航空钛合金叶片实现数控砂带磨削的几个必要条件和相应对策

2016年07月12日 9:52 32162次浏览 来源:   分类: 钛应用

导读: 对于航空发动机来说,核心机一旦定型,后续发展主要通过采用新技术、新设计,加大风扇直径,增加增压压气机级数,改进高压压气机、高压涡轮叶型设计,提高高压涡轮叶片材料与涂层的耐高温性能等来提高部件效率和发动机的推力。这其中,表征循环参数的高温热部件材料的发展相对较慢,而压气机叶片、风扇叶片设计改进较为频繁,可以说,钛合金压气机叶片和风扇叶片制造是航空发动机制造的关键技术之一。

  对于航空发动机来说,核心机一旦定型,后续发展主要通过采用新技术、新设计,加大风扇直径,增加增压压气机级数,改进高压压气机、高压涡轮叶型设计,提高高压涡轮叶片材料与涂层的耐高温性能等来提高部件效率和发动机的推力。这其中,表征循环参数的高温热部件材料的发展相对较慢,而压气机叶片、风扇叶片设计改进较为频繁,可以说,钛合金压气机叶片和风扇叶片制造是航空发动机制造的关键技术之一。
  目前,国内航空发动机制造企业几乎均采用人工修磨进排气边的方式制造钛合金压气机叶片、风扇叶片和导向叶片,叶片进排气边厚度散差较大、一致性差,型线不准确,叶片质量不高。随着汽轮机行业逐步采用数控砂带磨床加工叶片型面和进排气边,航空发动机制造企业也相继提出了采用数控砂带磨削加工进排气边的要求,迫切希望能够通过数控砂带磨解决进排气边磨削加工这一航空发动机叶片制造的难题。本文通过对航空钛合金叶片工艺特点的分析和对不同叶片数控砂带磨削的生产实践、工艺试验、验证分析,总结提出航空钛合金叶片实现数控砂带磨 削的几个必要条件和相应对策。
  进排气边磨削加工难点
  航空发动机叶片和汽轮机叶片的制造工艺差别很大,前者主要采用成型法,而后者主要采用去除材料法。汽轮机叶片的材料多为不锈钢,一般先是铣削出叶片径向面作为径向基准,加工肩台或榫槽与顶尖孔作为轴向基准,然后采用多轴联动机床加工叶身型线,最后经数控砂带磨抛光完成;航空叶片一般采用钛合金精密锻造、铸造方法制造压气机叶片,采用扩散连接/ 超塑性成型(DB/SPF)法制造钛合金宽弦风扇叶片,叶片型面是靠模具成型保证的,型面精度空间误差不超过0.15mm,成型后不再加工,直接用作型面定位夹具的基准用来加工叶根榫槽和进排气边。因此,航空钛合金叶片的加工主要是进排气边的加工,对于数控砂带磨削加工,其加工难点有以下几个主要方面。
  (1)航空叶片进排气边非常薄,大型的风扇叶片也仅有R0.3mm 左右,小的压气机叶片有些甚至会达到R0.1mm 级别。这就使得在进行砂带磨削时,必须采用很小的接触力进行磨削,否则难以保证型面精度,这对于砂带磨削装置的接触力控制提出了很高的要求。
  (2)磨削余量不均匀。锻造的钛合金压气机叶片和超塑成型风扇叶片一般采用铣削或线切割进排气边锻造飞边(保证弦宽),然后进行进排气边磨削抛光加工,这一加工特点使得进排气边圆角(或局部椭圆截面)部分加工余量很不均匀,如下图所示:红色部分为毛坯外轮廓,圆弧部分为进排气边的理论曲线。
  (3)叶片变形问题。这个问题和磨削余量不均匀是同类问题,锻造钛合金叶片和超塑成型叶片均在一定温度下完成形变,受残余应力影响都存在变形,尤其是压气机叶片,变形的数量级与叶片进排气边厚度在同一量级,达到0.1mm 以上,这和航空叶片一般型面空间误差0.05mm 左右相比就太大了,必须予以修正。
  (4)基准问题,型面定位、叶片装夹后的一致性问题。精锻叶片和超塑成型叶片型面精度很好,但仍然是粗基准,这和汽轮机叶片铣削基准相比还是比较粗。如上所述,这个装夹定位误差在数量级上和叶片变形误差相当,这也是不能不考虑到的一个重要影响因素,也必须通过修正坐标系来解决。
  此外,进排气边磨削时,冷却条件不好,很薄的边缘散热条件不好,叶片进排气边容易产生烧蚀,这也给叶片进排气边磨削带来一定困难;对于超塑成型风扇叶片,除了进排气边,型面也需要磨削抛光,还存在型面余量不均匀、变形误差等问题。
  叶片数控砂带磨削关键技术
  1、对砂带装置进行改进
  通过汽轮机叶片生产实践完善数控砂带磨削装置单元化技术,优化控制技术和六轴联动编程技术,积累叶片数控砂带磨削工艺数据。 随着生产中不断反映出的要求,对砂带装置的改进也是持续进行的,主要的改进包括:
  (1)砂带机构低摩擦导向机构的装配结构优化,以降低导向机构静摩擦力,提高浮动砂带机构灵敏度,提高接触力控制精度;
  (2)更新低阻浮动气缸以提高接触力控制精度;
  (3)优化砂带轮系结构、改善装配工艺性以提高轮系轴线平行度,增大接触轮砂带包络角度,提高高速砂带运行稳定性;
  (4)优化B 轴设计,采用无背隙轴承减速机B 轴传动,提高B 轴动态性能10 倍以上,扩大了B 轴摆动范围(适应风扇叶片大幅度弯曲变化);
  (5)优化C 轴设计,采用分片齿轮消隙,减少了C 轴尺寸和结构质量,提高C 轴精度和动态特性;
  (6)改进C 轴和砂带机构整体防护,基本做到砂带机构免清洁、免维护;
  (7)采用横向磨削改进粗加工编程方法,提高叶片加工效率;
  (8)采用新材料接触轮,接触轮寿命由7~10 天左右提高到15~20 天左右。
  通过优化设计,目前单元化的砂带磨削装置体积更小,接触轮压力控制最小达到5N 级别,整机可靠性大幅度提高,基本可以做到运行免维护,正在试验中的新型导向机构和压力控制装置将进一步提高接触压力控制精度,接触力控制精度不超过0.5N。
  2、静叶片强力磨削试验
  试验目的是通过汽轮机静叶片强力磨削成型验证强力磨削成型工艺方法和型面精度控制方法。
  通过对常见静叶片型面特征的分析,可以看到,静叶片曲面扭曲很小,甚至是桶状叶型,尤其是不带冠叶片,只有叶身型线部分(首尾两端加工后切除),叶身型线非常适合数控砂带磨削成型。对于六轴联动数控砂带磨床,选择合适的接触轮直径、硬度和砂带宽度,采用强力磨削直接成型静叶片型面是可行的;并且由于砂带磨削线速度高,拥有比铣削更高的金属去除率,采用强力磨削直接成型静叶片型面,在效率方面会优于铣削。
  3、超塑成型风扇叶片试验
  本试验目的是通过超塑成型风扇叶片磨削试验积累航空钛合金叶片磨削工艺数据(试验中)。钛合金超塑成型空心叶片毛坯叶身单边余量约0.5mm,进排气边为线切割割出,余量最大约3mm,装夹基准为叶根部位的矩形肩台(线切割割出,误差不超过0.1mm),要求采用数控砂带磨削加工出进排气边圆角(椭圆截型)并修磨叶身曲面至尺寸。
  对于航空钛合金叶片,通过砂带磨削修形,磨削出进排气边圆弧(或椭圆)截型是必需的;保证准确型线的关键是磨削接触力,提高接触力控制精度,降低磨削接触力是实现航空钛合金叶片进排气边准确加工的关键。
  根据前文所述航空钛合金叶片的特点和几种代表性的叶片砂带磨削的试验研究,我们可以总结出现行工艺条件下航空钛合金叶片型面和进排气边数控砂带磨削的几个必要条件和已有对策。
  (1)现行工艺条件下,航空钛合金叶片毛坯型面和进排气边制造误差均大于允差,要求数控砂带磨具备修正、磨削成型和抛光功能,因此数控砂带磨削必须建立在对叶片装夹状态的准确测量基础上,也就是机床设备必须具有在位测量功能(机内测量),并且检测方式尽可能采用非接触式,以免在压气机小叶片测量时造成不必要的变形。可能采取的方式为基于多目视觉原理的CCD 测量或线激光扫描,考虑到毛坯反光的因素,目前线激光扫描似乎比CCD 测量略占优势。
  (2)基于实测、反求的快速模型重构技术,测量的目的是加工,必须通过模型重构迅速生成在现实毛坯误差或装夹差异状态下的模型,并且判断出是否能够加工出合格的产品并生成或修正加工程序,进行加工。在修正叶片型线的应用方面,更是离不开模型重构和模型比对的支持,否则根本不知道该加工哪里。考虑到叶片加工效率,这一过程基本可以控制在5min 左右完成。
  (3)砂带磨局部修正功能。较大的偏差可以通过强磨休整,多走几遍理论轨迹来修正,但是对于小于0.1mm 的偏差修正,实时压力控制的变压力磨削会更有效。目前,关于变压力磨削编程控制已经做了试验,实现已经不是技术难题。
  (4)低摩擦导向和小接触力控制是实现航空钛合金叶片进排气边准确加工的关键,对于R0.1mm 级的进排气边磨削成型和抛光,接触力可能会小于2N,考虑到磨削质量,接触力的分辨率不会高于0.5N,最好能控制在0.1N 级别。这将对砂带机构导向装置提出挑战,目前在试验的导向装置和浮动执行机构基本可以做到零摩擦,剩下的就是降低砂带浮动机构质量提高运动灵敏度了。
  (5)适应航空钛合金叶片结构特点的机床结构。对于压气机叶片中的锻弯叶片和掠型的风扇叶片,加工时B 轴摆动角度会要求更大,机床设计应充分考虑;大型风扇叶片扭曲接近90°,加工时C 轴摆角变化相应地也会非常大,也是机床设计布置中考虑的重点。

责任编辑:淮金

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