——北京勝為弘技數控裝備有限公司 劉樹生

摘要：本文通過對航空鈦合金葉片工藝特點的分析和對不同葉片數控砂帶磨削的生產實踐、工藝試驗、驗證分析，總結提出航空鈦合金葉片實現數控砂帶磨削的幾個必要條件和相應對策。

對于航空發動機來說，核心機一旦定型，后續發展主要通過采用新技術、新設計，加大風扇直徑， 增加增壓壓氣機級數，改進高壓壓氣機、高壓渦輪葉型設計，提高高壓渦輪葉片材料與涂層的耐高溫性能等來提高部件效率和發動機的推力。這其中，表征循環參數 的高溫熱部件材料的發展相對較慢，而壓氣機葉片、風扇葉片設計改進較為頻繁，可以說，鈦合金壓氣機葉片和風扇葉片制造是航空發動機制造的關鍵技術之一。

目前，國內航空發動機制造企業幾乎均采用人工修磨進排氣邊的方式制造鈦合金壓氣機葉片、風扇 葉片和導向葉片，葉片進排氣邊厚度散差較大、一致性差，型線不準確，葉片質量不高。隨著汽輪機行業逐步采用數控砂帶磨床加工葉片型面和進排氣邊，航空發動 機制造企業也相繼提出了采用數控砂帶磨削加工進排氣邊的要求，迫切希望能夠通過數控砂帶磨解決進排氣邊磨削加工這一航空發動機葉片制造的難題。本文通過對 航空鈦合金葉片工藝特點的分析和對不同葉片數控砂帶磨削的生產實踐、工藝試驗、驗證分析，總結提出航空鈦合金葉片實現數控砂帶削的幾個必要條件和相應對 策。

進排氣邊磨削加工難點

航空發動機葉片和汽輪機葉片的制造工藝差別很大，前者主要采用成型法，而后者主要采用去除材 料法。汽輪機葉片的材料多為不銹鋼，一般先是銑削出葉片徑向面作為徑向基準，加工肩臺或榫槽與頂尖孔作為軸向基準，然后采用多軸聯動機床加工葉身型線，最 后經數控砂帶磨拋光完成；航空葉片一般采用鈦合金精密鍛造、鑄造方法制造壓氣機葉片，采用擴散連接 / 超塑性成型（DB/SPF）法制造鈦合金寬弦風扇葉片，葉片型面是靠模具成型保證的，型面精度空間誤差不超過 0.15mm，成型后不再加工，直接用作型面定位夾具的基準用來加工葉根榫槽和進排氣邊。因此，航空鈦合金葉片的加工主要是進排氣邊的加工，對于數控砂帶磨削加工，其加工難點有以下幾個主要方面。

（1）航空葉片進排氣邊非常薄，大型的風扇葉片也僅有 R0.3mm 左右，小的壓氣機葉片有些甚至會達到R0.1mm 級別。這就使得在進行砂帶磨削時，必須采用很小的接觸力進行磨削，否則難以保證型面精度，這對于砂帶磨削裝置的接觸力控制提出了很高的要求。一般來說，大型汽輪機葉片進排氣邊厚度大于 R0.8mm，剛性較好，磨削壓力作用在工件上一般約 8~10N 即可，加之砂帶接觸寬度一般超過 20mm，實際磨削拋光時接觸部位壓強不大。航空葉片除了進排氣邊厚度遠小于汽輪機葉片以外，一般葉片長度也很小（壓氣機葉片大多數小于 150mm），磨削時砂帶接觸寬度小于 10mm，即使不考慮很薄的邊緣切割砂帶因素，只按照相同的壓強類比測算，接觸力不會超過2N，這個力值相當于我們常用的測量探頭接觸工件時的接觸力。

（2） 磨削余量不均勻。鍛造的鈦合金壓氣機葉片和超塑成型風扇葉片一般采用銑削或線切割進排氣邊鍛造飛邊（保證弦寬），然后進行進排氣邊磨削拋光加工，這一加工 特點使得進排氣邊圓角（或局部橢圓截面）部分加工余量很不均勻，如下圖所示：紅色部分為毛坯外輪廓，圓弧部分為進排氣邊的理論曲線。砂帶磨削通常采用恒壓 磨削原理，但是對于這樣的余量不均勻，是否應該采用剛性的、理論曲線的磨削？顯然，磨削時砂帶磨料脫落將會使去除的材料越來越少，直到無法磨削。或許我們 可以摸索出砂帶厚度變化的規律，從工藝上保證通過接觸輪軌跡控制最終分別去除余量，修出理想的截面輪廓和進排氣邊型線，但是在柔性接觸輪的情況下又如何使 去除量得到準確控制？

（3）葉片變形問題。這個問題和磨削余量不均勻是同類問題，鍛造鈦合金葉片和超塑成型葉片均在一定溫度下完成形變，受殘余應力影響都存在變形，尤其是壓氣機葉片，變形的數量級與葉片進排氣邊厚度在同一量級，達到0.1mm 以上，這和航空葉片一般型面空間誤差0.05mm 左右相比就太大了，必須予以修正。

（4） 基準問題，型面定位、葉片裝夾后的一致性問題。精鍛葉片和超塑成型葉片型面精度很好，但仍然是粗基準，這和汽輪機葉片銑削基準相比還是比較粗。如上所述， 這個裝夾定位誤差在數量級上和葉片變形誤差相當，這也是不能不考慮到的一個重要影響因素，也必須通過修正坐標系來解決。

此外，進排氣邊磨削時，冷卻條件不好，很薄的邊緣散熱條件不好，葉片進排氣邊容易產生燒蝕，這也給葉片進排氣邊磨削帶來一定困難；對于超塑成型風扇葉片，除了進排氣邊，型面也需要磨削拋光，還存在型面余量不均勻、變形誤差等問題。

葉片數控砂帶磨削關鍵技術

不同類型葉片數控砂帶磨削的生產實踐和工藝試驗為航空葉片進排氣邊數控砂帶磨削積累了經驗，驗證了關鍵技術應用于航空葉片制造的可行性。

2008 年4月，由北京勝為弘技數控裝備有限公司、武漢華中數控股份有限公司和東方電氣集團東方汽輪機有限公司聯合研制的大型葉片型面加工六坐標數控砂帶磨床榮獲由中國機床工具工業協會授予的CCMT2008 國產數控機床“春燕獎”。在此基礎上，合作三方聯合無錫透平葉片有限公司于 2010 年共同承擔了國家數控機床重大專項——大型葉片型面加工六坐標聯動數控砂帶磨床這一課題編號為 2010ZX04001，內容為 10 臺數控砂帶磨床組成的大型葉片磨削拋光生產線課題。現已有 3 種規格 7 臺機床在東方汽輪機有限公司葉片分廠投入使用，用于核電末級和次末級葉片型面和進排氣邊磨削拋光。目前，已累計生產大型汽輪機葉片數千片，葉片加工質量良好、一致性好，以核電汽輪機葉片為例，核電轉子葉片安裝后，未經動平衡時，其不平衡量就小于法國阿爾斯通技術要求。

2010 年以來，在生產實踐的基礎上，以機床主要制造商北京勝為弘技數控裝備有限公司牽頭，項目組又進行了靜葉片強力磨削成型和超塑成型風扇葉片磨削試驗，驗證并完善了葉片數控砂帶磨削各關鍵技術。

1　對砂帶裝置進行改進

通過汽輪機葉片生產實踐完善數控砂帶磨削裝置單元化技術，優化控制技術和六軸聯動編程技術，積累葉片數控砂帶磨削工藝數據。隨著生產中不斷反映出的要求，對砂帶裝置的改進也是持續進行的，主要的改進包括：

（1）砂帶機構低摩擦導向機構的裝配結構優化，以降低導向機構靜摩擦力，提高浮動砂帶機構靈敏度，提高接觸力控制精度；

（2）更新低阻浮動氣缸以提高接觸力控制精度；

（3）優化砂帶輪系結構、改善裝配工藝性以提高輪系軸線平行度，增大接觸輪砂帶包絡角度，提高高速砂帶運行穩定性；

（4）優化 B 軸設計，采用無背隙軸承減速機 B 軸傳動，提高 B 軸動態性能 10 倍以上，擴大了 B 軸擺動范圍（適應風扇葉片大幅度彎曲變化）；

（5）優化 C 軸設計，采用分片齒輪消隙，減少了 C 軸尺寸和結構質量，提高 C 軸精度和動態特性；

（6）改進 C 軸和砂帶機構整體防護，基本做到砂帶機構免清潔、免維護；

（7）采用橫向磨削改進粗加工編程方法，提高葉片加工效率；

（8）采用新材料接觸輪，接觸輪壽命由 7~10 天左右提高到 15~20 天左右。

通過優化設計，目前單元化的砂帶磨削裝置體積更小，接觸輪壓力控制最小達到 5N 級別，整機可靠性大幅度提高，基本可以做到運行免維護，正在試驗中的新型導向機構和壓力控制裝置將進一步提高接觸壓力控制精度，接觸力控制精度不超過0.5N。

2　靜葉片強力磨削試驗

試驗目的是通過汽輪機靜葉片強力磨削成型驗證強力磨削成型工藝方法和型面精度控制方法。

通過對常見靜葉片型面特征的分析，可以看到，靜葉片曲面扭曲很小，甚至是桶狀葉型，尤其是不 帶冠葉片，只有葉身型線部分（首尾兩端加工后切除），葉身型線非常適合數控砂帶磨削成型。對于六軸聯動數控砂帶磨床，選擇合適的接觸輪直徑、硬度和砂帶寬 度，采用強力磨削直接成型靜葉片型面是可行的；并且由于砂帶磨削線速度高，擁有比銑削更高的金屬去除率，采用強力磨削直接成型靜葉片型面，在效率方面會優 于銑削。

據此，設定實驗目標為分 3~5 次磨削成型，余量 2.5~3mm 左右的鑄造毛坯靜葉片，磨削葉片達到技術要求，驗證強力磨削對葉片型線的修正作用及工藝方法。 針對選取的鑄造靜葉片的毛坯狀況和數學模型，制定試加工工藝流程如下：

•鑄造靜葉片毛坯檢查，確定出氣邊余量；

•毛面定位，打 3 個中心孔；

•裝夾葉片，參照數學模型，對比找正葉片（批量生產可采用測頭自動測量），確定最大磨削余量，確定磨削余量分配；

•按照最大余量處參數設定起刀和進給量，采用有浮動的磨削，使高點見光；

•強力磨削（粗加工）方式加工，根據余量，內背弧橫向磨削進給，進出氣邊縱向進給加工，每次切深0.8mm 左右；

•每次磨削后測量實際去除量與指令進給作比較，修正切深• 重復上面兩個過程，直至余量0.05mm 左右；

•采用浮動拋光，縱向磨削拋光，完成葉身型面加工；

•切除葉片兩頭余量；

•型線檢查。

除去項目在試驗過程中，由于鑄造葉片余量不均勻（余量高低差5mm 左右），粗磨超過 10 次，耗時超過 3h ；粗磨指令切深 0.8mm，實際切深約 0.5mm，分析認為是接觸輪硬度因素造成的；加工完成后的葉片經廠家檢驗，型線滿足要求，表面粗糙度小于 Ra0.3。

根據試驗結果，證明在加工過程中，需要注意以下問題：

（1）磨削線速度對磨削效率影響最大，粗磨應盡可能高于 30m/s；

（2）粗磨砂帶粒度不高于 60#,能夠有效去除黑皮；

（3）強力磨削過程中砂帶受力較大，有時可能出現丟轉現象，砂帶輪系應多采用掛膠輪以增大輪系摩擦力；

（4）機床強力磨削發熱量較多，宜采用高壓冷卻甚至低溫介質冷卻；

（5）精加工磨削，為保證尺寸精度穩定性和進給量準確，應采用硬度較高的接觸輪；

（6）強力磨削應對葉片毛坯有余量分配、分布不均勻程度提出要求，為提高效率，可考慮機床粗加工出氣邊加厚部分和余量不均勻的型面后再進行強力磨削；

（7）增大安全防護力度，采用全封閉機床罩殼，預防人身意外傷害。

試驗結果證明：對于靜葉片加工，強力磨削代替銑削是可行的，但是毛坯狀況需要改善，余量分布 須均勻；強力磨削對葉片型線具有一定的修正作用，但是砂帶磨損造成的砂帶厚度變化使修正作用效果減弱；磨削前和磨削過程中應引入在位測量，及時動態分配加 工余量，提高加工效率，提高葉片加工精度。

3　超塑成型風扇葉片試驗

本試驗目的是通過超塑成型風扇葉片磨削試驗積累航空鈦合金葉片磨削工藝數據（試驗中）。鈦合金超塑成型空心葉片毛坯葉身單邊余量約 0.5mm，進排氣邊為線切割割出，余量最大約 3mm，裝夾基準為葉根部位的矩形肩臺（線切割割出，誤差不超過 0.1mm），要求采用數控砂帶磨削加工出進排氣邊圓角（橢圓截型）并修磨葉身曲面至尺寸。針對選取的空心葉片的毛坯狀況和數學模型，制定試加工工藝流程如下：

•葉片毛坯檢查，確定進排氣邊余量；

•裝夾葉片，參照數學模型，拉表找正葉片，確定最大磨削余量，確定磨削余量分配；

•按照最大余量處參數設定起刀和進給量，采用理論型線軌跡強力磨削方式加工，根據余量，內背弧橫向磨削進給，進出氣邊縱向進給加工，每次切深 0.3mm 左右，砂帶線速度8~12m/s；

•每次磨削后測量實際去除量與指令進給作比較，修正切深；

•重復上面兩個過程，直至余量0.05mm 左右；

•采用浮動拋光，縱向磨削拋光，完成葉身和進排氣邊型面加工；

•型線檢查。

試驗效果：

（1）進排氣邊形態基本正常，與葉身型面過渡平滑，現場無測量手段，需待測量后才能與數學模型進行比較；

（2）葉身大部分區域磨削去除金屬比較均勻，葉根與葉冠部位去除較多，偏差較大。分析原因是葉根部分為新更換的砂帶，磨料銳度較強，葉身部分砂帶磨料脫落較為穩定，故大部分區域磨削去除金屬變化不大，葉冠部分去除余量較多與葉片變形有關；

（3）砂帶磨削指令進給和實際金屬去除偏差較大，指令切深0.3mm，實際金屬去除不均勻，個別部位甚至沒有去除金屬。分析認為影響因素有兩點：其一是葉片單端裝夾，加工到葉冠部位時有彈性變形，造成讓刀；其二是砂帶在磨削過程中由于磨料的脫落造成接觸輪中心與待加工面距離變化較大，新砂帶由于有高點存在與用過的砂帶差別超過 0.3mm；

（4）線速度 16m/s 以上的磨削，經常有火花，擔心燒蝕，降低砂帶速度至 8m/s 左右，基本沒有火花，但金屬去除率明顯降低；

（5）粗加工方式的橫向磨削砂帶磨削能力低于精加工方式的縱向磨削，縱向磨削切寬小，因此切深保持性好，砂帶磨料脫落少；

（6）葉片表面質量良好，粗糙度小于 Ra0.4。

根據試驗結果，證明在加工過程中，需要注意以下問題。

（1）鈦合金葉片磨削速度不宜過高，8~12m/s 效果較好；

（2）鈦合金葉片進排氣邊厚度較小，按照數字模型型線強力磨削成型時對砂帶磨料的切割作用不明顯，但是采用浮動拋光時非常明顯。對于進排氣邊小于 R0.3mm 的葉片，5N 級別的接觸力磨削去除金屬超過 0.1mm，對于航空葉片空間精度0.05mm 的要求難以保證，必須設法提高接觸力控制精度，降低磨削接觸力；

（3） 按照數字模型型線強力磨削成型對加工出準確的型線總體有效，但砂帶磨料脫落增加了不確定因素，由此造成的曲面誤差量級大于葉片技術要求的允差，因此采用強 力磨削成型需在磨削前準確測量接觸輪中心至砂帶外緣尺寸，并且對于砂帶磨料脫落規律要有所掌控才可以實現。除此以外，磨削過程中，必須增加對葉片型面和進 排氣邊的檢測，重新分配余量，修正程序坐標，否則，加上柔性的接觸輪在內多個不確定因素的存在將無法保證加工出準確的葉片型線；

（4）在考慮砂帶磨料脫落影響的同時，考慮實時變壓力磨削控制，也就是在不便于控制砂帶厚度變化（相當于刀長的變化）的時候，通過壓力控制去除金屬的量來控制葉片型面修正。

由于該試驗還在進行中，下結論為時尚早，但可以看出，對于航空鈦合金葉片，通過砂帶磨削修形，磨削出進排氣邊圓弧（或橢圓）截型是必需的；保證準確型線的關鍵是磨削接觸力，提高接觸力控制精度，降低磨削接觸力是實現航空鈦合金葉片進排氣邊準確加工的關鍵。

根據前文所述航空鈦合金葉片的特點和幾種代表性的葉片砂帶磨削的試驗研究，我們可以總結出現行工藝條件下航空鈦合金葉片型面和進排氣邊數控砂帶磨削的幾個必要條件和已有對策。

（1） 現行工藝條件下，航空鈦合金葉片毛坯型面和進排氣邊制造誤差均大于允差，要求數控砂帶磨具備修正、磨削成型和拋光功能，因此數控砂帶磨削必須建立在對葉片 裝夾狀態的準確測量基礎上，也就是機床設備必須具有在位測量功能（機內測量），并且檢測方式盡可能采用非接觸式，以免在壓氣機小葉片測量時造成不必要的變 形。可能采取的方式為基于多目視覺原理的 CCD 測量或線激光掃描，考慮到毛坯反光的因素，目前線激光掃描似乎比 CCD 測量略占優勢。

（2） 基于實測、反求的快速模型重構技術，測量的目的是加工，必須通過模型重構迅速生成在現實毛坯誤差或裝夾差異狀態下的模型，并且判斷出是否能夠加工出合格的 產品并生成或修正加工程序，進行加工。在修正葉片型線的應用方面，更是離不開模型重構和模型比對的支持，否則根本不知道該加工哪里。考慮到葉片加工效率， 這一過程基本可以控制在 5min 左右完成。

（3）砂帶磨局部修正功能。較大的偏差可以通過強磨修整，多走幾遍理論軌跡來修正，但是對于小于0.1mm 的偏差修正，實時壓力控制的變壓力磨削會更有效。目前，關于變壓力磨削編程控制已經做了試驗，實現已經不是技術難題。

（4）低摩擦導向和小接觸力控制是實現航空鈦合金葉片進排氣邊準確加工的關鍵，對于 R0.1mm 級的進排氣邊磨削成型和拋光，接觸力可能會小于 2N，考慮到磨削質量，接觸力的分辨率不會高于 0.5N，最好能控制在 0.1N 級別。這將對砂帶機構導向裝置提出挑戰，目前在試驗的導向裝置和浮動執行機構基本可以做到零摩擦，剩下的就是降低砂帶浮動

機構質量提高運動靈敏度了。

（5）適應航空鈦合金葉片結構特點的機床結構。對于壓氣機葉片中的鍛彎葉片和掠型的風扇葉片，加工時 B 軸擺動角度會要求更大，機床設計應充分考慮；大型風扇葉片扭曲接近 90°，加工時 C 軸擺角變化相應地也會非常大，也是機床設計布置中考慮的重點。

結束語

以上是最近 3 年來我們對于葉片砂帶磨削所做工作的一些心得體會和小結，很多方面還有待進一步研究、總結、 驗證直至提煉成為專業的核心技術。近年來許多領域已經不能按照通常引進技術、裝備、工藝的方法來滿足國內制造的需求了，這是因為國內需求已經達到國際水 平，例如三代核電、新型發動機技術、高鐵技術等。

國家重大專項的實施無疑給制造業急需的技術研究提供了有力的支持，但專項的實施畢竟是階段 性、時效性的，對于制造業核心技術的掌握和發展，今后需求牽引的產、學、研、用的緊密結合必須成為一種常態。這種需求的牽引不僅會改變裝備制造企業的產品 開發模式，甚至可能會影響到工科院校的人才培養模式，我們期待這種改變。隨著需求牽引的研究工作的開展，解決航空鈦合金葉片進排氣邊磨削加工這一航空發動 機葉片制造的難題應該為時不遠了。 （責編：泰山）

作者簡介：

劉樹生，北京勝為弘技數控裝備有限公司總經理，長期致力于葉片多軸加工數控裝備研究，主持和參與完成多項國家 863 計劃項目，其中國家 863 計劃項目“大型汽輪機葉片五軸聯動加工中心研制”獲得中國機械工業科學技術一等獎。（原載于《航空制造技術》2011 年第 4 期，由重慶三磨海達磨床有限公司黃云提供）