拋光砂 航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片機(jī)器人浮動(dòng)砂帶磨削技術(shù)及其試

摘要 ：壓氣機(jī)鈦合金葉片為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，其制造質(zhì)量和加工精度對(duì)整機(jī)工作性能有至關(guān)重要的影響。由于該葉片型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，打磨工作常由人工完成，其打磨效率低，打磨質(zhì)量一致性難以保證。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片機(jī)器人浮動(dòng)砂帶磨削技術(shù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明鈦合金葉片的機(jī)器人浮動(dòng)砂帶磨削技術(shù)能適應(yīng)鈦合金葉片的打磨要求，打磨后的葉片表面粗糙度 Ra 在 0.4μm 以內(nèi)，表面三維形貌一致性較好，磨削后的進(jìn)排氣邊的形狀保持一定的圓度狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；鈦合金葉片；機(jī)器人；砂帶磨削；浮動(dòng)磨削

葉片對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能起著至關(guān)重要的作用。正常運(yùn)行情況下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的大量零部件需要長(zhǎng)期工作在高溫、高轉(zhuǎn)速、高壓力的惡劣環(huán)境下，要求各個(gè)零部件能穩(wěn)定運(yùn)行且具有較長(zhǎng)的壽命。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片通常采用鈦合金、高溫合金等難加工材料制造，且加工精度要求高 。鈦合金葉片在銑削完成后，工件型面會(huì)留下明顯的刀路凹痕（深度 20~50μm）以及表面硬化層，其加工精度與表面質(zhì)量遠(yuǎn)未達(dá)到最終質(zhì)量要求，葉片型面的最后加工幾乎普遍依賴于表面光精加工。目前鈦合金葉片多通 過人工打磨的方式進(jìn)行，受人工操作的影響，打磨區(qū)域表面完整性及一致性無(wú)法得到保證，打磨效率低下，周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)需求，部分零部件還存在打傷基體或葉片的情況，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來隱患?？梢姡Ｒ?guī)加工工藝難以滿足產(chǎn)品加工的需求，為提升發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的壽命和可靠性，急需開展復(fù)雜型面葉片打磨技術(shù)研究，通過相關(guān)制造工藝及智 能化技術(shù)的研究來提升產(chǎn)品質(zhì)量及加工效率。本文首先分析了砂帶磨削與工業(yè)機(jī)器人智能加工對(duì)鈦合金葉片打磨的工藝適用性，隨后在鈦合金葉片機(jī)器人砂帶磨削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，最后對(duì)打磨后的葉片進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

崔海軍等指出航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片拋光依靠手工拋磨仍存在一系列問題，發(fā)展葉片自動(dòng)化拋光是我國(guó)航空制造業(yè)發(fā)展所必須的。機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)具有柔性好、易擴(kuò)展的特點(diǎn)，能作為一種葉片精密磨削的有效手段，提高柔性高精度加工能力和促進(jìn)國(guó)家制造業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)升級(jí)。張振龍?jiān)O(shè)計(jì)了一款儲(chǔ)罐焊縫打磨機(jī)器人代替人工打磨，能在一定程度上代替人工打磨，提高作業(yè)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)該打磨機(jī)器人打磨后的工件表面能露出金屬光澤，表面粗糙度 Ra 小于 25μm，但此打磨精度不能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件打磨要求。董吉順等搭建了應(yīng)用于輪輞焊縫打磨的機(jī)器人自動(dòng)打磨系統(tǒng)， 相對(duì)人工打磨，該系統(tǒng)能在保證輪輞加工質(zhì)量的同時(shí)大幅提升工作效率。吳斌等剖析了鋁合金不同位置的打磨工具和打磨方法的選擇，指出正確選擇打磨工具和打磨方法能有效提高鋁合金打磨質(zhì)量和打磨效率。張宏之等通過三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x最佳擬合法檢測(cè)模鍛葉片拋光砂，確定葉片型面加工余量，再采用自適應(yīng)砂帶磨削方式對(duì)航發(fā)模鍛葉片材料定量去除，雖然該技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上已經(jīng)發(fā)展成熟，但數(shù)控磨削相比機(jī)器人磨削來說成本更高且靈活性更低，因此不能廣泛使用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片的打磨。甘中學(xué)等研制了一套針對(duì)復(fù)雜型面潔具的機(jī)器人自動(dòng)磨削拋光系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)潔具的拋光，滿足潔具產(chǎn)品拋光的生產(chǎn)要求。洪云飛等開發(fā)了基于 ABB 機(jī)器人的復(fù)雜空間曲面砂帶磨削系統(tǒng)，用于加工汽輪機(jī)葉片，并取得了優(yōu)良的加工效果，其打磨后的葉片型面在法線方向最大誤差為 0.3mm，表面質(zhì)量?jī)?yōu)于人工磨削質(zhì)量，但根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件打磨后表面粗糙度 Ra 應(yīng)在 0.4μm 以內(nèi)，航發(fā)葉片進(jìn)排氣葉邊輪廓度在 0.08mm 以內(nèi)，故該精度已不適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件打磨要求。

綜上所述，目前在葉片自動(dòng)打磨方面已經(jīng)有不少相關(guān)研究，能在一定程度上滿足葉片的自動(dòng)化加工要求，提高打磨效率。但是上述研究多針對(duì)鋁合金等常用材料所制成的零部 件，對(duì)鈦合金和航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件打磨的研究相對(duì)較少。又由于數(shù)控磨削相比機(jī)器人砂帶磨削存在成本更高和靈活性更低的劣勢(shì)，因此常用數(shù)控打磨機(jī)構(gòu)也不利于進(jìn)行葉片型面自動(dòng)打磨的全面性推廣。所以本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片的機(jī)器人自動(dòng)化打磨系統(tǒng)的試驗(yàn)研究是十分必要的。

鈦合金葉片機(jī)器人砂帶磨削工藝性分析

1 壓氣機(jī)鈦合金葉片工藝性分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓氣機(jī)葉片屬于典型的薄壁構(gòu)件，其葉身表面曲率變化較大，加工精度要求高。葉片葉身曲面由多個(gè)截面構(gòu)成，每個(gè)截面由葉盆、葉背兩條樣條曲線和進(jìn)、排氣邊兩段圓弧光順拼接，如圖 1 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，葉盆承載壓縮空氣的正向壓力而葉背則承載壓縮空氣的負(fù)向壓力。零件為鈦合金難加工材料、表面材料加工去除困難。葉片結(jié)構(gòu)和加工工藝特點(diǎn)如下：

1）該葉片的總長(zhǎng)約 183mm，其 中葉身長(zhǎng)度約為 171mm，葉寬范圍為 84~86mm，進(jìn)排氣邊處的圓弧半徑范圍為 0.2~0.35mm；

2）未磨削之前 Ra 約為 1.6μm， 葉片表面紋理一致性較差，影響氣動(dòng)性能，需要打磨。

圖1 葉片結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)型線

2 砂帶磨削工藝性分析

由于壓氣機(jī)鈦合金葉片復(fù)雜曲面的加工特點(diǎn)以及薄壁型工件的復(fù)雜架構(gòu)，目前多采用手工打磨，但表面一致性差，加工效率低。采用機(jī)器人智能打磨技術(shù)能有效改善鈦合金葉片的表面質(zhì)量，能提高加工一致性與加工效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)鈦合金葉片表面磨削由“手工技藝”到“自動(dòng)磨削”的技術(shù)提升。

對(duì)于砂帶磨削，由于砂帶基材通常采用布基等柔性材料，其接觸輪為彈性的橡膠接觸輪，加之磨削速度穩(wěn)定，對(duì)磨削過程中的振動(dòng)敏感性較低，易于實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定，且加工質(zhì)量較好的工件表面具有高效、冷態(tài)及彈性磨削的特點(diǎn)，因而用于航發(fā)葉片的打磨具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，砂帶磨削可將接觸輪做得很小，能夠很好地應(yīng)對(duì)葉片類復(fù)雜型面在打磨過程中易產(chǎn)生干涉的問題。

在葉片砂帶磨削中，由于砂帶具有一定的寬度，導(dǎo)致其與工件接觸為線接觸，故需要求取最貼合磨削過程 的角度。通過控制接觸輪軸線方向即可實(shí)現(xiàn)最佳貼合角度控制，以此減少接觸輪與葉片之間的磨削干涉。為了展示浮動(dòng)限位磨頭的原理和關(guān)鍵性，下面對(duì)工件打磨曲面的空間幾何特性進(jìn)行說明。任意空間曲面的參數(shù)方程可表示為：

由方程判別式可知 K 存在最大值和最小值，即曲面上任意一點(diǎn)均有最大和最小曲率極值。砂帶磨削加工時(shí)，應(yīng)使接觸輪軸線與曲面接觸點(diǎn)最大曲率方向一致，如圖 2 所示。因此，需要砂帶磨頭在保持磨削壓力的情況下能沿接觸輪寬度方向擺動(dòng)。本文所采用的浮動(dòng)限位磨頭能有效解決這一問題，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

采用浮動(dòng)磨削的方法，可以保證葉片相關(guān)尺寸精度和表面質(zhì)量。砂帶浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由磨頭退讓機(jī)構(gòu)、壓力控制機(jī)構(gòu)等組成。當(dāng)所磨削工件不圓或者與理論型線有差異時(shí)，退讓機(jī)構(gòu)可根據(jù)被加工工件實(shí)際線型進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償或退讓，以達(dá)到最佳的磨削效果，其最大補(bǔ)償與退讓量可達(dá)到 ±5mm。砂帶磨頭設(shè)計(jì)有精密的磨削力壓力控制系統(tǒng)，可以對(duì)工件表面或焊縫進(jìn)行等余量去除。該砂帶磨頭能通過壓力控制使磨頭緊密貼合被加工工件表面，隨加工表面的形變產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，實(shí)現(xiàn)被磨削工件型面的自動(dòng)跟蹤。通過磨頭中部絲杠的上下運(yùn)動(dòng)，控制拉簧的伸縮量，調(diào)節(jié)拉簧的拉力，最終將拉力的變化通過滾動(dòng)花鍵軸的導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向的拉力，該拉力通過過渡輪系傳遞到接觸輪上，接觸輪與工件接觸， 則拉力變化轉(zhuǎn)化為磨削壓力變化，實(shí)現(xiàn)磨削壓力的調(diào)節(jié)。以上措施不僅能很好地保證磨削過程中精確的磨削量控制，還能很好地跟蹤工件型面以補(bǔ)償工件自身變形，并有效防止磨削過程中磨到工件母材。

3 機(jī)器人砂帶磨削可行性分析

機(jī)器人磨削算法的主要內(nèi)容是獲得機(jī)器人 6 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的解析公式， 即在已知一個(gè)空間點(diǎn)的坐標(biāo)和相應(yīng)的切法矢后，通過該公式計(jì)算出機(jī)器人各個(gè)軸相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度 , 從而確保磨削過程中機(jī)器人砂帶磨頭軸線與工件接觸點(diǎn)最大主曲率方向一致， 使砂帶最大程度地貼合工件表面。要獲得該公式就需要建立機(jī)器人每個(gè)軸的坐標(biāo)系以及各個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以用一個(gè)四階矩陣來表示，在獲得坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化關(guān)系的等式基礎(chǔ)上可以求解出機(jī)器人各個(gè)軸的解析公式， 如圖 4 所示。

在式（6）中，c4 表示 cos（θ4），s4 表示 sin（θ4），s23 表示 sin（θ2+θ3）， θ4 表示第 4 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其他符號(hào)同理。nx、ny、nz 是法矢的 3 個(gè)分量；px、py、pz 是加工位置徑矢的 3 個(gè)分量。

通過式（6）可計(jì)算出機(jī)器人加工時(shí) 6 個(gè)軸在各個(gè)刀位點(diǎn)各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，生成（.mod）格式加工文件，將其導(dǎo)入機(jī)器人控制器進(jìn)行加工。

TBGS 是應(yīng)用 VISUAL C++ 編 程工具并基于 OCC 引擎開發(fā)的砂帶磨削加工軟件，在 OCC 平臺(tái)上研究的該加工軟件具有精度高、效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)。TBGS 磨削加工軟件主要包含模型導(dǎo)入與被加工面提取、刀位點(diǎn)計(jì)算及刀路生成、仿真加工和機(jī)器人加工代碼生成與傳輸幾個(gè)模塊。本試驗(yàn)中將葉片模型文件導(dǎo)入 TBGS 軟件中，根據(jù)指定的定位基準(zhǔn)、加工路徑方案，計(jì)算生成滿足精度要求的六軸刀位點(diǎn)。仿真加工確定加工路線無(wú)誤之后生成機(jī)器人加工代碼， 將數(shù)據(jù)拷貝至機(jī)器人系統(tǒng)，從而保證

圖2 接觸輪與磨削曲面接觸狀態(tài)

圖3 浮動(dòng)限位磨頭

圖4 機(jī)器人各個(gè)軸的坐標(biāo)系

機(jī)器人磨削加工時(shí)，浮動(dòng)砂帶磨頭的接觸輪軸線與葉片曲面接觸點(diǎn)最大曲率方向一致，最終實(shí)現(xiàn)鈦合金葉片打磨的機(jī)器人自動(dòng)打磨工作。

試驗(yàn)裝置與方法

1 試驗(yàn)裝置

1）本試驗(yàn)采用 FANUC 公司生 產(chǎn)的機(jī)器人，該型號(hào)機(jī)器人為六自由度的關(guān)節(jié)臂機(jī)器人，最大負(fù)載 60kg， 工作區(qū)域 2050mm，重復(fù)定位精度為 ±0.03mm, 其附加軸的最大轉(zhuǎn)速為 4000r/min，能夠應(yīng)用于裝配、焊接、 加工、測(cè)量等領(lǐng)域，可以很好地滿足此試驗(yàn)鈦合金葉片加工的要求。

2）磨頭采用自行設(shè)計(jì)制造的浮動(dòng)砂帶磨頭，該磨頭可通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，其調(diào)速范圍為 0~50m/s ；同時(shí)該磨頭還具備壓力控制功能，可根據(jù)工件被加工表面曲率變化情況自行進(jìn)行浮動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精確的恒壓力磨削；該機(jī)構(gòu)采用 ?15mm×5mm 的小尺寸接觸輪，能有效避免磨削過程中接觸輪與葉片產(chǎn)生的過磨、干涉等現(xiàn)象，如圖 5 所示。

3）壓氣機(jī)葉片所用鈦合金材料為 TC4，其組成為 Ti–6Al–4V, 屬 于（α+β）型鈦合金，其耐蝕性優(yōu)良、密度小、比強(qiáng)度高，還具有較好的韌性、機(jī)械性能和焊接性等。

4）為保證被磨削表面的磨削質(zhì)量拋光砂，試驗(yàn)的磨削方式為逆磨，同時(shí)考慮加工環(huán)境的影響以及砂帶本身磨削溫度較低的特點(diǎn)，試驗(yàn)采用干磨方式，砂帶選用紅色尼龍砂帶。

2 試驗(yàn)方法

1）由圖 5 可知，浮動(dòng)砂帶磨頭通過電機(jī)和變頻器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)砂帶線速度調(diào)整和磨削壓力的調(diào)節(jié)，鈦合金葉片通過專用夾具固定在六自由度關(guān)節(jié)臂機(jī)器人上，通過機(jī)器人各個(gè)軸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來控制葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡， 從而進(jìn)行鈦合金葉片的磨削。

2）將砂帶驅(qū)動(dòng)輪的伺服電機(jī)設(shè)置為恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn) (1000r/min)，提供恒定的砂帶線速度，磨削壓力控制在 8N 以內(nèi)。試驗(yàn)采用尼龍砂帶，其轉(zhuǎn) 速為 1000r/min，磨削壓力為 5~8N。

3）將磨削完成的葉片拆除，進(jìn)行三維形貌檢測(cè)和表面粗糙度測(cè)量。

試驗(yàn)結(jié)果與討論

鈦合金葉片的制造質(zhì)量和加工精度對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用，為了直觀詳細(xì)地說明壓氣機(jī)鈦合金葉片經(jīng)機(jī)器人浮動(dòng)砂帶磨削后的加工質(zhì)量和表面精度，選擇表面質(zhì)量、三維形貌、局部輪廓以及表面粗糙度等對(duì)鈦合金葉片試驗(yàn)進(jìn)行分析。

1 表面質(zhì)量

由于采用自適應(yīng)浮動(dòng)磨頭，當(dāng)所磨削工件不圓或者與理論線型有差異時(shí)，該機(jī)構(gòu)可根據(jù)被加工工件實(shí)際線型進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，以達(dá)到最佳的磨削效果。磨削后葉片表面光滑，進(jìn)排氣邊的形狀保持一定的圓度狀態(tài)， 與葉身型面過渡平滑 , 無(wú)磨削燒傷。磨削后效果圖如圖 6 所示。

2 三維形貌

該浮動(dòng)砂帶磨頭能通過壓力控制使磨頭緊密貼合被加工工件表面， 隨加工表面的形變產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，實(shí)現(xiàn)被磨削工件型面的自動(dòng)跟蹤，對(duì)葉片磨削前后的三維形貌進(jìn)行了超景深測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如圖 7 所示?？芍?，磨削后葉片表面條紋結(jié)構(gòu)趨于一致，表面質(zhì)量比磨削前明顯升高，符合航發(fā)葉片打磨要求。

圖5 機(jī)器人浮動(dòng)砂帶磨削平臺(tái)

圖6 機(jī)器人砂帶磨削后的葉片表面

（a）葉片磨削前的三維形貌

（b）葉片磨削后的三維形貌

圖7 葉片磨削前后的三維形貌對(duì)比

3 局部輪廓圖

從圖 8 可以看出，與磨削前相比，磨削后鈦合金葉片的局部輪廓得到明顯改善。由于該浮動(dòng)磨頭可通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，同時(shí)該磨頭具備壓力控制功能，可根據(jù)工件被 加工表面曲率變化情況自行進(jìn)行浮動(dòng)調(diào)節(jié)，通過精準(zhǔn)控制葉片表面的加工余量，避免磨削過程中接觸輪與葉片產(chǎn)生的過磨、干涉，能夠得到局部輪廓較好的航發(fā)葉片。

4 表面粗糙度

在磨削后葉片的表面選擇 8 個(gè)點(diǎn)，其點(diǎn)的布局如圖 9 所示，采用英國(guó) Taylor–Hobson 公司生產(chǎn)的型號(hào)為 Form Talysurf Series 表面輪廓儀進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量。其測(cè)量結(jié)果如圖 10 所示，可見葉片表面粗糙度 得到了很大改善，磨削后葉片的表面 粗糙度 Ra 都在 0.4μm 以下，最小粗糙度 Ra 值為 0.377μm，與葉片磨削前相比，由于采用浮動(dòng)磨頭，可以實(shí)現(xiàn)磨削過程中的恒壓力磨削，保證磨削過程中精確的磨削量控制，其表面粗糙度顯著減小，能夠達(dá)到航發(fā)葉片打磨表面粗糙度要求。

（a）磨削前葉片局部輪廓

（b）磨削后葉片局部輪廓

圖8 磨削前后葉片局部輪廓

圖9 葉片表面粗糙度檢測(cè)選點(diǎn)位置

圖10 葉片表面磨削前后粗糙度對(duì)比

結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片的打磨具有很強(qiáng)的適用性，由于浮動(dòng)砂帶磨頭的恒壓力控制和自動(dòng)補(bǔ)償與跟蹤，與磨削前相比，打磨后的葉片表面粗糙度 Ra 都在 0.4μm 以下，表面紋理一致性較高，葉片型面精度得到顯著提高，輪廓葉片表面質(zhì)量較好，能滿足航發(fā)葉片的加工要求。該系統(tǒng)已在重慶某公司投入使用，運(yùn)行良好，此研究為實(shí)現(xiàn)航空航天精密復(fù)雜構(gòu)建的高效智能打磨奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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