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航空發動機鈦合金葉片機器人浮動砂帶磨削技術及其試驗研究

航空發動機鈦合金葉片機器人浮動砂帶磨削技術及其試驗研究

2022-01-20 12:38:19 0

摘要 

壓氣機鈦合金葉片為航空發動機關鍵零部件,其制造質量和加工精度對整機工作性能有至關重要的影響。


由于該葉片型面結構復雜,打磨工作常由人工完成,其打磨效率低,打磨質量一致性難以保證。


對航空發動機鈦合金葉片機器人浮動砂帶磨削技術進行分析,并進行了相關試驗研究。


試驗結果表明鈦合金葉片的機器人浮動砂帶磨削技術能適應鈦合金葉片的打磨要求,打磨后的葉片表面粗糙度 R在 0.4μm 以內,表面三維形貌一致性較好,磨削后的進排氣邊的形狀保持一定的圓度狀態。

關鍵詞:航空發動機;鈦合金葉片;機器人;砂帶磨削;浮動磨削


葉片對航空發動機性能起著至關重要的作用。

正常運行情況下,航空發動機中的大量零部件需要長期工作在高溫、高轉速、高壓力的惡劣環境下,要求各個零部件能穩定運行且具有較長的壽命。因此,航空發動機葉片通常采用鈦合金、高溫合金等難加工材料制造,且加工精度要求高 。

鈦合金葉片在銑削完成后,工件型面會留下明顯的刀路凹痕(深度 20~50μm)以及表面硬化層,其加工精度與表面質量遠未達到最終質量要求,葉片型面的最后加工幾乎普遍依賴于表面光精加工。

目前鈦合金葉片多通過人工打磨的方式進行,受人工操作的影響,打磨區域表面完整性及一致性無法得到保證,打磨效率低下,周期長,無法滿足產品的批量化生產需求,部分零部件還存在打傷基體或葉片的情況,給產品質量帶來隱患。

可見,常規加工工藝難以滿足產品加工的需求,為提升發動機零部件的壽命和可靠性,急需開展復雜型面葉片打磨技術研究,通過相關制造工藝及智能化技術的研究來提升產品質量及加工效率。

本文首先分析了砂帶磨削與工業機器人智能加工對鈦合金葉片打磨的工藝適用性,隨后在鈦合金葉片機器人砂帶磨削實驗平臺上進行了試驗研究,最后對打磨后的葉片進行檢測和評價。

崔海軍等指出航空發動機葉片拋光依靠手工拋磨仍存在一系列問題,發展葉片自動化拋光是我國航空制造業發展所必須的。

機器人砂帶磨削系統具有柔性好、易擴展的特點,能作為一種葉片精密磨削的有效手段,提高柔性高精度加工能力和促進國家制造業裝備產業升級。

張振龍設計了一款儲罐焊縫打磨機器人代替人工打磨,能在一定程度上代替人工打磨,提高作業效率,減輕勞動強度。經該打磨機器人打磨后的工件表面能露出金屬光澤,表面粗糙度 Ra 小于 25μm,但此打磨精度不能滿足航空發動機關鍵零部件打磨要求。

董吉順等搭建了應用于輪輞焊縫打磨的機器人自動打磨系統, 相對人工打磨,該系統能在保證輪輞加工質量的同時大幅提升工作效率。

吳斌等剖析了鋁合金不同位置的打磨工具和打磨方法的選擇,指出正確選擇打磨工具和打磨方法能有效提高鋁合金打磨質量和打磨效率。

張宏之等通過三坐標測量儀最佳擬合法檢測模鍛葉片,確定葉片型面加工余量,再采用自適應砂帶磨削方式對航發模鍛葉片材料定量去除,雖然該技術在數控機床上已經發展成熟,但數控磨削相比機器人磨削來說成本更高且靈活性更低,因此不能廣泛使用于航空發動機鈦合金葉片的打磨。

甘中學等研制了一套針對復雜型面潔具的機器人自動磨削拋光系統,該系統能有效實現潔具的拋光,滿足潔具產品拋光的生產要求。

洪云飛等開發了基于 ABB 機器人的復雜空間曲面砂帶磨削系統,用于加工汽輪機葉片,并取得了優良的加工效果,其打磨后的葉片型面在法線方向最大誤差為 0.3mm,表面質量優于人工磨削質量,但根據相關文獻可知,目前航空發動機零部件打磨后表面粗糙度 Ra 應在 0.4μm 以內,航發葉片進排氣葉邊輪廓度在 0.08mm 以內,故該精度已不適用于航空發動機零部件打磨要求。 


綜上所述,目前在葉片自動打磨方面已經有不少相關研究,能在一定程度上滿足葉片的自動化加工要求,提高打磨效率。但是上述研究多針對鋁合金等常用材料所制成的零部件,對鈦合金和航空發動機零部件打磨的研究相對較少。


又由于數控磨削相比機器人砂帶磨削存在成本更高和靈活性更低的劣勢,因此常用數控打磨機構也不利于進行葉片型面自動打磨的全面性推廣。所以本文對航空發動機鈦合金葉片的機器人自動化打磨系統的試驗研究是十分必要的。



鈦合金葉片機器人砂帶磨削工藝性分析


1 壓氣機鈦合金葉片工藝性分析

航空發動機中的壓氣機葉片屬于典型的薄壁構件,其葉身表面曲率變化較大,加工精度要求高。


葉片葉身曲面由多個截面構成,每個截面由葉盆、葉背兩條樣條曲線和進、排氣邊兩段圓弧光順拼接,如圖 1 所示。


發動機正常工作時,葉盆承載壓縮空氣的正向壓力而葉背則承載壓縮空氣的負向壓力。零件為鈦合金難加工材料、表面材料加工去除困難。


葉片結構和加工工藝特點如下: 

1)該葉片的總長約 183mm,其中葉身長度約為 171mm,葉寬范圍為 84~86mm,進排氣邊處的圓弧半徑范圍為 0.2~0.35mm; 


2)未磨削之前 Ra 約為 1.6μm, 葉片表面紋理一致性較差,影響氣動性能,需要打磨。

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砂帶磨削工藝性分析


由于壓氣機鈦合金葉片復雜曲面的加工特點以及薄壁型工件的復雜架構,目前多采用手工打磨,但表面一致性差,加工效率低。

采用機器人智能打磨技術能有效改善鈦合金葉片的表面質量,能提高加工一致性與加工效率,降低工人勞動強度,實現鈦合金葉片表面磨削由“手工技藝”到“自動磨削”的技術提升。

對于砂帶磨削,由于砂帶基材通常采用布基等柔性材料,其接觸輪為彈性的橡膠接觸輪,加之磨削速度穩定,對磨削過程中的振動敏感性較低,易于實現高效穩定,且加工質量較好的工件表面具有高效、冷態及彈性磨削的特點,因而用于航發葉片的打磨具有獨特的優勢。

同時,砂帶磨削可將接觸輪做得很小,能夠很好地應對葉片類復雜型面在打磨過程中易產生干涉的問題。

在葉片砂帶磨削中,由于砂帶具有一定的寬度,導致其與工件接觸為線接觸,故需要求取最貼合磨削過程的角度。通過控制接觸輪軸線方向即可實現最佳貼合角度控制,以此減少接觸輪與葉片之間的磨削干涉。

為了展示浮動限位磨頭的原理和關鍵性,下面對工件打磨曲面的空間幾何特性進行說明。

任意空間曲面的參數方程可表示為:


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由方程判別式可知 存在最大值和最小值,即曲面上任意一點均有最大和最小曲率極值。



砂帶磨削加工時,應使接觸輪軸線與曲面接觸點最大曲率方向一致,如圖 所示。

因此,需要砂帶磨頭在保持磨削壓力的情況下能沿接觸輪寬度方向擺動。本文所采用的浮動限位磨頭能有效解決這一問題,其結構如圖 所示。 


采用浮動磨削的方法,可以保證葉片相關尺寸精度和表面質量。


砂帶浮動機構由磨頭退讓機構、壓力控制機構等組成。當所磨削工件不圓或者與理論型線有差異時,退讓機構可根據被加工工件實際線型進行自動補償或退讓,以達到最佳的磨削效果,其最大補償與退讓量可達到 ±5mm。


砂帶磨頭設計有精密的磨削力壓力控制系統,可以對工件表面或焊縫進行等余量去除。該砂帶磨頭能通過壓力控制使磨頭緊密貼合被加工工件表面,隨加工表面的形變產生相應的彈性變形,實現被磨削工件型面的自動跟蹤。


通過磨頭中部絲杠的上下運動,控制拉簧的伸縮量,調節拉簧的拉力,最終將拉力的變化通過滾動花鍵軸的導向轉變為豎直方向的拉力,該拉力通過過渡輪系傳遞到接觸輪上,接觸輪與工件接觸, 則拉力變化轉化為磨削壓力變化,實現磨削壓力的調節。


以上措施不僅能很好地保證磨削過程中精確的磨削量控制,還能很好地跟蹤工件型面以補償工件自身變形,并有效防止磨削過程中磨到工件母材。


機器人砂帶磨削可行性分析


機器人磨削算法的主要內容是獲得機器人 個旋轉軸的解析公式, 即在已知一個空間點的坐標和相應的切法矢后,通過該公式計算出機器人各個軸相應的轉動角度 從而確保磨削過程中機器人砂帶磨頭軸線與工件接觸點最大主曲率方向一致, 使砂帶最大程度地貼合工件表面。


要獲得該公式就需要建立機器人每個軸的坐標系以及各個坐標系之間的轉化關系,機器人坐標系的轉化關系可以用一個四階矩陣來表示,在獲得坐標系轉化關系的等式基礎上可以求解出機器人各個軸的解析公式, 如圖 所示。

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在式(6)中,c4 表示 cos(θ4),s4 表示 sin(θ4),s23 表示 sin(θ2+θ3), θ4 表示第 4 軸的轉動角度,其他符號同理。nx、ny、nz 是法矢的 3 個分量;px、py、pz 是加工位置徑矢的 3 個分量。



通過式(6)可計算出機器人加工時 6 個軸在各個刀位點各軸的轉動角度,生成(.mod)格式加工文件,將其導入機器人控制器進行加工。

TBGS 是應用 VISUAL C++ 編 程工具并基于 OCC 引擎開發的砂帶磨削加工軟件,在 OCC 平臺上研究的該加工軟件具有精度高、效率高、系統穩定等特點。

TBGS 磨削加工軟件主要包含模型導入與被加工面提取、刀位點計算及刀路生成、仿真加工和機器人加工代碼生成與傳輸幾個模塊。

本試驗中將葉片模型文件導入 TBGS 軟件中,根據指定的定位基準、加工路徑方案,計算生成滿足精度要求的六軸刀位點。

仿真加工確定加工路線無誤之后生成機器人加工代碼, 將數據拷貝至機器人系統,從而保證機器人磨削加工時,浮動砂帶磨頭的接觸輪軸線與葉片曲面接觸點最大曲率方向一致,最終實現鈦合金葉片打磨的機器人自動打磨工作。



試驗裝置與方法


1 試驗裝置

1)本試驗采用六自由度的關節臂機器人,最大負載 60kg, 工作區域 2050mm,重復定位精度為 ±0.03mm, 其附加軸的最大轉速為 4000r/min,能夠應用于裝配、焊接、 加工、測量等領域,可以很好地滿足此試驗鈦合金葉片加工的要求。 

2)磨頭采用自行設計制造的浮動砂帶磨頭,該磨頭可通過電機控制實現速度調節,其調速范圍為 0~50m/s ;同時該磨頭還具備壓力控制功能,可根據工件被加工表面曲率變化情況自行進行浮動調節,實現精確的恒壓力磨削;該機構采用 ?15mm×5mm 的小尺寸接觸輪,能有效避免磨削過程中接觸輪與葉片產生的過磨、干涉等現象,如圖 5 所示。 

3)壓氣機葉片所用鈦合金材料為 TC4,其組成為 Ti–6Al–4V, 屬 于(α+β)型鈦合金,其耐蝕性優良、密度小、比強度高,還具有較好的韌性、機械性能和焊接性等。 

4)為保證被磨削表面的磨削質量,試驗的磨削方式為逆磨,同時考慮加工環境的影響以及砂帶本身磨削溫度較低的特點,試驗采用干磨方式,砂帶選用XX砂帶。

2 試驗方法 

1)由圖 5 可知,浮動砂帶磨頭通過電機和變頻器調節實現砂帶線速度調整和磨削壓力的調節,鈦合金葉片通過專用夾具固定在六自由度關節臂機器人上,通過機器人各個軸的坐標轉換來控制葉片的運動軌跡, 從而進行鈦合金葉片的磨削。 



2)將砂帶驅動輪的伺服電機設置為恒轉速運轉 (1000r/min),提供恒定的砂帶線速度,磨削壓力控制在 8N 以內。試驗采用XX砂帶,其轉 速為 1000r/min,磨削壓力為 5~8N。 


3)將磨削完成的葉片拆除,進行三維形貌檢測和表面粗糙度測量。



試驗結果與討論

鈦合金葉片的制造質量和加工精度對航空發動機的性能起著至關重要的作用,為了直觀詳細地說明壓氣機鈦合金葉片經機器人浮動砂帶磨削后的加工質量和表面精度,選擇表面質量、三維形貌、局部輪廓以及表面粗糙度等對鈦合金葉片試驗進行分析。

1 表面質量

由于采用自適應浮動磨頭,當所磨削工件不圓或者與理論線型有差異時,該機構可根據被加工工件實際線型進行自動補償,以達到最佳的磨削效果。

磨削后葉片表面光滑,進排氣邊的形狀保持一定的圓度狀態, 與葉身型面過渡平滑 , 無磨削燒傷。磨削后效果圖如圖 6 所示。

2 三維形貌 

該浮動砂帶磨頭能通過壓力控制使磨頭緊密貼合被加工工件表面, 隨加工表面的形變產生相應的彈性變形,實現被磨削工件型面的自動跟蹤,對葉片磨削前后的三維形貌進行了超景深測量,其測量結果如圖 7 所示。

可知,磨削后葉片表面條紋結構趨于一致,表面質量比磨削前明顯升高,符合航發葉片打磨要求。

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3 局部輪廓圖 


從圖 8 可以看出,與磨削前相比,磨削后鈦合金葉片的局部輪廓得到明顯改善。


由于該浮動磨頭可通過電機控制實現速度調節,同時該磨頭具備壓力控制功能,可根據工件被 加工表面曲率變化情況自行進行浮動調節,通過精準控制葉片表面的加工余量,避免磨削過程中接觸輪與葉片產生的過磨、干涉,能夠得到局部輪廓較好的航發葉片。 


4 表面粗糙度 


在磨削后葉片的表面選擇 8 個點,其點的布局如圖 9 所示,采用Form Talysurf Series 表面輪廓儀進行表面粗糙度測量。


其測量結果如圖 10 所示,可見葉片表面粗糙度得到了很大改善,磨削后葉片的表面粗糙度 Ra 都在 0.4μm 以下,最小粗糙度 Ra 值為 0.377μm,與葉片磨削前相比,由于采用浮動磨頭,可以實現磨削過程中的恒壓力磨削,保證磨削過程中精確的磨削量控制,其表面粗糙度顯著減小,能夠達到航發葉片打磨表面粗糙度要求。

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結論



本試驗結果表明,機器人砂帶磨削系統對航空發動機鈦合金葉片的打磨具有很強的適用性,由于浮動砂帶磨頭的恒壓力控制和自動補償與跟蹤,與磨削前相比,打磨后的葉片表面粗糙度 Ra 都在 0.4μm 以下,表面紋理一致性較高,葉片型面精度得到顯著提高,輪廓葉片表面質量較好,能滿足航發葉片的加工要求。此研究為實現航空航天精密復雜構建的高效智能打磨奠定了技術基礎。


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