CN104985507B - 一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，属于机械零件表面光整加工技术领域，其特征在于：叶片和叶盆部位保护装置或叶背部位保护装置呈一定的空间角度固定于夹具上，夹具连接于主轴上；加工时，主轴做绕其自身轴线的摆动运动，在盛有加工介质（滚抛磨块和抛光液等）并绕自身轴线旋转的料箱中进行加工。该方法可有效提高叶片光整加工效率和光整的一致性，改善叶根部位的加工效果，同时防止进排气边的过抛，有效减少叶片加工过程中的变形，起到保护叶片的作用。

Description

一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法
技术领域
本发明一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，属于机械零件表面光整加工技术领域，具体涉及一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法。
背景技术
发动机是飞机的心脏部件，叶片又是发动机的重要部件。叶片型面为自由曲面，叶片的加工质量对航空发动机的可靠性有着重要的影响，而叶片的表面质量直接影响到叶片的气动性能，进而影响到航空发动机的性能。目前，对于叶片的光整加工有手工抛光、砂带抛光、磨粒流抛光、喷丸强化、激光冲击强化等方式，但都存在一定的局限性。如手工抛光后的表面纹理一致性差，影响发动机的动平衡性能和气动性能，且劳动强度大、抛光周期长、抛光环境恶劣。砂带抛光后表面质量得到明显改善，叶片的形状、位置尺寸保持良好，叶型波纹度和表面粗糙度值明显降低，进排气边没有损伤，但未能有效引入残余压应力，同时设备成本较高。磨粒流抛光夹具设计难、成本很高，且易引起叶片变形及厚薄不均等。喷丸强化、激光冲击强化可引入残余压应力，但强化后仍需通过其它光整工艺来进一步改善表面完整性。
滚磨光整加工技术具有整体加工、表面完整性特征参数综合改善、经济可承受的特征，现有技术中已有采用旋流式滚磨光整加工技术对叶片进行光整加工的方法，但仍存在叶根部位加工效果差、易引起进排气边的过抛和叶片变形等问题；即使采用表面涂敷树脂及缠绕胶带的保护方式保护进排气边，也存在效率低、可重复性差的问题。所以提出一种有效实用的滚磨光整加工方法是亟待解决的难题。
发明内容
本发明一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，其目的是通过采用分布式保护装置，控制叶片装夹角度、调整加工顺序和调整加工参数，实现叶片型面去除量的一致性，且使叶片型面尺寸精度，形位公差均符合图纸要求，防止在加工过程中叶片进排气边的过抛，有效减少叶片加工过程中的变形，改善叶根部位加工效果，提高叶片的表面完整性。
本发明一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，其特征在于：叶片3和叶盆部位保护装置4或叶背部位保护装置7固定于夹具2上，夹具2连接于主轴1上；加工时，将叶片3置入盛有加工介质5的料箱6中，主轴1做绕其自身轴线的摆动运动，料箱6做绕其自身轴线的旋转运动，从而实现叶片的光整加工，所述的叶盆部位保护装置4或叶背部位保护装置7安装在叶片3上，并一同固定于夹具2上；所述的叶盆部位保护装置4和叶背部位保护装置7是根据叶片叶盆部位和叶背部位的型面，使用3D打印技术制作，可与叶片紧密配合，防止进排气边的过抛，有效减少叶片加工过程中的变形，起到保护叶片的作用，并可重复使用；加工时，所述的叶片3需与初始装夹位置呈空间角度布置，所述的初始装夹位置为叶片3的上端弦线与主轴1和料箱6的轴线连心线相垂直的位置，所述的空间角度为叶片3相对于初始装夹位置沿主轴1的轴线方向旋转5°～25°，同时叶片3相对于主轴1的轴线方向摆动10°～30°，旋转方向和摆动方向均与料箱6的旋转方向相反，目的是有效提高叶片光整加工的效率和加工的一致性，改善叶根部位的加工效果；所述的主轴1绕自身轴线做具有一定角度和频率的摆动运动，在加工时能够使磨料与叶片表面充分接触，有利于对叶片表面均匀加工，摆动角度为2°～10°，摆动频率为2Hz～10Hz；所述的料箱6绕自身轴线做具有一定转速的旋转运动，旋转转速由与叶片接触区域的磨料速度v决定，磨料速度为1m/s～3m/s，磨料速度v(m/s)与料箱6的旋转转速n(rpm)的关系为：其中r为主轴1和料箱6的轴线连心线之间的距离(m)；所述的叶片3置入料箱6的加工介质5中，加工深度为加工介质5上表面到叶片3最上端的距离，加工深度为50mm～180mm。
上述一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，其具体加工步骤如下：
1)向料箱6中加入含有滚抛磨块和抛光液的加工介质5，料箱6绕其自身轴线做旋转运动；
2)采用叶盆部位保护装置4保护叶片，并将叶片3连同叶盆部位保护装置4一同固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，并插入到料箱6的加工介质5中，用以实现叶片3的叶背一侧的光整加工；
3)采用叶背部位保护装置7保护叶片，并将叶片3连同叶背部位保护装置7一同固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，并插入到料箱6的加工介质5中，用以实现叶片3的叶盆一侧的光整加工；
4)更换加工介质5，不采用保护方式，直接将叶片3固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，并插入到料箱6的加工介质5中，完成对叶片整体的光整加工。
本发明一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法的优点为：本发明针对叶片光整加工现状，提出了一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，即分别采用叶片叶盆部位保护装置和叶背部位保护装置先对叶片局部进行光整加工，后去除保护装置进行光整加工，实现叶片表面的均匀加工，能避免加工过程中叶片的过抛和变形，有效改善叶片表面的物理力学性能，综合改善叶片零件的表面完整性，提高叶片及整机的使用性能和寿命。
本发明的有益效果在于：本发明能够在保证加工精度，即不破坏叶片原有的形状、尺寸精度的前提下，降低叶片表面粗糙度值，改善表面纹理，进而提高叶片零件的表面完整性，并且能够有效提高加工效率、降低加工成本。
附图说明：
图1是采用分布式保护措施的叶片滚磨光整加工原理示意图。
图中：1-主轴；2-夹具；3-叶片；4-叶盆部位保护装置；5-加工介质；6-料箱
图2是图1的俯视图。
图3是叶盆部位保护装置以及叶背部位保护装置。
图中：7-叶背部位保护装置；
图4是叶片光整前的表面纹理。
图5是叶片光整后的表面纹理。
具体实施方式：
实施方式1：
本实施实例提供了一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，其特征在于：叶片3和叶盆部位保护装置4或叶背部位保护装置7呈一定的空间角度固定于夹具2上，夹具2连接于主轴1上；加工时，将叶片3置入盛有加工介质5(滚抛磨块和抛光液等)的料箱6中，主轴1做绕其自身轴线的摆动运动，料箱6做绕其自身轴线的旋转运动，从而实现叶片的光整加工。
具体加工步骤：
1)向料箱6中加入含有滚抛磨块和抛光液的加工介质5，料箱6绕其自身轴线做旋转运动，料箱转速：46rpm。
2)采用叶盆部位保护装置4保护叶片，并将叶片3连同叶盆部位保护装置4一同固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，使叶片3相对于初始装夹位置沿主轴1的轴线方向旋转15°，同时叶片3相对于主轴1的轴线方向摆动20°。
3)主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，摆动频率：3Hz，摆动幅度：3°。
4)将步骤2)中连接于主轴1的夹具2插入到料箱6的加工介质5中，加工深度(加工介质5上表面到叶片3最上端的距离)为120mm。
5)加工时间4min，用以实现叶片3的叶背一侧的光整加工。
6)采用叶背部位保护装置7保护叶片，并将叶片3连同叶背部位保护装置7一同固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，使叶片3相对于初始装夹位置沿主轴1的轴线方向旋转15°，同时叶片3相对于主轴1的轴线方向摆动20°。
7)主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，并插入到料箱6的加工介质5中，摆动频率：3Hz，摆动幅度：3°。
8)将步骤6)中连接于主轴1的夹具2插入到料箱6的加工介质5中，加工深度(加工介质5上表面到叶片3最上端的距离)为120mm。
9)加工时间4min，用以实现叶片3的叶盆一侧的光整加工。
10)不采用保护方式，直接将叶片3固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，使叶片3相对于初始装夹位置沿主轴1的轴线方向旋转15°，同时叶片3相对于主轴1的轴线方向摆动20°。
11)主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，摆动频率：3Hz，摆动幅度：3°。
12)将步骤10)中连接于主轴1的夹具2插入到装有另外一种加工介质5的料箱6中，实现更换加工介质的目的，加工深度(加工介质5上表面到叶片3最上端的距离)为120mm。
13)加工时间3min，完成对叶片整体的光整加工。
加工效果：
采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法后，叶片型面尺寸精度，形位公差符合图纸要求，叶片表面粗糙度Ra值由0.291μm下降至0.118μm，叶片型面刀痕去除，表面纹理得到极大改善，实现光整加工目标。
实施方式2：
本实施实例提供了一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，其特征在于：叶片3和叶盆部位保护装置4或叶背部位保护装置7呈一定的空间角度固定于夹具2上，夹具2连接于主轴1上；加工时，将叶片3置入盛有加工介质5(滚抛磨块和抛光液等)的料箱6中，主轴1做绕其自身轴线的摆动运动，料箱6做绕其自身轴线的旋转运动，从而实现叶片的光整加工。
具体加工步骤：
1)向料箱6中加入含有滚抛磨块和抛光液的加工介质5，料箱6绕其自身轴线做旋转运动，料箱转速：55rpm。
2)采用叶盆部位保护装置4保护叶片，并将叶片3连同叶盆部位保护装置4一同固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，使叶片3相对于初始装夹位置沿主轴1的轴线方向旋转10°，同时叶片3相对于主轴1的轴线方向摆动20°。
3)主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，摆动频率：3Hz，摆动幅度：2°。
4)将步骤2)中连接于主轴1的夹具2插入到料箱6的加工介质5中，加工深度(加工介质5上表面到叶片3最上端的距离)为120mm。
5)加工时间4min，用以实现叶片3的叶背一侧的光整加工。
6)采用叶背部位保护装置7保护叶片，并将叶片3连同叶背部位保护装置7一同固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，使叶片3相对于初始装夹位置沿主轴1的轴线方向旋转10°，同时叶片3相对于主轴1的轴线方向摆动20°。
7)主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，并插入到料箱6的加工介质5中，摆动频率：3Hz，摆动幅度：2°。
8)将步骤6)中连接于主轴1的夹具2插入到料箱6的加工介质5中，加工深度(加工介质5上表面到叶片3最上端的距离)为120mm。
9)加工时间4min，用以实现叶片3的叶盆一侧的光整加工。
10)不采用保护方式，直接将叶片3固定在夹具2上，夹具2连接于主轴1上，使叶片3相对于初始装夹位置沿主轴1的轴线方向旋转10°，同时叶片3相对于主轴1的轴线方向摆动20°。
11)主轴1绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，摆动频率：3Hz，摆动幅度：2°。
12)将步骤10)中连接于主轴1的夹具2插入到装有另外一种加工介质5的料箱6中，实现更换加工介质的目的，加工深度(加工介质5上表面到叶片3最上端的距离)为120mm。
13)加工时间3min，完成对叶片整体的光整加工。
加工效果：
采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法后，叶片型面尺寸精度，形位公差符合图纸要求，叶片表面粗糙度Ra值由0.272μm下降至0.101μm，叶片型面刀痕去除，表面纹理得到极大改善，实现光整加工目标。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施实例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种采用分布式保护措施的叶片表面滚磨光整加工方法，其特征在于：该方法是将叶片(3)和叶盆部位保护装置(4)或叶背部位保护装置(7)固定于夹具(2)上，夹具(2)连接于主轴(1)上；加工时，将叶片(3)置入盛有加工介质(5)的料箱(6)中，主轴(1)做绕其自身轴线的摆动运动，料箱(6)做绕其自身轴线的旋转运动，从而实现叶片的光整加工，所述的叶盆部位保护装置(4)或叶背部位保护装置(7)安装在叶片(3)上，并一同固定于夹具(2)上；所述的叶盆部位保护装置(4)和叶背部位保护装置(7)是根据叶片(3)的叶盆部位和叶背部位的型面，使用3D打印技术制作，可与叶片紧密配合，防止进排气边的过抛，有效减少叶片加工过程中的变形，起到保护叶片的作用，并可重复使用；加工时，所述的叶片(3)需与初始装夹位置呈空间角度布置，所述的初始装夹位置为叶片(3)的上端弦线与主轴(1)和料箱(6)的轴线连心线相垂直的位置，所述的空间角度为叶片(3)相对于初始装夹位置沿主轴(1)的轴线方向旋转5°～25°，同时叶片(3)相对于主轴(1)的轴线方向摆动10°～30°，旋转方向和摆动方向均与料箱(6)的旋转方向相反，目的是有效提高叶片光整加工效率和光整的一致性，改善叶根部位的加工效果；所述的主轴(1)绕自身轴线做摆动运动，在加工时能够使磨料与叶片表面充分接触，有利于对整个表面均匀加工，摆动角度为2°～10°，摆动频率为2Hz～10Hz；所述的料箱(6)绕自身轴线做旋转运动，旋转转速由与叶片接触区域的磨料速度v 决定，磨料速度为1m/s～3m/s，磨料速度v 与料箱6的旋转转速n 的关系为:，其中速度v 的单位为m/s，转速n 的单位为rpm，r 为主轴1和料箱6的轴线连心线之间的距离，单位为m；所述的叶片(3)置入料箱(6)的加工介质(5)中，加工深度为加工介质(5)上表面到叶片(3)最上端的距离，加工深度为50mm~180mm；该方法的具体加工步骤如下：
1）向料箱(6)中加入含有滚抛磨块和抛光液的加工介质(5)，料箱(6)绕其自身轴线做旋转运动；
2）采用叶盆部位保护装置(4)保护叶片，并将叶片(3)连同叶盆部位保护装置(4)一同固定在夹具(2)上，夹具(2)连接于主轴(1)上，主轴(1)绕自身轴线做摆动运动，并插入到料箱(6)的加工介质(5)中，用以实现叶片(3)的叶背一侧的光整加工；
3）采用叶背部位保护装置(7)保护叶片，并将叶片(3)连同叶背部位保护装置(7)一同固定在夹具(2)上，夹具(2)连接于主轴1上，主轴1绕自身轴线做摆动运动，并插入到料箱(6)的加工介质(5)中，用以实现叶片(3)的叶盆一侧的光整加工；
4）更换加工介质(5)，不需要再采用保护方式，直接将叶片(3)固定在夹具(2)上，夹具(2)连接于主轴(1)上，主轴(1)绕自身轴线做一定角度和频率的摆动运动，并插入到料箱(6)的加工介质(5)中，完成对叶片(3)整体的光整加工。
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