了七轴五联动数控砂轮磨床用于叶片型面精磨【1 引。扬州大学利用数控车 重庆大学硕士学位论文1 绪论 床改造了用于静叶片叶身型面的四轴控制砂带磨床【l9 l ，如图1 4 所示；江南大学张 秋菊等开展了叶片磨抛加工检测与误差控制方面的研究唧j ，另外，北京航空航天 大学陈五一、陈志同等联合秦川机床开展了五轴联动砂轮磨削航空叶片的相关研 究【2 l 2 2 j 。由于上述研究开发的样机是基于普通数控铣床或者磨床，加之其对复杂 叶片磨削抛光采用四轴和五轴联动控制方法本身的技术局限性，他们的工作仅停 留在样机研制阶段，无法得到产业化的推广应用。 图1 4 扬州大学研制四轴砂带磨床 f i 9 1 4f o u r a x e sb e l tg r i n d e r 重庆大学、重庆理工大学、重庆三磨海达磨床有限有限公司等单位对采用六 轴联动叶片型面抛磨方法展开了大量的研究工作2 3 抖1 。于2 0 0 8 年开发出6 轴联动 数控砂带叶片磨床1 2 5 1 ( 图1 5 所示) ，并应用于东方汽轮有限公司、上海汽轮机公 司的汽轮机叶片生产线，成功解决了铣削叶片表面精加工的问题。 图1 5 六轴联动数控砂带磨床 f i g1 5s i x a x e sb e l tg r i n d i n gm a c h i n ei nc h i n a 北京胜为弘技数控装备有限公司、华中数控等单位合作亦展开叶片数控砂带 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 抛光展开了相关的研究工作，开发出相应6 轴联动数控砂带磨床，应用于东方汽 轮有限公司汽轮机叶片生产【2 引。 通过以上现状的分析，尽管国内在砂带磨削及其在叶片类应用方面取得了一 定的研究成果，但其研究均围绕精铣后的叶片型面抛光开展工作，解决了叶片型 面随动抛光的技术问题。但是，这类叶片的几何精度由多轴联动加工中心保证， 砂带抛光工艺仅保证叶身型面及进排气边缘的表面完整性。这类方法无法解决余 量分布不均匀，而且在加工过程中容易产生几何偏差的精密锻造叶身无余量叶片 边缘加工技术难题。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于重庆市重点科技攻关计划“自由曲面数控砂带磨削方法及工程 化应用研究”( 课题编号：c s t c 2 0 0 6 a b 3 0 2 1 ) ，课题主要是对以复杂叶片型面为 重点的自由曲面多轴联动数控砂带磨削加工方法研究。本论文课题定位于航空发 动机精锻叶身无余量叶片边缘数控砂带磨削加工方法和工艺基础研究。 1 3 2 论文主要研究内容 航空发动机叶片常用难加工材料( 钛合金和镍基高温合金) 可磨性分析。 根据航空发动机精锻叶身无余量叶片加工要求和工艺现状，拟定叶片边缘 数控砂带磨削加工工艺路线。在自由曲面六轴砂带磨削基础上，通过对单颗磨粒 法向接触压力模型分析，提出增加法向接触压力轴控制的七轴联动叶片边缘数控 砂带磨削方法，并对接触压力控制方案进行研究。 对精锻叶片边缘数控砂带磨削工艺进行分析，确定加工定位基准和走刀方 式，并对砂带、接触轮以及磨削用量的选择进行了分析。 建立精锻叶片边缘余量模型，提取出各磨削刀位点边缘余量值。通过叶片 边缘磨削实验，得到边缘磨削材料去除量预测模型，进而得到边缘磨削参数控制 模型，并由提取后的边缘余量数据文件， 开展叶片边缘数控砂带磨削试验， 计算出各磨削刀位点所需磨削参数值。 验证提出的叶片边缘磨削材料去除量预 测模型和变磨削参数控制叶片边缘当量磨削方法，并对磨削参数控制模型和磨削 工艺方法进行优化。 提出基于样件测量的加工误差补偿方法，通过试验验证方法的可行性。 重庆大学硕士学位论文2 砂带磨削航发叶片类材料可磨性分析 2 砂带磨削航发叶片类材料可磨性分析 2 1 砂带磨削技术简介 2 1 1 砂带磨削原理 砂带磨削是砂带这一特殊形式的涂附磨具，借助于张紧机构使之张紧，和驱 动轮使之高速运动，然后根据工件形状和加工要求，在一定压力作用下，使砂带 与工件表面接触以实现磨削加工的整个过程2 7 1 ，如图2 1 所示。 图2 1 砂带磨削基本原理 f i 9 2 1a b r a s i v eb e l tg r i n d i n gb a s i cp r i n c i p l e 渭擦阶段 图2 2 砂带单颗磨粒磨削过程 f i g2 2s i n g l eg r a i nb e l tg r i n d i n gp r o c e s s 与机床刀具切削过程一样爹工件材料在磨粒切削刃的挤压、摩擦作用下产生 变形转为切屑，形成加工表面。砂带的弹性接触特征使磨粒切削刃的切削过程大 致可以分为滑擦、耕犁、切削三个阶段【2 引，如图2 2 所示。最初由于磨粒挤入工件 深度极小，磨粒刀刃圆弧形成的实际负前角很大，磨粒在工件表面滑擦而过，工 件表面仅发生弹性变形。随着磨粒挤入工件深度的增大，磨粒对工件表面的压力 逐渐增大，工件表面由弹性变形开始过渡到塑性变形，磨粒在工件表面上挤压、 刻画出加工沟痕，沟痕两侧由于材料的塑性滑移而隆起。当磨粒的挤入深度继续 增加到某一值时，被磨粒挤压的区域就会出现明显的滑移，并形成切屑从磨粒的 前刀面流出，形成切削阶段。 2 1 2 砂带磨削主要技术特点 砂带磨削是一种弹性磨削。由于砂带磨粒的载体是由布基等有一定弹性的 材料组成的，加之粘接剂和橡胶接触轮的弹性特点，因而砂带磨削是一种具有磨 削、研磨、抛光多种作用的复合加工工艺。 砂带磨粒的植沙方式采用重力植沙，所以砂带上的磨粒比砂轮磨粒具有更 强的切削能力，砂带磨削具有较高的切除率、磨削比和机床利用率。砂带的磨削 6 重庆大学硕士学位论文 2 砂带磨削航发叶片类材料可磨性分析 比大大超过了砂轮，高达3 0 0 ：1 ，而砂轮仅3 0 ：1 。 砂带磨削的工件表面质量高。砂带磨削具有磨削，研磨和抛光等多重作 用，并且砂带磨削具有“冷态”磨削之称，磨削温度较低，工件表面不易出现烧伤等 现象，另外由于砂带本身质量轻，其磨削工艺结构系统的平衡状态易于控制，所 以砂带磨削系统振动较小且稳定性比较好。 砂带的磨削精度较高。随着砂带制作质量和砂带磨床技术水平的提高，砂 带磨削早已跨入精密和超精密加工的行列，最高精度已达到0 1 哪。 2 2 航发叶片材料特性和可磨削性能分析 叶片是航空发动机的重要零件之一，在发动机工作过程中，叶片承受多种复 杂的应力和较高的温度。制造航空叶片的材料，必需具有高的抗拉强度、疲劳强 度、断裂韧性、耐蠕变和抗蚀性能以及良好的塑性指标，同时，又要求具有尽可 能轻的重量【2 9 】。航空发动机叶片常用材料包括铝合金、钛合金、不锈钢、高温合 金和复合材料等。钛合金与高温合金的发展较快，应用比例增多。在本课题研究 中主要选用了钛合金和高温合金作为航空发动机叶片难加工材料的典型代表进行 可磨削性能分析。 但这些材料的特性却给加工，特别是磨削加工带来较大的困难。我们通常将 工件材料的磨削加工难易程度，称之为工件材料的可磨削性【3 0 1 。按文献 3 0 提供的 材料可磨削性参考表，可将材料中影响可磨削性的几个主要性能指标( 硬度、抗 拉强度、延伸率、冲击值、导热系数) 按量的变化分成1 0 级，借鉴该参考表，我 们可以根据航空发动机叶片材料的机械、物理性能，分析该材料的可磨削性，并 初步得出影响可磨性的主要因素，从而采取适当的解决策略。 钛合金 钛合金是理想的压气机叶片材料，它的比重轻( 仅为钢的5 9 ) 、比强度高， 较好的热强性和低温韧性，优良的耐腐蚀性能。因而在很大的范围内，低温可取 代铝合金，高温可取代耐热不锈钢，适合于在6 0 0 。c 以下长期工作的叶片。钛合金 按其退火组织分，具有三种类型：a 钛合金、伐+ p 钛合金、p 钛合金。航空发动机 叶片常用钛合金主要是0 【或近0 【钛合金和a + p 钛合金。 t c 4 钛合金是一种典型的叶b 型两相合金，是当前低压压气机最常用的叶片 材料，也是航空工业选用最广泛的钛合金，约占整个航空用钛合金的6 0 ，如某 发动机的1 - - 3 级风扇叶片，1 - - 3 级高压转子，涡扇型发动机1 级低压转子叶片等 都采用t c 4 钛合金。t c 4 合金在高温下有良好的加工塑性。其化学成分见表2 1 ， 力学性能见表2 2 。 重庆大学硕士学位论文 2 砂带磨削航发叶片类材料可磨性分析 表2 1t c 4 钛合金化学成分 t a b l e2 1t c 4t i t a n i u ma l l o yc h e m i c a lc o m p o s i t i o n 合金 其他 牌号 a l vf es icnho 各总 t c 45 5 6 83 5 , - - 4 5 郢3 0郢1 5郢1 0 郢0 5郢0 1卯2 0卯4 0 表2 2t c 4 钛合金力学性能 t a b l e2 2t c 4t i t a n i u ma l l o ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 吼6o c k丸 合金牌号 册卿 j c m 2 一( c m s 。c d ( c m s )卿 ) t c 4 3 2 0 - 3 6 09 3 21 03 9 2 40 0 6 8 按照文献 3 0 1 提供的工件材料的可磨削性分级参考表可知，t c 4 钛合金的可磨 削性如表2 3 所示。 表2 3t c 4 钛合金可磨削性等级 ! 坐! 呈兰：i ! 竺! 生塑! 坚型! 旦z 鲤坠垒i 翌g 趔曼 可磨削性分级号h b 吒 万名 t c 4 钛合金的硬度指标和塑性指标分别为4 级和3 级，属于易磨削范围，但 抗拉强度、韧性的指标较高，可磨性等级为5 级。由于抗拉强度和韧性的指标较 高，磨削过程磨削力大，磨削温度高。同时，由于钛合金的导热系数低( 分级号 为9 级) ，热量不易散发，使磨削区温度剧增，引起粘附和冷硬现象。此外，由于 它的热强度高，金相组织中的金属碳化物硬质点多，会加快磨粒切削刃钝化。 高温合金 工作温度在6 0 0 1 1 0 0 范围的叶片材料为高温合金。它具有良好的热稳定性、 热强性和高温组织稳定性，可在高温下长期承受氧化、燃气腐蚀和复杂应力的作 用而可靠工作。其主要适于制造航空发动机的热端部件，涡轮叶片，并随着发动 机工作温度的提高开始用于制造压气机叶片。高温合金按其基体元素的不同分为 镍基、铁基和钴基三类；按其成形方式不同可分为变形高温合金和铸造高温合金 两类。叶片用高温合金主要是镍基合金，以g h 4 0 4 9 为例，其化学成分见表2 4 ， 力学性能见表2 5 。 8 重庆大学硕士学位论文 2 砂带磨削航发叶片类材料可磨性分析 表2 4g h 4 0 4 9 高温合金化学成分 t a b l e2 4g h 4 0 4 9h i 曲t e m p e r a t u r e a l l o yc h e m i c a lc o m p o s i t i o n 合金牌号cc rn ic ow m oa lt if e 0 0 49 5 1 4 05 0 04 5 03 7 01 4 0兰 g h 4 0 4 9余 枷1 01 1 01 6 0“0 05 5 0 4 ，4 01 。9 01 5 0 表2 5g h 4 0 4 9 高温合金力学性能 t a b l e2 5g h 4 0 4 9h i 曲t e m p e r a t u r ea l l o ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 吼 万九 合金牌号坳 脚 ji 一( c m s c )卿 。l ) g h 4 0 4 93 6 31 1 2 83 00 1 4 6 5 按照文献 3 0 1 提供的工件材料的可磨削性分级参考表可知，t c 4 钛合金的可磨 削性如表2 6 所示。 表2 6g h 4 0 4 9 高温合金可磨削性等级 ! 生! 曼兰：垒q 旦! 坚2 旦! 业：堡里p 皇! 璺垒竖型! 型臣! 翌垒i 坚趔旦 可磨削性分级号h b 吼万五 g h 4 0 4 9 465 7 镍基合金g h 4 0 4 9 的硬度指标为4 级，属于易磨削范围，但抗拉强度、塑性 的指标较高，可磨削性等级分别为6 级和5 级。由于强度高和塑性大，磨削加工 消耗能量大，产生的磨削力大，磨削温度高并且容易堵塞磨具表面的气孔。同时 由于g h 4 0 4 9 的导热系数低( 分级号为7 级) ，磨削热集聚在磨削表层面不易散发， 从而导致磨削温度过高，甚至烧伤工件表面，发生龟裂，影响零件表面完整性。 2 3 航发叶片材料砂带磨削适应性及有效性分析 在使用传统砂轮磨具磨削这类难磨削材料时，磨屑极易黏附于砂轮表面，堵 塞磨粒，磨粒易遭破坏，产生很高的磨削热，易烧伤工件，使磨削过程很快恶化， 并导致砂轮失效。而砂带磨削作为一种磨抛的新工艺，因其自身构成的特点，使 其具有很好的磨削性能，置屑空间大，磨粒刃形锋利，磨削过程中发热量少，对 加工这类难磨削材料具有很强的适应性。这也引起国内外学者对于钛合金砂带磨 9 重庆大学硕士学位论文 2 砂带磨削航发叶片类材料可磨性分析 削开展大量的研究。其中具有代表性的是： 英国诺丁汉大学的d a a x i n t e ，m k d t i i l a j l o r o t 【3 1 】等人所进行的耐热钛合金t c 4 砂带磨抛研究，得出结论：砂带磨削能在一两个行程内磨掉工件上原来的加工痕 迹，即使工件原来具有较大的表面粗糙度。使用砂带磨削钛合金可得到r a 0 3 5 “r n 的表面粗糙度，且抛光后工件表面没有明显的变质层，如在磨削的整个过程中始 终用冷气进行冷却，则加工后表面的热损伤会更小。 南京航空航天大学的任守良针对钛合金t c 4 ，从砂带磨削表面质量，磨削温 度方面进行了试验研究，提出：砂带磨削小用量精磨钛合金表面粗糙度可达 r a 0 5 岬，表层组织无明显变化，表面硬度略有降低；在相同的磨削用量下，砂 带磨削温度远远低于砂轮磨削温度，一般不超过5 0 。c ，可实现干磨【3 2 】。 南京航空航天大学的霍文国，徐九华，傅玉灿等学者则针对钛合金t a l5 砂带 磨削磨粒磨损和金属去除量进行了研究，得出结论：氧化铝砂带相比较碳化硅砂 带更适合磨抛钛合金，因为氧化铝砂带能获得更好的表面粗糙度和砂带耐用度。 在低磨削速度、低进给量和低磨削深度下，氧化铝砂带磨削钛合金时的磨削加工 性最好，且适用于钛合金的干式磨削加工【33 1 。 关于高温合金砂带磨削目前的研究不多，由文献 2 7 ，磨削高温合金宜选用刚 玉磨料砂带，而不用碳化硅砂带，砂带速度应小于2 0 m s ，抛光后工件表面粗糙度 r a 0 5 岬且没有明显的变质层出现。 航空发动机叶片要求有严格的表面完整性，采用砂轮磨削往往由于切削量变 化较大，容易烧蚀工件且造成组织微裂纹，因而不适用于其表面抛磨加工。而从 以上研究结果表明，砂带磨削在对这类材料进行磨削时，具有一定的材料去除率， 且磨削后工件表面质量较高，无明显组织变化，这在航空叶片抛磨加工中尤为重 要，由此可见：对于航发叶片类材料，特别是钛合金和高温合金的磨削加工，采 用砂带磨削方式是有效的。 2 4 本章小结 本章主要讲了砂带磨削航空发动机叶片材料的可磨性，首先介绍了砂带磨削 的基本原理和主要技术特点，然后以钛合金和高温合金作为航发叶片材料的典型 代表进行了材料的可磨性分析，并对砂带磨削该类材料的适应性和有效性进行了 分析。 1 0 重庆大学硕士学位论文3 航空发动机精锻叶片数控砂带磨削方法和工艺研究 3 航空发动机精锻叶片数控砂带磨削方法和工艺研究 精密锻造是当代工业中逐步发展起来的一项重要生产技术。世界各工业发达 国家普遍采用精密锻造方法生产叶片，叶片型面和橼板内侧面不再机械加工而直 接达到设计图纸要求的尺寸精度和表面光度，或者使叶片型面余量分布均匀，以 利于电解加工。 主要特点：叶片锻件质量特别是尺寸精度高，；叶片锻件的性能好；材料利用 率高；叶片制造生产效率提高。 尽管叶片精锻工艺对设备性能和精度等要求严格，一次性投入很大，但其带 来的多方面的经济效益却是瞩目的，叶片精锻工艺正逐渐成长为叶片锻造工艺的 主要部分。 3 1 精锻叶片结构特点和加工技术要求 以某航空发动机精锻压气机叶片为例，如图3 1 。该叶片为带阻尼台叶片，主 要由叶身、榫头两部分组成，叶身分为叶盆、叶背、进气边( 前缘) 和排气边( 后 缘) 。以图3 1 叶片为例，其叶身总长9 9 6 m m ，最大弦宽约6 0 m m ，进、排气边圆 弧半径r 在0 2 2 0 7 6 m m 之间( 如图3 2 ) ，叶身曲面由1 4 个截面给定，每个截面 由叶盆、叶背两条样条曲线和进排气边圆弧光顺拼接。从叶片的结构不难看出， 该叶片叶身薄，进、排气边圆弧半径很小，且叶身型面为复杂空间自由曲面，各 部分的曲率、扭转变化较大，是典型的薄壁复杂曲面零件【3 制。 图3 1 航空发动机精锻叶片模型 f i 9 3 1p r e c i s i o nf o r g i n gb l a d em o d e la e r o e n g i n e 图3 2 叶片边缘厚度 f i 9 3 2t h eb l a d ee d g et h i c k n e s s 叶片在发动机中的功能使命及其工作特点，决定了叶片是发动机中形状复杂 ( 三维空间曲面) ，尺寸跨度大( 长度从2 0 m m 到7 0 0 8 0 0 m m ) 、受力恶劣、承载 重庆大学硕士学位论文 3 航空发动机精锻叶片数控砂带磨削方法和工艺研究 最大的零件。它在高温、高压和高速状态下运转，通常需要合金化程度很高的热 强钢、钛合金以及高温合金等材料制成。 为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求，叶片必须具有 精确的截面形状与尺寸、严格的表面完整性( 图3 3 为叶片叶型公差示意图，一般 叶型精度为0 0 6 - - 0 2 m m ，粗糙度为r a 0 4 9 m 以上) ，同时允许叶片有一定角度的 扭转变形。良好的气动性要求叶片的表面光顺，截面间的型面应平滑过渡( 图3 4 ) ， 并有轮廓度的要求，轮廓度规定了进排气边厚度的变化速度【3 5 1 。进排气边缘截面 曲线形状为圆弧或者其它样条曲线，边缘处r 的大小和形状，也要精确加工，因 为它对气动性能和强度可靠性都有很大的影响。如果边缘处r 弧形精度达不到设 计要求，则可能导致航空发动机出现紊流、气喘、怠速不稳、失速等现象，严重 时可危及飞行安全。 技术墼求：l 危i 牛各藏匿群村时l i i ! 论璺睡潮变形婀扭转枉1 2 拖嘲内 心靛缘翱 靠：e 礅辫彰】| ：) ：叶片目骥 1 h t 本乎，翻妊：长 扯叶片缓1 2 ；职h l 片_ j ：向角 静 一 图3 3 叶片叶型公差示意图图3 4 截面间型面平滑过渡 f i 9 3 3b l a d et y p es u r f a c et o l e r a n c es c h e m a t i cf i 9 3 4c r o s s - s e c t i o nt y p es u r f a c es m o o t ht r a n s i t i o n 3 2 精锻叶身无余量叶片数控砂带磨削工艺路线的拟定 叶片毛坯的类型有：方坯( 或棒料) 、普通模锻毛坯( 余量较大) 、半精模锻 毛坯、叶身无余量精锻毛坯等。不同类型的叶片毛坯，其加工定位基准的选择是 不一样的，叶片各部分尤其是叶身型面的加工方法也是不同的，所以叶片毛坯的 类型对叶片机械加工工艺路线的安排影响很大。例如，叶身为大余量的模锻毛坯 其叶身型面加工可采用电解加工后抛光的方法，但叶身为小余量的模锻毛坯其型 面加工就不宜采用电解加工，而一般采用的工艺路线是：小余量毛坯_ 加工榫头 一以榫头为基准粗铣叶身及进排气边_ 半精铣叶身及进排气边_ 精铣叶身及进排 气边_ 叶身及进排气边表面磨削去除残差_ 叶片抛丸、光饰处理_ 检验。 本文主要针对图3 1 所示发动机叶片的加工。该叶片为我国预研的新一代大推 比军用航空发动机叶身无余量精锻叶片，叶片型面和缘板内侧面不再机械加工而 直接达到设计图纸的尺寸精度和表面质量要求，但无法通过锻造工艺制作出对气 1 2 重庆大学硕士学位论文3 航空发动机精锻叶片数控砂带磨削方法和工艺研究 动外形极具敏感的压气机叶片变半径扭曲的光滑进排气边。目前国内航空发动机 精锻叶片边缘的加工则是采用普通铣床切除毛坯上锻造飞边，而后采用手工打磨 叶片的进排气边，并通过投影的方法肉眼观察打磨质量。由于航空发动机叶片边 缘最小厚度不超过l m m ，其截面曲面形状为圆弧或者其他样条曲线，采用手工打 磨进排气边容易出现弦长超差、方头、截面曲面形状及位置超差、不符合真实r 型面要求等问题，导致叶片废品率较高、产品一致性差等问题，严重制约了叶片 质量。如图3 5 所示为精锻叶片边缘手工磨削常见的问题。因此，航空发动机叶片 制造企业迫切希望能通过数控砂带磨削方法来实现叶片边缘的高效高精度磨削， 改变我国传统的叶片生产工艺，并初步确定新的工艺路线为：叶身无余量精锻毛 坯_ 铣削切除锻造毛坯飞边_ 数控砂带磨削进排气边一以叶身型面和进排气边为 基准铣削榫头_ 抛丸及表面光饰处理一检验。 ：i 磐 图3 5 精锻叶片边缘手工磨削常见问题 f i g3 5h a n dg r i n d i n gc o m m