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       由于航空发动机叶片具有结构弱刚性、材料难加工、型面复杂等特性，加工后表面存在烧伤、残余应力分布不均匀等表面缺陷，将严重影响叶片几何精度、表面质量及其服役性能。因此，分析研究航空发动机叶片磨削方法及其关键技术对于指导航空发动机叶片抗疲劳加工以及提升航空发动机服役寿命具有重要意义。

       砂带磨削以及磨粒流抛光因兼具磨削和抛光的双重作用，工艺灵活性高、适应性强，且其柔性抛光的特性在曲面平滑过渡方面具有独特的拟合效果，在整体叶盘、叶轮、叶片等零件的精密抛光中得到应用，成为提高航空发动机叶片表面完整性和疲劳寿命的有效加工手段。

       1、航空发动机叶片磨粒流加工【1】

       磨粒流加工技术是一种适用于复杂曲面零件表面抛光的非传统磨削方法，半固体磨料介质在模具模芯的约束和挤推压力的驱动下通过零件待抛表面，具有切削刃的磨粒与工件表面粗糙峰谷相互挤压滑擦，实现零件表面的去毛刺、除飞边、倒圆以及抛光，进而达到表面材料去除以及提高表面完整性的目的，如图2所示。

       早在1993年，Boynton就采用磨粒流加工方法对航天飞机的高压燃油涡轮泵转子叶片进行抛光，使叶片表面粗糙度从10.16μm下降到0.76μm，透平的冷却效率提高2.1%，入口温度下降了32℃，对于整体的抗疲劳性能和服役性能具有显著提升作用。

       经过数十年的发展，磨粒流加工技术目前已经广泛应用于航空发动机叶片制造领域。美国DYNATICS、GE等公司采用磨粒流加工技术实现了叶片的精密磨削加工，将表面粗糙度从2.0μm降低到0.8μm，极大提高了叶片加工质量，减小了由表面粗糙度引起的应力集中，提升了叶片的疲劳强度。

       叶片的抗疲劳性能与表面粗糙度、残余应力状态、纹理结构等表面完整性特征直接相关，为了获得良好的表面完整性，需要对工艺参数进优化研究。Sankar等对黏弹性磨料旋转磨粒流加工过程中工艺参数对表面完整性的影响规律进行了研究，通过实验分析了磨粒含量、压力、加工次数和工件转速对磨削表面粗糙度的影响。

       磨粒流加工技术已被美国航空航天部门列为航空零部件精加工的重要工艺，被广泛应用于航空发动机整体叶盘、叶片等复杂曲面零件的光整加工。目前，磨粒流加工已经出现了诸多扩展应用，例如振动辅助磨粒流加工、流化床加工、动压磨粒流加工等。

       超声振动辅助磨粒流加工方法是在传统磨粒流加工方法的基础上引入超声振动增大磨粒与工件之间的相互作用关系，以达到高质、高效抛光的新型磨粒流加工方法。Venkatesh等将振动辅助磨粒流加工方法应用到锥齿轮齿面光整加工获得了比传统磨粒流抛光更优的材料去除率和表面粗糙度。

       从国外企业公开的技术文件中发现，虽然磨粒流在降低表面粗糙度引起的应力集中方面效果明显，然而磨粒流加工在生产过程中存在形状精度难以控制的特点，整体叶盘、叶片的叶盆和叶背抛光质量并不均匀，且在叶片边缘等关键部位会出现严重过抛现象。尤其是对于叶片等复杂曲面构件，如整体叶盘的进、排气边，目前尚无文献或其他资料给出具体的解决方案，因此多只用于表面光整加工。

       2、航空发动机叶片砂带磨削加工

       由于航空制造企业缺乏相关的精密高效抛光方法与技术，目前部分航空发动机叶片的精密磨削加工仍然采用手工抛光的方法进行。然而人工抛光不仅劳动强度大、效率低，而且型面精度、表面完整性、表面一致性等特征难以保证。

       同时，受到工人技术等级和熟练程度的影响，加工质量不稳定，严重影响着航空发动机叶片的服役性能、安全可靠性以及生产周期等，因此目前该方法逐渐被机器磨抛加工所取代。

       针对数控磨削加工，袁明提出航空发动机叶片数控智能磨削加工技术。应用参数线法规划叶片磨削加工轨迹，以此为基础，提取磨削加工余量，模拟与计算对应数值，适当处理获取的叶片磨削加工轨迹与加工余量数据，推出叶片数控智能磨削算法(数控车床转轴、直线轴与压力轴运动控制模型)，以此控制数控车床运动姿态，并通过刀位点偏移补偿叶片的反变形误差，实现了航发叶片的数控智能磨削。

       2.1叶片数控智能磨削加工轨迹规划【2】

       对于叶片数控智能磨削加工来说，合理的轨迹规划至关重要，不但可以提升数控计算效率，也能满足叶片磨削加工精度需求。选取参数线法规划叶片磨削加工轨迹,其具备操作简单和运算效率快等优势。在加工过程中，数控车床刀具主要沿着叶片曲面的u线或者v线走刀。在叶片磨削数控智能加工轨迹规划过程中，最关键的环节为走刀步长与加工带宽计算。

       其中，走刀步长计算公式为

       (1) L为叶片磨削加工走刀步长;ε为给定的加工误差极限;kf为叶片磨削中插补段沿着走刀轨迹f的法曲率。

       加工带宽计算公式为

       (2) d为叶片数控磨削加工带宽;R为数控砂带轮的半径;εh为允许最大残留高度;kb为叶片表面沿轨迹方向b的法曲率。

       以计算得到的走刀步长及加工带宽为基础，根据参数线法生成叶片磨削加工轨迹,为叶片数控加工提供支撑。

       2.2叶片磨削加工余量计算

       航空发动机叶片刚性较差、壁较薄和易变形等特点，在制作加工后仍然存在超差区域，加工余量分布也不均匀，对叶片后续磨削加工造成了一定的阻碍。因此，为了提升叶片加工精度，需要对叶片磨削加工余量进行提取与计算。

       叶片磨削加工余量提取与计算流程如图1所示。

       如图1所示，利用三坐标检测方法对叶片表面数据点进行采集，呈现1张曲面网格形式，数据点数量为(m+1)×(n+1),其中，m+1为截面数量;n+1为截面上的数据点。设置截面线方向与叶身长度方向为u与v,对应次数分别为k与l,以上述数据为基础，重构叶片模型，表达式为

       p(u,v)为重构后的叶片模型;di,j为数据点i与j之间的距离;Bi,k(u)与Bj,l(v)分别为在u与v方向重构的B样条曲面。

       依据规划好的刀路轨迹计算刀触点p(r,n),其中，r为刀触点的径向矢量，n为刀触点的法向矢量。为了方便研究的进行，以叶片理论模型作为参照，其截面线与叶身长度方向表示为X与Y。经过基准重合后，获得经过刀触点，方向为法向矢量方向的直线，表示为

       L为直线矢量方程;r1为检测坐标系下的径向矢量;δ为辅助系数，与直线长短紧密相关。

       将式(3)与式(4)联立即可获得交点p′,通过计算刀触点与交点之间的距离(不为0),从而确定叶片的磨削加工余量，表达式为

       εi为第i个刀触点的磨削加工余量;为刀触点与交点的距离。

       通过上述过程完成了叶片磨削加工余量的提取与计算,为后续叶片数控智能磨削算法的推出提供精准的数据支撑。

       2.3叶片数控智能磨削算法

       上述过程获得的叶片磨削加工轨迹与磨削加工余量只是叶片制作加工的第1步，但是这些数据无法直接应用于数控机床，需要对其进行适当的处理。为了实现叶片的数控智能加工，必须对数控机床加工过程中的运动姿态进行全面控制，推出对应的叶片数控智能磨削算法。

       叶片数控智能磨削算法包含3个控制模型，分别为数控机床转轴、直线轴与压力轴运动控制模型。以叶片理论模型为基础，构建工件坐标系，记为OPXPYPZP,使其与数控机床坐标系保持同样的姿态。为了保障叶片刀触点矢量与磨头刀架矢量保持方向相同，需要将卡盘绕X轴旋转A角，绕Y轴旋转B角，并精确计算旋转角，即可完成转轴运行控制。旋转角计算公式为：

       N0=[nx0,ny0,ns0,0]T为在工件坐标系下，刀触点法向矢量;N1=[nx1,ny1,ns1,0]T为叶片旋转A角后刀触点的法向矢量。

       数控机床直线轴控制主要是对旋转变换后刀触点的坐标数值进行计算，其决定着刀具是否能够按规划轨迹进行运作，不但影响着叶片磨削加工精度，也会影响磨削的效率。

       假设旋转后工件坐标系中刀触点为R2=[x1,y2,z2,1]T,依据数控机床坐标与工件坐标系的关系，通过坐标转换计算刀触点在数控机床中的坐标，计算公式为

       R=[x，y，z，1]T为在数控机床坐标系中刀触点的坐标;[xh，yh，zh，1]T为坐标转换矩阵;[x0，y0，z0，1]T为原始刀触点坐标矩阵。

       航空发动机叶片磨削加工实质上是一种柔性抛磨过程，为了保障材料具有一定的去除率，必须对叶片施加一定的法向接触压力m，这也是压力轴的运行控制重点。随着磨削加工余量的变化，相应地施加载荷也存在着较大的不同。为了满足叶片加工精度的需求，应该根据刀触点磨削加工余量确定磨削参数，以此为基础，调节数控机床压力轴的接触压力。

       在叶片磨削加工过程中，材料去除率为

       rk为材料去除率;Cg为磨削过程中，修正常数、阻力系数与耐用度系数的乘积;Vb为砂带线速度;Vm为叶片进给速度;F为刀触点p的法向压力;x1、x2和x3为辅助计算参数。

       以式(9)计算结果为基础，确定磨削压力计算公式，即

       x0为辅助计算参数，取值范围为0~1。

       上述过程完成了数控机床运行姿态的全面控制，为叶片磨削加工提供良好的控制性能。

       2.4叶片加工反变形误差补偿

       由于环境、器械等多种因素的影响，叶片磨削加工存在着些许误差，导致叶片发生一定的弯曲变形，如叶片向上或者向下偏移、叶根偏移量较大等。上述情况均会影响叶片的加工质量，故需要对其进行反变形误差补偿，常规情况下，叶片在加工去除余量后，叶冠会发生δ变形，此时为了补偿δ变形,刀位点应该向相反方向进行偏移补偿，还需要满足叶片表面光滑性，因此需要满足下述条件，即

       a为单步加工量;工为刀位点偏移补偿量;a-x为实际磨削深度。

       特别地，对叶片进行进一步精加工时，为了确保实际磨削不会超过理论数值,还需要满足下述条件，即

       d为当前时刻叶片余量。

       通过上述过程完成航空叶片数控智能磨削加工，能有效地提升叶片制作加工的精度。

       3、结语

       磨削作为航空发动机叶片的最终材料去除工艺，对于疲劳寿命具有重要影响。目前虽然在新型轻质航空材料研发以及抗疲劳磨削方法和工艺等方面已经取得了一定进展，但仍存在抗疲劳磨削方法匮乏，表面完整性控制策略不完善，难以实现工业化应用等问题。

       本文介绍了两种磨削技术以便大家学习，引用资料来源附于文末，感兴趣的朋友可自行搜索阅读。