鈦合金航空葉片葉根與緣板拋光工藝參數優化

鄧 凱，何志強，陶劍鋒

(1.中國航發貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽 550000：2.山東天舟精密機械有限公司，山東 棗莊 277870；3.昌河飛機工業(集團)有限責任公司，江西 景德鎮 333002)

0 引言

航空發動機葉片被稱為工業皇冠上的明珠，之所以給與它這么高的稱謂是因為航空發動機葉片幾乎涵蓋了機械加工領域的所有難點。尤其是鈦合金葉片，在很大程度上改善了飛行器結構，減輕結構零件的重量，大幅增加了飛機使用壽命。但是其拋光難度較大，工藝及參數控制不合理極易產生表面熔滴現象，使拋光后的葉片很難滿足設計的幾何精度和表面粗糙度數。

傳統落后的拋光工藝導致葉片幾何精度以及過度圓弧的質量很差，嚴重影響了航空發動機的使用壽命、效率和推力，顯然不能滿足現今航空工業發展的需要[1]。近年來，隨著我國航空業的高速發展，出現了各種各樣的數控拋光航空發動機葉片的方法，砂帶拋光是其中的典型代表，但是砂帶拋光無法對小圓弧半徑葉片的進排氣邊拋光。主要原因在于砂帶拋光機床主要采用力控反饋的方式，力控系統相對復雜，很難進行小圓弧半徑的精確去除，同樣會出現進排氣邊過拋和漏拋現象[2-4]。

本文采用一種電鍍超硬磨料柔性拋光工具，對航空發動機葉片葉根及緣板部分進行數控自動化拋光，開展針對鈦合金材料的拋光工藝參數實驗，研究鈦合金葉片葉根及緣板部分在不同的線速度情況下，其表面粗糙對以及材料去除量問題，形成參數庫，為后續開展鈦合金葉片超硬磨料磨削拋光提供有力的參數支持。

1 電鍍超硬磨料柔性拋光工具

圖1 電鍍超硬磨料柔性拋光輪

目前市面上用于拋光葉片的工具主要有羊毛氈輪、橡膠輪、樹脂輪。這些拋光輪有一系列共同的缺點，如磨料易脫落、陷入基體、形狀保持性差等，無法使用機床進行定軌跡拋光。因此，研制一種具有復雜曲面結構的電鍍超硬磨料柔性拋光工具是極為迫切的[5]。電鍍超硬磨料柔性拋光輪如圖1所示。

該拋光工具特點如下：

(1)通過電鍍方式將金剛石或者CBN固結在直徑0.6 mm～1 mm左右的金屬基體上，該方法解決了磨料易脫落、易陷入彈性基體等問題。

(2)通過模壓的方式形成任意復雜曲面拋光輪，使原本需要五軸機床完成的工作用三軸機床就可以完成。

2 鈦合金拋光工藝參數優化

2.1 研究思路

本次拋光實驗的評價指標有兩個：拋光后的表面粗糙度和去除深度。

①銑制若干個殘高20 μm左右的鈦合金待拋光實驗件；②測定TC4在不同轉拋光轉速下的表面粗糙度，確定該材料拋光轉速的可行域；③對鈦合金材料(TC4)進行拋光實驗，測量不同拋光參數下實驗件拋光去除量和表面粗糙度，優化拋光參數，得到最佳的拋光結果。

2.2 實驗準備

(1)實驗件

材料：鈦合金(TC4)；加工方法：銑削加工，加工刀具為φ50盤刀；殘高：20 μm；實驗目標去除深度：0.03 mm～0.04 mm。

(2)實驗設備

三軸數控拋光機床。

2.3 實驗過程

(1)線速度與去除量以及表面粗糙度之間關系

本實驗選用400#拋光輪對鈦合金試驗件進行粗拋，目的是在實驗件銑削殘高為0.02 mm的情況下，優選一組拋光線速度值，既可以滿足去除量達到0.02 mm，表面粗糙度最低的要求，同時拋光次數最少，效率最高。實驗參數如表1、表2所示。

表1 線速度與去除深度關系表

表2 線速度與表面粗糙度關系表

圖2 燒傷表面

由實驗結果可知，當拋光次數不大于3次時，線速度為2.09 m/s時去除深度達不到要求的0.02 mm，其余3組線速度均可達到去除深度0.02 mm，但是綜合去除深度與表面粗糙度值以及拋光次數對比(效率)，當線速度為4.18 m/s時既滿足去除量要求同時粗糙度值最低。顯微鏡下觀察當線速度為2.09 m/s時，銑削刀紋未完全去掉故粗糙度值較高，當線速度達到5.23 m/s時拋光后的表面會產生燒傷如圖2所示，鈦合金表面出現大量的麻點，在顯微鏡下觀察為無規律的凹坑。使試件的表面粗糙度變大。經實驗可知金剛石柔性拋光輪拋光TC4的線速度應控制在5.23 m/s以下，在本組實驗中首選4.18 m/s。

(2)預壓量與去除量之間的關系

為了進一步提高拋光效率，在選定最優線速度4.18 m/s之后，改變拋光輪的預壓量，研究在不同的預壓量情況下拋光輪的去除量情況。優選一組預壓量值既可以滿足去除量的要求同時拋光次數最少效率最高。參數如表3所示。

表3 預壓量優化參數表

根據表6知在線速度同為4.18 m/s的情況下，預壓量為0.4 mm時，拋光次數最少效率最高。

(3)試驗件精拋光

由于精拋只是改變試件的表面質量研究其粗糙度值，試件去除量不作為重點研究對象。根據優化后的粗拋參數，采用拋光輪目數為2000#，進給速度為500 mm/min，行寬為0.025 mm。通過改變線速度值，試驗件獲得小于0.2 μm粗糙度值。優化后的精拋光實驗數據如表4所示。

表4 精拋參數表

分析表4可知，該精拋實驗當線速度為2.62 m/s與1.57 m/s時滿足要求的粗糙度值小于0.2 μm。其拋光后表面顯微形貌如圖3所示。

圖3 拋光表面

根據拋光后顯微鏡觀察當粗糙度為Ra0.18 μm與Ra0.12 μm時，試件表面均非常光滑，無麻點凹坑現象。粗糙度值為Ra0.12 μm時試件表面紋理更加平順整齊。

該組實驗最終確定了粗拋線速度值為4.18 m/s，預壓量為0.4 mm。在粗拋的基礎上進行了精拋實驗，最終達到粗糙度值小于0.2 μm。線速度值在1.57 m/s時，最優值可達到0.12 μm。

3 實例驗證

根據上述實驗對某型號鈦合金葉片緣板以及葉根進行拋光實例驗證。首先對拋光輪幾何結構、幾何尺寸進行設計確定，接著針對葉片結構研究拋光輪裝夾方案，同時采用試驗得出的拋光參數對葉根、緣板以及葉根緣板的搭接處進行編程，最后進行試驗輸出結果。

3.1 拋光輪幾何結構設計

葉根處的曲率變化極大，要結合數控機床實現拋光的自動化，應本著拋光工具與葉片避免發生干涉的原則進行設計。由于葉根處典型的非開敞結構，拋光葉根時干涉主要發生在刀具與葉身、緣板之間。

避免干涉的措施應依據葉根的兩個幾何參數來制定，即葉根導圓的半徑和葉片根部葉盆處的最大圓角半徑。如圖4a所示，拋光輪的鼓形半徑R1應小于葉根導圓處的內圓角半徑R2，否則，拋光葉根導圓時，拋光輪會與葉根、葉身銜接處和緣板處發生干涉。如圖4b所示，拋光葉盆處的葉根時，需設計拋光輪的回轉半徑R1′小于葉盆處葉根截面的最小曲率半徑R2′，否則，拋光葉盆處葉根時，拋光輪會與葉片的進、排氣邊處發生干涉，導致葉片報廢。

(a) 參數1 (b) 參數2

根據以上分析，拋光葉根時拋光工具應根據葉片參數按表5進行設計。

表5 拋光輪設計規則

3.2 裝夾方案

對于軸向尺寸較小的葉片，拋光葉根區域時，可選用三軸數控機床采用立位裝夾，工具選用端拋鼓形拋光輪，該種裝夾方式編程方便，可對葉片進行高效的拋光，僅用三軸數控機床即可完成，有效節約了資源。

用此種工藝拋光葉根應注意三點，如圖5所示，首先，為避免刀具夾頭與葉尖之間發生干涉，應合理設計拋光輪的桿長和拋光輪的直徑，使裝夾之后露出部分的桿長L1大于葉片葉頂到葉根的軸向長度L2；其二，拋光輪的直徑應能夠避免拋光輪桿與葉片彎扭幾何部分之間的干涉，即L1′>L2′;其三，合理設計拋光輪端面拋光的鼓形半徑及端面拋光的磨粒區域，使之能夠對葉根區域實現全面的拋光。

圖5 防干涉示意

選用某轉子葉片進行研究，確定其葉片長度為100 mm，導圓半徑R2為2 mm，葉盆處最小曲率半徑R2′為30.2 mm，葉片拋光要求為去除銑削刀紋，表面粗糙度小于0.2 μm。確定現有可用拋光輪直徑為φ54 mm，鼓型半徑為R1.5 mm。采用3軸機床進行立式拋光。

葉片緣板拋光分為粗拋和精拋兩部分，粗拋采用400#拋光輪，精拋采用2000#拋光輪，具體拋光參數如表6、表7所示。

UG自動生成的加工刀路如圖6所示。

圖6 拋光示意圖

表6 葉根與緣板粗拋參數表

表7 葉根與緣板精拋參數表

通過拋光后的葉片測量數據可知，葉片緣板處粗拋可以滿足去除量要求，精拋后葉片緣板處的粗糙度為Ra0.14，滿足要求中的不大于Ra0.2。如圖7所示。

(a) 葉根緣板拋光前 (b) 葉根緣板拋光后

4 結論

(1)本文采用電鍍超硬磨料柔性拋光工具針對鈦合金材料展開可一系列的拋光工藝參數優化，最終選出400#、2000#拋光輪最優拋光工藝參數。

(2)拋光航空發動機葉片時需要拋光輪的鼓型半徑R1<葉根的導圓半徑R2,拋光輪的回轉半徑R1′<葉盆處最小曲率半徑R2′。同時，拋光過程中線速度值是一個非常重要的參數，粗拋過程中線速度值應不超過4.18 m/s，否則會出現葉片表面燒傷現象，精拋過程中線速度值不超過1.57 m/s，拋光后粗糙度值可達到Ra0.12 μm。