高速葉尖磨床綜述

雷凱淞

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

高速葉尖磨床是專為航空發動機葉尖磨削設計的，設備配有自動平衡裝置、自動激光實時測量系統、自動去毛刺系統以及砂輪修整系統。適合磨削壓氣機葉片葉尖和渦輪葉片葉冠。

1 應用特點

高速葉尖磨床主要用于風扇轉子、壓氣機轉子、高/低壓渦輪轉子葉尖的組合磨削加工，模擬發動機工作轉速狀態進行葉尖磨削，同時，可以在葉尖磨削后進行平衡，有助于提高部件的平衡質量，從而做到提高、穩定整機性能和質量。

以某發動機風扇增壓級轉子為例，如圖1所示，其葉片材料為Ti-6Al-4V MAS3004，轉子直徑Ф1009mm，加工精度0.1mm，葉尖跳動要求不大于0.04mm，表面粗糙度大于Ra0.8μm，葉片葉尖與軸線的夾角最大16°59′，公差均為±5′。由于風扇增壓級組件的葉片榫頭與榫槽之間存在間隙，要求加工轉子葉片葉尖尺寸時，須保證增壓級各級葉片榫頭工作表面與增壓級鼓筒貼合。因此，需采用高轉速的高速葉尖磨床，提高轉子加工時的轉速，以便通過離心力的作用將轉子葉片榫頭工作表面與增壓級鼓筒貼合，從而進行葉尖的磨削加工。

圖1 發動機風扇增壓級

表1 高速葉尖磨技術指標對比表

2 設備原理及組成

高速葉尖磨床的原理，是通過提高的工件轉速模擬發動機工作狀態，使葉片榫頭與輪盤或鼓筒的榫槽緊密地貼合，進行磨削與在線測量，從而使得磨削后的葉片外徑尺寸與工作狀態保持一致。轉子葉片高速磨削工藝是保障發動機工作性能的重要工藝方法。

高速葉尖磨床設備主要由床身、工件驅動裝置、工件托架、去毛刺單元、修整裝置、葉尖測量系統、機床防護罩、電氣系統、空氣系統、電氣控制與數據采集系統、砂輪的自動平衡裝置以及中央空氣供應和監控系統等組成。

圖2 高速葉尖磨示意圖

（1）機床床身。由于采用鑄鐵，機床床身本身穩定性高，并且作為機床的基礎，測量系統基座單元以及磨削和刷子附件置于同一機床床身上。所有接觸面均經過精加工以及刮研。通過固定元件將床身固定在地基上。

（2）工件驅動裝置。工件驅動裝置位于機床床身上，主要包括有一個可調節交流伺服電機，用于通過一個平衡驅動軸驅動轉子。這一裝置用于加工過程中控制轉子的速度及方向。工件旋轉的速度及方向可在工件參數中設置。

圖3 高速葉尖磨床身

圖4 工件驅動裝置

（3）工件托架。重型前側和后側工件托架均安裝在機床底座上。前側工件托架為固定安裝，而后側托架可以沿著機床底座進行移動和定位，以便適用不同的轉子型號。后側托架的移動是通過滾軸絲杠實現的；在確定的位置上剛性夾緊后側托架。

固定在前側和后側工件托架上的定位基準塊用于工件托架的校準。由NC程序自動計算偏差數值。

（4）用于磨削支撐裝置/防塵的橫向軸和縱向軸。

圖5 工件托架

線性導軌和滾軸絲杠上配有多層防塵保護罩，確保這些元件能夠無故障運行和擁有較長的使用壽命。

圖6 首層伸縮式導軌防護罩覆蓋導軌以及滾軸絲杠

（5）修整裝置。機床包括有一個用于修整砂輪的修整裝置。可以通過CNC控制系統進補償修整數值。通過一個金剛石輪進行修整。這樣可以進行幾乎沒有磨損的修整，特別是在干式磨削的時候。轉子驅動側還裝有另外一個修整裝置，用于修整曲面葉片的外型。

圖7 修整裝置

（6）電氣設備。機床的控制系統為Siemens 840Dsl系統。開關柜符合VDE標準。電氣柜在電纜槽內均配備有完整的絕緣材料，包括冷卻單元。CNC控制、可以與電子AC伺服電機連接。

（7）葉尖測量系統。轉子測量系統通過正切測量方式對葉尖進行測量。此測量系統可以用于在磨削速度下測量葉尖。可以測量轉子上的每個葉片。每一層葉片的最大/最小以及平均半徑值都將被測量出來。測量結果將會被儲存在數據庫中以備將來使用，或者可以以測量報告的形式打印出來。同時，也可以測量任意一個獨立的葉片。測量系統配備有充足的防護裝置，防止機械撞擊以及灰塵。

（8）機床防護罩。吸音外罩帶有空調系統，用于溫度控制。機床外罩包括有維護門；維護門的狀態電氣鎖緊，帶有安全開關等裝置。

圖8 激光測微儀

機床外罩正好外繞整個機床，以保護操作人員受到高速旋轉工件的傷害。機床或者整個系統的噪音等級不會超過75分貝。機床外罩在頂部帶有一個上料艙門，可以使用天車系統上料轉子。配備有用于裝載以及卸載砂輪的附件裝置。

（9）空氣過濾裝置。機床配備有一個粉塵抽排單元，用于收集在磨削和修整操作過程中產生的粉塵。

3 設備選型要點

高速葉尖磨床的主要性能指標包括工作臺中心高、磨削直徑、最大磨削長度、最大零件重量、砂輪線速度、工件轉速、在線測量精度等。在進行設備選型時，需根據設計要求、工藝要求進行參數選擇。

目前，國內沒有生產高速葉尖磨床的廠家。國際上生產高速葉尖磨床的廠家有西班牙達諾巴特公司、德國銳鋒公司等。本文對這兩個廠家的高速葉尖磨床進行了調研，以磨削直徑Φ1400mm的該設備為例，指標對比如下。

4 設備安裝需求

進口高速葉尖磨床集成度較高，對土建、廠房環境和專業消耗的要求并不太高。

（1）土建。需做獨立設備基礎、隔振溝等。

（2）廠房環境。設備自帶防護罩，并配備空調裝置以保證溫度在工作區域內，保證磨削工藝要求；設備自帶抽風除塵裝置，以清除磨削和修整操作過程中產生的粉塵。因此，該設備對廠房環境要求不高，一般安裝在空調廠房即可。

（3）專業消耗。耗電量：約100kW～200kW；壓縮空氣：壓力0.6～0.8MPa，管徑約15mm；循環水：設備一般自帶冷卻循環系統，需定期加入循環水。

5 結語

采用高速葉尖磨床進行轉子葉片葉尖的磨削，已經成為現役航空發動機裝配和修理的重要工藝手段。如何選擇合適的高速葉尖磨床，如何優化工藝、設定合理的磨削參數，是工程技術人員必須掌握的。未來，我國裝備制造業也應朝著集成化、精密化、高效、高可靠性的方向快速發展，盡快打破國外技術壟斷，為航空發動機的研發制造助力。