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葉片拋光機(jī)-解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片拋光技術(shù)難點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被比喻為工業(yè)皇冠上的明珠！近些年來(lái)一度成為我們的卡脖子技術(shù)！

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)制造的“心臟”，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一臺(tái)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)擁有上萬(wàn)各零部件。95%以上的戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、客機(jī)、無(wú)人機(jī)安裝著渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是最為核心的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。從渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)值構(gòu)成來(lái)看，葉片的價(jià)值占比最大，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中十分關(guān)鍵的構(gòu)成部件。高壓渦輪的葉片幾乎成了全世界最難制備的材料，工作環(huán)境極為惡劣：高溫、高壓、高強(qiáng)度！

隨著能源、動(dòng)力裝置的功率不斷增大，為了獲得更好的空氣動(dòng)力學(xué)效果，最大限度地提升單位體積的功率，葉片型面向著更加彎、扭、掠，曲面更加復(fù)雜的方向發(fā)展。除了對(duì)高溫合金材料有特殊要求外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能很大程度上取決于葉片質(zhì)量，葉片的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片形狀的曲面更復(fù)雜、尺寸更嚴(yán)格、表面質(zhì)量更精良。

航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚怏w從主燃燒室噴出后，高溫高速氣流通過(guò)導(dǎo)向葉片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，并形成幾百米/秒的高速氣流，沖向渦輪工作葉片，驅(qū)動(dòng)工作葉片高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步通過(guò)渦輪軸帶動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)。

由于零件及材料價(jià)格極其昂貴，對(duì)其表面處理工藝也是萬(wàn)里挑一。一些復(fù)雜型面的葉片，如果不夠光滑，不符合空氣動(dòng)力，除了耗費(fèi)大量的人力資源，也易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能與壽命。哪怕有著任何一絲閃失都會(huì)導(dǎo)致工件的報(bào)廢，因此航空葉片的加工特別是打磨拋光對(duì)加工設(shè)備提出了極高的要求！

拋光打磨是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片成型的最后一道工藝。由于形狀各異，葉片在經(jīng)過(guò)數(shù)控機(jī)床加工后，還要進(jìn)行高精密拋光，并用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器對(duì)葉片的波紋度、曲面扭轉(zhuǎn)等進(jìn)行檢測(cè)，這些指標(biāo)要精確到u級(jí)以下高拋光精度要求。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片研磨拋光 

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片拋光的技術(shù)難點(diǎn)有以下幾個(gè)主要方面：

型面加工余量不均勻。精鍛鈦合金壓氣機(jī)葉片一般采用型面定位，然后進(jìn)行榫頭的加工，這一加工特點(diǎn)使得以榫頭定位進(jìn)行型面拋光時(shí)，由于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換帶來(lái)了型面加工余量不均勻。同時(shí)型面受殘余應(yīng)力影響存在變形，尤其是壓氣機(jī)葉片，變形的數(shù)量級(jí)與葉片進(jìn)排氣邊厚度在同一量級(jí)，達(dá)到0.1mm 以上。

葉片進(jìn)排氣邊緣曲率半徑極小。小的壓氣機(jī)葉片有些甚至?xí)_(dá)到R 0.1mm 級(jí)別。這就使得葉片進(jìn)排氣邊緣在進(jìn)行磨削時(shí)，必須采用很小的接觸力進(jìn)行磨削。此外，進(jìn)排氣邊磨削時(shí)，邊緣散熱條件不好，葉片進(jìn)排氣邊容易產(chǎn)生燒蝕。

轉(zhuǎn)接圓弧的形狀復(fù)雜且半徑很小。在葉片造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，轉(zhuǎn)接圓弧由流道型面和葉身型面圓滑過(guò)渡而成，其圓角為R 2mm 左右，曲率變化很大，給編程帶來(lái)了很大困難。無(wú)論采用砂輪磨削還是采用砂帶磨削的加工方法，砂輪或砂帶壓緊輪均需小于φ 4mm，砂輪或砂帶壓緊輪的研制難度、使用壽命都面臨很大挑戰(zhàn)。

由于新型高效率航空發(fā)動(dòng)機(jī)（如LEAP和齒輪渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)）的葉片公差更嚴(yán)格，所以拋光一致性的要求至關(guān)重要。目前智能化機(jī)器人拋光和磨粒流拋光技術(shù)處理可以進(jìn)一步降低經(jīng)數(shù)控銑削、電火花及電解加工的整體葉盤表面粗糙度，提高型面精度，從而改善氣流通道、提升燃油效率。還可以實(shí)現(xiàn)提高葉盤疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命的目的。

高溫合金屬于難加工材料，葉片彎、扭、掠的葉片型面設(shè)計(jì)和帶冠結(jié)構(gòu)更是進(jìn)一步增加了打磨加工的難度。相對(duì)于常見金屬材料，高溫合金材質(zhì)的渦輪葉片硬度更大，在磨削時(shí)需要更大的磨削力和轉(zhuǎn)速，使砂帶使用壽命快速縮短，導(dǎo)致耗材位置信息容易發(fā)生變化。葉片本身壁較薄，同時(shí)打磨余量小，機(jī)站的切削力過(guò)大、轉(zhuǎn)速過(guò)快、運(yùn)動(dòng)軌跡不當(dāng)都容易造成工件過(guò)磨或報(bào)廢。

針對(duì)以上問(wèn)題，智能化機(jī)器人拋光解決方案針對(duì)渦輪葉片曲率大，表面處理要求光滑、均勻的要求，機(jī)站能夠快速定點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)一致、穩(wěn)定地磨削。機(jī)器人渦輪葉片打磨機(jī)可以自動(dòng)檢測(cè)調(diào)整位置，機(jī)站從工件和砂帶接觸面實(shí)時(shí)反饋位置變化信息，通過(guò)核心算法，對(duì)因耗材損耗造成的位移進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以免機(jī)站出現(xiàn)過(guò)磨或漏磨的情況。同時(shí)可以做到自動(dòng)驗(yàn)證補(bǔ)償，在處理渦輪葉片，尤其是葉冠和葉身交接處時(shí)，機(jī)站實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的力度和工作輪的位置進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使機(jī)站始終以持續(xù)、穩(wěn)定的力度對(duì)工件進(jìn)行磨削。智能化機(jī)器人拋光實(shí)現(xiàn)了更高的一致性，節(jié)省了時(shí)間，并加強(qiáng)了質(zhì)量保障。

磨粒流體拋光葉片

葉片拋光看似是一個(gè)極小的問(wèn)題，但是能上天的東西都不簡(jiǎn)單。葉片在高速運(yùn)動(dòng)中保持持續(xù)的穩(wěn)定，減少摩擦阻力，必須要讓葉片的表面粗糙度控制在一個(gè)很小的范圍值內(nèi)，傳統(tǒng)的拋光工藝會(huì)帶來(lái)精密度不夠、化學(xué)侵蝕、氧化物附著一系列的問(wèn)題。磨粒流體拋光是發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤拋光的主流解決方案，對(duì)于渦輪葉片來(lái)說(shuō)，磨粒流體拋光不僅僅是一道拋光工藝，更是完全演變?yōu)橐环N最終成形的加工方法。

磨粒流體拋光，是一種通過(guò)擠壓半流體磨料，流經(jīng)葉片曲面進(jìn)行精細(xì)研磨，從而達(dá)到拋光效果的拋光工藝。半流體磨料在壓力的作用下，可以充分貼合曲面表面，天然地?fù)碛小胺滦文芰Α?。將磨料擠壓進(jìn)入渦輪型腔內(nèi)部，拋光均勻無(wú)死角，有效提高渦輪的氣壓效率。同砂輪砂帶拋光必須高度依賴仿形能力相比，磨粒流體拋光可以沖破葉片曲率的復(fù)雜變化，可帶來(lái)一致性的拋光效果。

表面精密拋光處理技術(shù)與各種近凈成形加工技術(shù)、精確成形技術(shù)形成整體葉盤制造工藝的核心，并各種技術(shù)相互滲透和互補(bǔ)，形成整體葉盤復(fù)合制造工藝。國(guó)際領(lǐng)先航天渦輪葉片表面精密處理公司有瑞士PRECITRAME 公司、德國(guó)IBS 公司、英國(guó) Cyril-Adams 和 Rolls-Royce公司、美國(guó)EXCELLO 。國(guó)內(nèi)的代表有航發(fā)動(dòng)力、中航工業(yè)、航發(fā)精鑄等。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，新材料、新結(jié)構(gòu)的葉片不斷出現(xiàn)，葉型曲線也越來(lái)越復(fù)雜，給葉片拋光技術(shù)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。對(duì)包括精密拋光在內(nèi)的整體葉盤全流程精密制造技術(shù)提出了空前的挑戰(zhàn)。期待未來(lái)各國(guó)在低成本、高效率、高質(zhì)量智能集成制造技術(shù)進(jìn)步中，加強(qiáng)技術(shù)交流與合作，以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷增長(zhǎng)的高安全性、高可靠性、高舒適性的要求。

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