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砂帶在航空發葉片打磨拋光的應用

砂帶在航空發葉片打磨拋光的應用

2022-01-20 12:39:46 0

航空航天是一個國家高端裝備科技實力的最好體現,而葉片作為提升航空發動機性能的關鍵零件之一,其所處地位舉足輕重。


典型的航空發動機葉片(以下簡稱葉片)加工主要經過下料、精密銑削、型面粗精磨拋等重要的工藝流程。


磨拋加工一般作為快速提高葉片表面光潔度與尺寸精度的重要工序之一,受限于國外高端數控裝備的首次巨額投資等原因,一般規模企業依舊采用傳統耗時長、產能差、加工精度低的手工磨拋方式。為此,國內學者對葉片加工工藝及方法開展了不同程度的研究。


7軸聯動數控砂帶磨床加工系統

葉片型面7軸聯動數控砂帶磨床加工系統原理圖如圖1 所示,為使葉片適應航空發動機大推重比的苛刻要求,葉片型面幾何造型較為繁瑣復雜,并且表面各刀觸點處法向矢量與切向矢量變化頻繁。


數控砂帶磨床的7個坐標軸如圖1 所示,葉片單次裝夾便可完成包括葉片主型面、葉根圓角、進排氣邊、阻尼臺等諸多難加工區域的磨拋加工,較高程度上提高了葉片型面的磨拋加工精度及自動化程度。


其中第7 軸可根據輸入NC程序中M 軸數值的不同實時改變磨拋壓力大小。


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砂帶磨削在作業過程中同時有材料切除與提升表面質量的雙重作用,因此其在復雜曲面類零件光整加工領域有著不可或缺的作用。


本文所應用的砂帶磨削方式為接觸輪與工件表面相接觸,刀具與工件之間的接觸方式可近似看作為線接觸,此切削方式較其他接觸方式相比工作效率更高。


分析葉片三維幾何模型與精密銑削后的工件,可以計算出各刀觸點處的余量分布信息,將此分布信息作為磨拋壓力施加的依據進行實際加工試驗。


以上分析方法具體流程為:
a. 依據實際磨拋精度設定匹配精度并評估計算參數點數目;


b. 將磨拋前待加工工件置于白光測量儀下,依據所設定的測量路徑得到刀觸點位置信息;


c. 將步驟b 得到的刀觸點位置信息進行預處理;


d. 結合葉片三維幾何模型、接觸輪半徑和砂帶厚度等信息得到實際磨拋余量分布信息;


e. 計算施加于接觸輪上的磨拋壓力Fp;


f. 依據步驟e 得到的結果,對葉片型面進行實際磨拋,以達到最終加工目的。


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如圖3 所示為實際葉片型面整體磨拋余量分布云圖,其中紅色區域表示葉片型面上余量較多區域,由圖可以看出葉片待磨拋余量總體分布于葉片兩端進排氣邊處,其中部余量相對兩邊較少,故葉片中部施加壓力較兩邊相比較小。


葉片型面刀觸點處磨拋壓力計算


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本文采用的磨拋方式為縱拋,如圖4 所示,砂帶磨拋葉片型面的全部過程中,其刀心點常駐于其型面上方的偏置面上,單就輪型磨拋工具來看,可視為接觸輪的刀心點始終被約束于偏置出的葉片型面上,其中偏置距離為砂帶厚度、刀觸點處的余量及接觸輪半徑的總和。


為適應其導動面位置與形狀的實時變化,任一刀觸點的法向矢量始終重合于刀位點與刀觸點的連線OP,故磨拋軌跡布排方式的不同實則與被磨拋曲面形狀無太大關系。


為保證砂帶在作業過程中,作用于接觸輪上的力Fp不致于過大而導致過切現象。


所以接觸輪一般采用彈性材料,并行補足了作業過程中由于外部因素如溫度、濕度等產生的誤差。


由于接觸輪為彈性材料結合磨削工藝獨特的加工方式,作業過程中,輪型工具必定會產生一定程度上的變形。


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將以上分析方法應用于實際磨拋試驗如圖5 所示,NC 程序生成軟件為筆者基于OCC(Open CASCADE)軟件平臺開發而成如圖6 所示。


磨拋加工試驗部分工藝參數為:磨料材料為xxx,砂帶粒度為30 目,砂帶規格為3000mm×5mm(周長× 寬度),磨削方式為濕磨,走刀趟數為119 趟,砂帶線速度為20m/s, 磨拋工具進給速度為800mm/min。


抽取單條極具代表性參數曲線,將測試刀觸點數據進行分析如表1 所示。


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由表1 可以看出磨拋余量計算誤差ψ 低于10%,并且接觸輪磨拋壓力在葉片邊緣區域較大,符合以上分析的余量分布云圖,經數控砂帶磨床磨拋后,檢測葉片表面粗糙度與尺寸精度均符合實際拋光打磨要求,并且葉片表面光潔度較高,如圖7 所示,具體檢測結果如表2所示。


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7 軸聯動數控砂帶磨床磨拋加工工藝,并且結合接觸輪寬度、彈性模量等磨拋要素優化了機床作業加工時施加于接觸輪上的壓力,最后經過實際磨拋加工試驗,驗證了本文分析方法,并且得到一致性較好的葉片型面。

砂帶磨削是彈性接觸磨削(有別于固結磨具—如砂輪等)

砂帶磨削是磨粒對工件表面的擠壓作用,并使之產生塑性變形、冷硬層變化和表層撕裂,以及由于摩擦使接觸點溫度升高,而引起的熱塑性流動等綜合作用。

所以,從這點來看,砂帶磨削同時具有磨削、研磨和拋光的多重作用。這也正是砂帶磨削表面質量好的原因。

另一方面,由于砂帶的這種彈性磨削特點,還使砂帶在磨削區域內與工件接觸的長度比砂輪大,同時參加磨削的磨粒數目多,單顆磨粒所受載荷小,且均勻,磨粒破損小,而使整個砂帶的磨耗比小。

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