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        2. 航空航天产品部件光整加工概述

          2017-7-20 14:22:37

          航空叶片光整加工

          1. 叶片加工背景分析
              航空工业是国家战略性产业,是国家“十二五”期间重点发展的新兴产业,体现了一个国家科技、工业、经济等发展水平与综合实力。航空发动机制造是一种具有严酷气动负荷、机械负荷和高温负荷作用,又要求具有高耐久性的热动力机械,它是航空工业的重要组成部分,是装备制造业中具备高附加值的高端产品。一般而言,航空发动机含盘、轴、叶片、机匣四大部件,其中叶片数量最大,其份额是整台航空发动机的1/4。因此,叶片无论在数量和重要性上对航空发动机均起着至关重要的作用,其制造效率和表面加工质量直接影响到发动机整体的制造效率和质量。
              一般而言,各型号航空发动机叶片的制造过程基本相同,毛坯成型(铸锻轧)-精密切削(数控铣)-手工打磨抛光。其中手工打磨的效率低、成本高、质量不稳定。主要问题是,人工打磨可有限的提高叶片的部分表面质量指标,不能有效改善叶片表面完整性及其使用性能;同时,手工打磨过程产生大量粉尘,直接影响工人健康。
              由此可知,对航空发动机叶片的表面外观形貌、近表面物理力学性能、抗疲劳性能等综合质量(或称“表面完整性”)的要求不断提升。作为提高零件最终表面质量和表面完整性的主要方法,光整加工技术近年来得到了长足的发展和应用,已有珩磨、滚压、抛光、动力刷等传统光整加工,电化学、磨料流、磁性研磨、磁流变、滚磨、弹性发射、浮动抛光及各种复合加工等非传统光整加工方法。
              本案例采用的是滚磨光整加工方法对叶片进行光整加工,滚磨光整加工技术属于自由磨具光整加工方法,该方法一方面能消除表面缺陷、显著提高零件表面粗糙度等级,另一方面改善表面(或近表面)残余应力状态、耐磨性及抗疲劳性等物理力学性能,可以综合提高零件表面完整性。

          2. 叶片光整加工方案
              在采用滚磨光整加工工艺代替手工抛磨叶片的问题上,北方天宇公司工艺研究人员从2008年以来一直在做调查研究工作。北方天宇公司和沈阳黎明公司合作,在我公司廊坊实验基地展开了航空发动机定子叶片基础实验并研究叶片光整可行性的试验工作。本阶段试验的主要要求是光整后叶片制造精度和光整加工前的一致性;光整后达到去除叶片机加工刀纹,且不削边、卷边和变形;验证多片叶片同时光整加工的效率和效果。定子叶片光整的原理样机试验主要采用公司自主开发的旋流式光整设备X400A型进行。通过试验分析,探索到定子叶片光整加工的诸多关键工艺参数和设备参数:如叶片角度、叶片下料深度、?;は恢玫牟问?、滚筒转速等,同时确定了光整时间和光整专用磨料和磨液的材料、配比等参数。同时,通过多轮工装设计的改进优化,在保证加工质量的前提下,公司也对如何高效光整加工航空定子叶片进行了探索,其工艺及装备的概念设计已有了雏形。
              在上述研究的基础上,北方天宇公司深入探讨了叶片材质、特征、光整需求及目的,以及旋流式光整设备进行叶片光整的优缺点。通常的光整设备进行叶片光整时易产生变形,且沿叶片纵向的光整加工的均匀性和一致性难以得到保证。
              为达到光整加工的效果和效率,并且保证光整过程中整个叶片,特别是其棱边不发生变形、卷板及过量磨削,我们设计了SY200/400型叶片专用光整机。如图所示。

              该叶片专机光整加工的主要特点及优势为:
              (1)料箱结构、高度做了合理的设计,光整后的叶片上部及下部的效果差异减小,并且通过对料箱转速的控制来调整叶片与磨料之间的相对光整速度及磨削进而改善光整的效果。
              (2)设计中采用可靠卡头,能快速地进行装卡工件,并保证了其装卡的可靠性及稳定性,使得工件在光整过程中不致松开或脱落。
              (3)通过伺服系统控制叶片在磨料中的摆动,可依据光整工艺需求,精确调节叶片棱边与磨料的滑擦角度,避免了常规光整造成的过量磨削,确保了叶片不发生任何变形,改善了叶片的光整效果。
              (4)合理的工装设计能更好地保障叶片光整加工的均匀性、一致性,减少叶片的变形,?;ひ镀?。 

          3. 叶片光整加工效果

            通过缜密的前期论证和后期方案评审、考核、试验,我公司开发的叶片专用光整机取得了成功。这一案例是光整工艺理论及试验与非标机械结构设计的完美结合,实验表明,这一机型的叶片光整加工效果显著,表面粗糙度值降低1-2个等级,表面硬度、表面纹理、清洁度,光泽度以及近表面相关物理力学性能有大幅度提高。

            以下以某一级静子叶片光整工艺为案例,剖析阐明光整加工前后对叶片的影响。

            3.1 光整加工要求

            甲方提出的静子叶片的光整加工要求如下:

            (1)去除数控铣削刀痕;

            (2)叶片型面、安装板内表面及其转接R的粗糙度达到Ra0.4,其余Ra0.8;

            (3)?;そ牌呦页こ叽?,双面去除不超过0.08mm,并保持数控铣后进排气边缘R的圆度;

            (4)控制叶片型面变形量,位置度变化量0.1mm以内,扭转变化量不超过±12′。

            静子叶片结构和主要的原始参数如下图所示:

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              以下图片仅展示了某二级叶片光整加工前后的表面纹理和外观质量的对比图。

              3.2 外观及纹理对比

            肉眼即可分辨的显著效果是原来的铣削刀痕经过光整加工后全部去除,实际检测表明,叶片光整后无论是宏观及微观外观都得到了极大的改善。

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              3.3表面粗糙度改善效果

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              3.4 表面应力状况的改善

            滚磨光整加工的主要目的不仅是为了改善表面粗糙度,而且是为了在表面层引入对疲劳性能有益的残余压应力场。本案例检测的光整加工前后的表面残余应力值对比如下表所示:

                                                    39ddf5dd31b0423b2cae2824f81e39a.png

            另外,经过经过抗疲劳性能测试,该零件的抗疲劳寿命由132万次提高到510万次。

              3.5 表面硬度对比

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          4.光整工艺满足要求情况

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          5.案例小结

            SY200/400型作为光整加工专用机型,主要针对航空发动机中小型叶片的光整需求。本机型自原理样机试验阶段就引起中航集团下属的多家不同型号叶片制造商的极大关注。定型设计、制造完毕后,实验表明SY200/400的光整加工效果超过制造商的预期,订单数量不断增加。


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