航空發動機鈑焊機匣外表面振動式滾磨光整加工方案及裝備研發

石海波，呂 彤，姜豪增，李文輝，楊勝強

（1.太原理工大學 機械工程學院，太原 030024；2.廊坊市北方天宇機電技術有限公司，廊坊 065000；3.精密加工山西省重點實驗室，太原 030024）

0 引言

航空發動機被譽為飛機制造業“皇冠上的明珠”，是飛機的關鍵部件之一，其安全可靠性直接關系到飛機的飛行安全。而機匣[1]是航空發動機中的重要部件，是發動機支撐轉子和固定靜子的重要部分，還和其他部件一起構成發動機的氣流通道。航空發動機機匣構件的選材以高強度鋼、高溫合金、高溫鑄造合金和鈦合金等材料為主[2]，通過鑄造、鍛造、切削和焊接等手段加工成型。鈑焊機匣是機匣中一種常見的形式，往往由諸多鍛件、鑄件和板料沖壓件通過各種焊接方法連接而成。機匣的表面質量嚴重影響零件的疲勞壽命，機匣表面質量包括表面粗糙度、孔和棱邊的邊緣處理、表面損傷和清潔度等多各方面。鈑焊機匣在加工焊接完成后表面殘留污漬，孔周邊及機械加工表面有毛刺尖邊等，焊縫不夠均勻連續，這些表面缺陷會嚴重影響機匣在使用過程中的可靠性，會造成零件的疲勞失效，所以對機匣表面的處理已經成為機匣加工不可或缺的一道工序，固化到機匣生產的流程中。傳統的工藝方法是采用人工拋修[3,4]，通過鉗工手工對零件表面及孔周邊的毛刺、棱邊進行打磨。但受操作者技能與工藝方法限制，零件表面粗糙度一致性差，存在二次拋修劃痕，質量不統一，工作勞動強度大，效率低，無法滿足零件批量化加工，嚴重影響機匣的加工效率，制約航空工業的發展。隨著振動式滾磨光整加工技術的出現以及在航空制造領域的應用及推廣，為了解決以上現狀，選用表面光整加工技術中的振動光飾技術研制一種可以高效率，高質量進行鈑焊機匣表面光飾的自動化設備，盡可能實現自動化，減少工人的勞動強度[5～7]。本文從工程應用研發為出發點，重點闡述設備總體方案、設備參數的選擇和工程化應用的裝備研發相關問題，確定了工程應用的振動滾磨光飾鈑焊機匣的成套裝備方案。

1 技術方案

1.1 零件分析

圖1為鈑焊機匣零件示意圖，由圖中可以看出，鈑焊機匣由若干段組焊而成，包括環形主體部分和兩端的安裝邊，形成一個桶狀外形，每一段在焊接前都要進行相應的切削加工。機匣兩端直徑并不相同，整個外形有一定的錐度，實物零件外表面還有起加強作用的網格狀筋板和其他起安裝作用的結構件，而表面缺陷就主要集中在機匣外表面機加工后殘留的毛刺，凸起結構的銳邊，焊接處的凸起。方案設計時，機匣兩端最大直徑D1和D2，總長L1是重點考慮的參數。

圖1 鈑焊機匣零件示意圖

1.2 方案加工機理選擇

振動式滾磨光整加工技術是一項用途廣泛的表面處理技術、工藝，其加工效率高、應用廣泛、加工質量好、成本低且操作簡便，能很好適用于機匣零件外表面處理。振動式滾磨光整加工設備分為立式和臥式兩種。

立式振動光整設備如圖2所示，由空間運動單軸慣性激振器驅動。激振器豎直安裝，激振器軸的兩端安裝有偏心塊，兩個偏心塊在水平面的投影成一定夾角。設備容器與激振器連接成一個整體，當激振器的主軸高速旋轉時，偏心塊產生水平激振力和豎直激振力矩，使環形容器產生復雜的周期性振動，使容器中的滾拋磨塊和被加工工件既繞容器中心軸（豎直）公轉，又繞圓環中心翻滾，其合成運動為環形螺旋運動。

圖2 立式振動光整設備簡圖

臥式振動光整設備如圖3所示，設備容器為底部弧形的長槽，由軸水平安裝的激振器進行激震，軸上裝有另個可調整布置夾角和偏心量的偏心塊，當激振器水平軸高速回轉時，偏心塊產生離心激振力，使槽式容器產生周期振動，使容器中滾拋磨塊和被加工工件沿容器壁定向翻滾。

圖3 臥式振動光整設備簡圖

由1.1節以及對鈑焊機匣實物的調研可知，大型鈑焊機匣的直徑和長度可以達到1米以上，立式振動設備的圓環型容器更適用與小型零件的光飾，對鈑焊機匣這種大尺寸大表面的零件無能為力，而臥式振動設備的槽式容器可以進行大型化設計，容器的形狀能更好的適用于機匣零件，并且臥式振動設備的滾拋磨塊可以產生更大的沖擊力，對機匣表面毛刺去除更加有效，綜上選擇臥式振動光整加工[8]作為鈑焊機匣表面光飾設備的研發的基礎。

1.3 總體方案設計

考慮到鈑焊機匣屬于大型且特殊要求的零件，零件的價值較高，在光整加工過程中不得對零件造成損壞，需要采用夾具將零件固定，同時從工程應用考慮，要使設備具備相當的自動化程度，減輕工人的勞動程度并增加工作效率，結合臥式振動滾磨光整加工工藝參數[9,10]，設計圖4總體方案。

如圖4所示，整個鈑焊機匣光整設備由振動料箱系統、驅動夾持系統、升降系統、立柱旋轉系統和裝卸送件系統等部分組成。驅動夾持系統使機匣零件在加工過程中與料箱處于相對固定位置，這樣就避免了零件與料箱的磕碰。在支撐住零件的同時，驅動零件繞自身軸線做正反方向回轉運動，使零件具有一個旋轉的自轉速度，磨料在振動料箱的驅動下具有一個翻滾的流動速度，從而磨料與零件表面產生一定的相對運動速度，所以磨料會對零件表面產生一定作用力F，實現鈑焊機匣表面光整加工。從自動化及減輕勞動強度方面考慮，設置裝卸位，裝卸位設置裝卸送件托盤，若設備具有外防護圍欄，裝卸送檢托盤可以設計為移動式。工人在圍欄外將零件與工裝放到托盤上，托盤將工件送至裝卸位，立柱旋轉系統通過旋轉進行裝卸位與加工位的轉換。整個方案綜合振動光整均勻性和滾磨光整高效性特點，在裝配研發中要對表1所示參數進行設計。

圖4 鈑焊機匣振動光整設備總體方案圖

表1 設備主要參數表

2 工程應用裝備研發

從總體方案出發并充分考慮光飾加工過程中的成本、效率、安全、環保和工程應用實際需求，研發鈑焊機匣振動滾磨光整成套裝備。除了在總體方案中包含的振動料箱系統、驅動夾持系統、升降系統、立柱旋轉系統和裝卸送件系統幾個核心部分外，還應包括水循環過濾系統[11]和磨料抽吸清洗系統。

2.1 振動料箱系統

振動料箱系統是整個設備的核心，傳統振動料箱的激振器布置于底部，料箱需要設計足夠的深度保證零件在料箱內與磨料運動。而鈑焊機匣零件尺寸大，需要由驅動夾持系統夾持懸掛于料箱中進行光整加工。從設備實際應用出發，為了避免驅動夾持系統帶零件進入料箱需要過大的升降行程，而造成設備總體高度過高，應盡量減少料箱的垂直高度。

本設備的料箱采用兩臺立式振動電機作為激振器，分別以旋轉軸水平的方式布置在料箱的兩端，在安裝時要保證兩個電機的軸線在一條直線上，同時兩臺振動電機的偏心塊要保證具有相同的角度，在旋轉時還要保證兩個電機的轉向同向，激振電機只有做到以上幾點才能保證振動料箱產生正確的振動效果。

為了減少振動料箱系統在工作中的噪音，增加設備的壽命，采用新型大型回轉曲面空氣彈簧代替傳統鋼制彈簧。空氣彈簧具有承載大、壽命長、成本低、免維護、偏心承載能力強和初始高度小等優點，用很少的數量就能夠承載極大的載荷。需要為空氣彈簧配置一套氣動控制系統，實現對彈簧的充氣和放氣。

料箱的幾何尺寸L2×B×H可以根據加工的最大鈑焊機匣零件的長度和最大直徑一次確定，L2要大于驅動夾持系統夾持上零件的最大長度，B大于零件最大直徑200mm左右，由于零件懸掛與料箱中加工，H只要能夠滿足零件深入料箱與運動的磨料能夠充分接觸即可。通過振動電機的全新布置，空氣彈簧的應用和料箱深度的適當選擇，就充分合理的降低了料箱的深度，保證了設備總體高度的實用性。

料箱的結構剛度是影響振動效果的最重要因素，若剛度不足，變形不均勻，會導致振動效果差，噪音大，料箱局部損壞等現象，因此料箱的結構設計至關重要。如圖5所示，通過有限元分析可知，料箱振動電機兩個安裝面是薄弱環節，在電機安裝面沒有重點加強時，此處局部變形大，所以這兩個面上需要設計相應的加強筋以保證總體的剛度達到要求，在加強后可以看出料箱的整體變形更均勻。

2.2 驅動夾持系統

驅動夾持系統由主軸箱、尾座箱、橫梁體及液壓系統構成，主軸箱和尾座箱安裝在橫梁體上，主軸箱、尾座箱和液壓系統構成夾持系統，在液壓系統的驅動下，主軸箱和尾座箱可以同步反向運動，以便對裝好工裝的零件進行夾持。主軸箱驅動機匣零件進行自轉，由電機和齒輪傳動構成，在設計時根據加工零件的最大直徑確定齒輪傳動尺寸分布，保證夾持零件進行自轉不與橫梁體結構發生干涉，尾座箱起從動作用，外形尺寸與主軸箱相同即可。橫梁體作為支撐整個系統的核心，采用型材焊接結構，保證強度和穩定性。

圖5 振動料箱結構剛度有限元分析圖

2.3 立柱旋轉系統和升降系統

立柱旋轉系統由上下兩部分組成，分別為立柱和立座。立座固定于地面，立柱通過回轉支承與立座連接，在電機的驅動下可以在立座上實現回轉運動，這樣就實現了零件在裝卸位和工作位的轉換。升降系統固定在立柱上，采用滾珠絲杠傳動，帶動橫梁體在立柱的直線導軌上實現上下的升降。

2.4 裝卸送件系統

裝卸送件系統就是一個移動的工作臺，用于在工作區域內外的轉換，工人可以在工作區域外將零件裝到工作臺上，然后由工作臺轉運到工作區域內的裝卸位。工作臺設置有托架及集料托盤，在零件加工好后放置到托盤上后，可以將零件上附帶的磨料及水收集到托盤中，保持工作區域的清潔。

2.5 控制系統

整個設備通過PLC程序控制，采用運動參數全面可調的理念以適應不同零件不同工藝參數的調節。如表1所示，設備主要運動參數包括n1、n2、n3，在傳動結構已經固定的前提下，對運動參數的調節利用電機變頻調速[12]，交流電動機的轉速n為：

式中：f為頻率；p為級對數；s為轉差率。

由式(1)可知，改變三項異步電動機電源頻率，可以改變同步轉速，達到調速目的。

控制系統具有手動和自動模式，通過觸摸屏進行操作，在觸摸屏上可以進行加工參數的設定（包括光整時間和各運動參數）。自動運行時尤其要注意料箱振動電機的轉向要與零件自轉的轉向相同，使零件表面與滾拋磨塊形成相對運動，同時要具有正反轉功能，保證零件光整的效果及均勻性。

2.6 水循環系統

在加工過程中會產生金屬碎屑和磨粉的混合液體，為了提高光整磨液的使用效率，有效地排除各類雜質，延長磨液的使用壽命，就需要配置水循環系統。振動料箱中的雜質混合液體通過管路流入水循環系統的污水箱中，通過水泵將污水泵入到過濾器中，通過過濾器進行固液分離。過濾后的凈水流入凈水箱中，再通過高壓水泵將凈水泵入上水管路并輸送到位于料箱側上方的水管噴頭流入料箱中，實現循環使用。

2.7 磨料抽吸清洗系統

在加工過程中滾拋磨塊會產生一定的破損，產生的金屬碎屑和磨粉不斷沉積到料箱底部，與不參與光飾的滾拋磨塊混在一起，甚至發生板結。磨料抽吸清洗系統通過大功率真空負壓泵將滾拋磨塊抽入滾拋磨塊清洗篩分機中，將板結的滾拋磨塊進行清洗篩分，再將篩分后的滾拋磨塊返回到振動料箱中。

3 設備參數摸索

設備試制后，要摸索一套相對最優的參數給客戶使用，這個參數要在能夠滿足工藝效果的前提下還要保證設備的穩定性和環境要求。振動料箱是整個設備的核心，滾拋磨塊在料箱中的運動狀態及料箱在工作中產生的噪音直接影響客戶的使用效果，可以通過調節空氣彈簧高度，振動電機轉速和振動電機偏心塊的方式進行實驗。經過實驗驗證，振動電機轉速在1250～1300rpm，偏心塊在110度，空氣彈簧高度在200mm效果最好。通過與零件結合實驗，零件自轉轉速在16～20rpm可以兼顧光飾效果和加工效率。

4 結束語

本文所述的成套裝備已經在國內某重點航空發動機企業得到了實際應用，并得到企業的認可。成套設備的應用，代替人工拋修的方式，提高了光飾的質量穩定性和加工效率，減輕了勞動強度。由于設備的通用性設計，此企業除了用于鈑焊機匣零件外，還用來對與機匣零件外形類似的隔熱屏零件進行表面去毛刺，隔熱屏零件表面布滿了加工的小孔，孔邊毛刺頑固，用此設備光飾后毛刺去除效果明顯，設備總體達到設計要求，如圖6所示。

圖6 零件光整前后光整后對比圖

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