葉片型面加工顫振控制研究

□ 邵 莉 □ 王 波

中國航發西安航空發動機有限公司 西安 710021

1 研究背景

航空發動機葉片是復雜薄壁曲面類零件,是航空發動機的重要零件之一。葉片的加工質量將會嚴重影響整個航空發動機的使用性能和壽命。一般采用數控機床加工葉片,在半精銑、精銑型面時,葉片存在顫振現象。葉片型面壁越薄、結構越復雜,顫振現象越嚴重,葉片表面加工質量越差,由此嚴重影響葉片的加工合格率。切削顫振的振動頻率主要由機床切削系統的模態固有頻率決定,自激振動是導致切削顫振的主要原因,只有提高加工系統的質量和剛度,才能夠消除葉片的加工顫振現象[1-4]。

顫振屬于自激振動的一種。顫振不僅對葉片加工表面粗糙度、加工精度產生不利影響,而且會產生噪聲,破壞刀具與機床設備,使生產率下降。通常切削顫振與加工葉片剛性相關,主要的控制方法是改變切削參數,如主軸轉速、進給量、切削深度、刀具參數[5-6]。長期以來,許多學者都致力于對機械加工顫振理論進行研究,以求揭示顫振機理,掌握顫振規律,從而加以有效控制[7-9]。田衛軍等[10]研究了薄壁葉片多軸加工顫振抑制方法,提出薄壁件穩定切削的刀軸矢量控制方法、非均勻余量優化方法,并進行了試驗驗證。

航空葉片的部分尺寸測量基準為葉片頂尖孔,因此頂尖孔位置誤差在一定程度上會影響葉片的尺寸測量結果。筆者提出采用澆鑄工藝技術,澆鑄頭套工裝進行榫頭型面加工,再鉆頂尖孔,這樣可以消除葉片在半精銑、精銑加工時由顫振引起的變形,并重新對葉尖部位的中心進行校正。目前,對澆鑄工藝在葉片加工過程中應用的論述較少,筆者詳細論述了澆鑄工藝在葉片加工過程中的工藝優化,在國外澆鑄工藝基礎上進行創新,采用葉片局部澆鑄。通過新工藝,不僅可以提高葉片的加工剛性,減少葉片的加工顫振,而且可以校正葉尖部位的中心孔,避免變形對葉片測量的影響,提高葉片加工表面質量及合格率,對類似結構零件的加工制造有一定參考意義。

2 工藝路線設計

葉片的傳統加工工藝路線為先鉆中心孔,再通過夾持葉片榫頭和頂緊中心孔,先后進行半精銑和精銑葉身型面。由于局部澆鑄技術可以提高葉片的加工剛性,減少葉片的加工顫振,校正葉尖部位的中心孔,因此對原加工工藝路線進行重新設計優化。優化后的工藝路線為先澆鑄頭套,再通過夾持葉片榫頭和頭套的外圓面進行半精銑、精銑葉身型面加工,最后鉆中心孔。葉片加工工藝路線優化前后對比如圖1所示。

▲圖1 葉片加工工藝路線

3 關鍵工藝控制技術

在實際加工過程中,由于葉片壁薄、型面復雜的結構特點,在銑型面時,葉片會產生顫振,在葉身型面上出現明顯振刀紋,嚴重時會導致葉片報廢,嚴重制約葉片的加工效率和生產周期。在葉片葉尖部位增加工裝,提高葉片毛坯的質量和剛度,可以提高半精銑、精銑加工系統的穩定性,有利于消除葉片顫振的影響。

基于以上分析,對現有的葉片加工工藝路線進行優化。在進行半精銑葉身型面加工前,引入澆鑄工藝,采用錫鉍合金對葉片葉尖部位澆鑄頭套工裝。錫鉍合金熔化溫度為138 ℃,澆鑄溫度為151～165 ℃。澆鑄頭套工裝如圖2所示。對葉片葉尖的工藝臺進行包絡,并固定在夾具上。澆鑄夾具的一端是采用榫頭的工作臺,和地面定位壓緊,另一端懸空在V形塊上。澆鑄夾具如圖3所示。澆鑄頭套后對葉片的葉身進行半精銑和精銑型面加工。銑削夾具如圖4所示。

▲圖2 澆鑄頭套工裝

▲圖3 澆鑄夾具

▲圖4 銑削夾具

由于葉片壁薄,葉片在半精銑和精銑型面的過程中葉尖型面容易變形。在銑削加工后,由于葉尖變形,會使頂尖孔產生位移。頂尖孔是葉片后續部分尺寸測量的基準,頂尖孔產生的位置誤差在一定程度上會影響葉片的尺寸測量結果。每次校核工裝的位置均是按照榫頭的位置來確定的,葉片澆鑄頭套后進行葉片型面加工,再鉆頂尖孔,這樣既消除了半精銑、精銑加工帶來的變形,又對葉尖部位的中心進行一次校正。待銑削全部完成后,對葉片葉尖鉆中心孔,然后對澆鑄頭套工裝進行合金熔化,去除頭套。由此保證了葉片的加工精度,提高了葉片的加工質量和合格率。

澆鑄頭套后,使用專用檢測工裝對澆鑄頭套的位置進行檢測。如果澆鑄頭套的位置相對于葉片積疊軸位置大于0.05 mm,那么表示澆鑄頭套位置不合格,需要熔化再重新澆鑄。檢測合格后,才能進行后續工序加工。澆鑄頭套位置檢測工裝如圖5所示。

4 試驗結果

采用優化后的葉片銑削工藝進行葉片銑削加工試驗,工藝優化前后加工試件表面質量對比如圖6所示。由圖6可以看出,在工藝優化前,葉片靠近葉冠的部分出現明顯振刀紋,嚴重影響葉片的表面粗糙度;在工藝優化后,加工的葉片表面粗糙度較好,無振刀紋產生,且葉片型面輪廓度、表面粗糙度均有明顯改善。工藝優化前后葉片加工表面質量檢測結果見表1,其中,葉片型面輪廓度位于距進氣、排氣邊緣3 mm范圍內。

▲圖5 澆鑄頭套位置檢測工裝

由表1數據可以看出,增加澆鑄頭套工序,有效避免了顫振的發生,提高了葉片型面加工的表面粗糙度和輪廓度,并且提高了葉片的加工效率和合格率。

表1 葉片加工表面質量檢測結果

▲圖6 加工試件表面質量

5 結束語

筆者分析了航空發動機葉片所具有的壁薄、型面復雜結構特點,以及在銑削加工中產生顫振及合格率較低的原因,提出對原銑削工藝進行優化,設計澆鑄頭套工裝及澆鑄工序,提高葉片在加工過程中的質量與剛度。通過試驗驗證,采用優化后的銑削工藝,可以有效避免顫振發生,改善葉片型面的輪廓度、表面粗糙度,提高葉片的加工質量和合格率。筆者所做研究對類似結構零件的加工制造具有一定的參考意義。