葉片數(shù)控砂帶拋光關(guān)鍵技術(shù)研究

李小彪，史耀耀，段繼豪

（西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室， 西安 710072）

0 引言

葉片是航空發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)和水輪機(jī)等設(shè)備中的關(guān)鍵零件，其表面質(zhì)量直接影響整機(jī)的工作性能[1]。然而葉片屬于薄壁易變形零件，表面曲率復(fù)雜，精度要求高，目前其最終加工仍未完全擺脫人工拋光的方法[2]。

砂帶拋光作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的加工方法，已成為葉片拋光加工的有效方法之一，國內(nèi)對此已有廣泛的研究[3]，并研制出了相關(guān)設(shè)備，但對于拋光過程中的柔性控制等關(guān)鍵技術(shù)論述較少。

本文基于葉片的加工工藝要求，研制了砂帶拋光系統(tǒng)，從接觸輪的設(shè)計、砂帶的布局、張緊力的調(diào)節(jié)和拋光力的控制等方面入手，對葉片拋光加工的關(guān)鍵技術(shù)提出了解決方案，最后加以試驗驗證，實現(xiàn)了葉片的高精度柔性拋光。

1 砂帶拋光系統(tǒng)設(shè)計

葉片是典型的自由曲面類零件，需多軸聯(lián)動才能實現(xiàn)其表面的拋光加工。葉片加工的高精度和穩(wěn)定性對機(jī)床的剛度提出了要求，龍門式結(jié)構(gòu)因有極好的對稱性和極佳的剛性，精度容易保證[4]，為實現(xiàn)葉片的表面拋光奠定了基礎(chǔ)。研制的葉片砂帶拋光機(jī)如圖1所示，主要由機(jī)床本體結(jié)構(gòu)、砂帶傳動部分和葉片裝夾機(jī)構(gòu)三部分組成。

橫梁2和立柱3構(gòu)成了機(jī)床本體的龍門式結(jié)構(gòu)，為保證足夠的剛度，橫梁和立柱連接處補(bǔ)充了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。機(jī)床橫梁結(jié)構(gòu)為簡支梁支承形式，通過在橫梁內(nèi)部筋板之間增加斜加強(qiáng)筋，形成穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu)，減小橫梁因重力而產(chǎn)生的變形。

圖1 葉片數(shù)控砂帶拋光機(jī)

砂帶傳動機(jī)構(gòu)安裝在Z向?qū)к壣?，并可跟隨Z向?qū)к壱黄鹧貦M梁實現(xiàn)X方向運動，其系統(tǒng)簡圖如圖2所示。砂帶傳動部分由安裝在驅(qū)動輪6背后的步進(jìn)電機(jī)提供動力，驅(qū)動輪、接觸輪、張緊輪和砂帶等完成能量傳遞。張緊氣缸4驅(qū)動張緊輪5沿氣缸活塞桿方向移動，使得砂帶7處于張緊狀態(tài)；工作時，受壓氣缸8在比例閥驅(qū)動下推動接觸輪1沿葉片法向運動，三維力傳感器9實時采集接觸輪受到的拋光力。圖中未標(biāo)記的輪均屬于惰輪。

葉片裝夾機(jī)構(gòu)安裝在工作臺上。工作臺可繞自身旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)C向轉(zhuǎn)動，并能沿Y向?qū)к壷本€運動，夾具帶動葉片繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)定義為U方向。采用的葉片裝夾機(jī)構(gòu)，利用葉片榫根處的定位面進(jìn)行裝卡，實現(xiàn)葉片的對稱定位，以有效控制葉片在拋光力的作用下產(chǎn)生加工變形，起到增加葉片的支承剛性、提高定位精度、減少阻尼振動的效果。

圖2 砂帶傳動結(jié)構(gòu)簡圖

2 關(guān)鍵技術(shù)的解決方案

2.1 柔性接觸輪的設(shè)計

接觸輪是砂帶拋光系統(tǒng)的重要零件，接觸輪材料的物理力學(xué)性能及表面狀況對拋光精度以及表面質(zhì)量有很大影響。接觸輪表面硬度越大，磨粒上承受的壓力越大，金屬切除率越高，但同時與葉片外形適應(yīng)性不好，造成表面粗糙度值大。因此為兼顧加工效率和葉片表面質(zhì)量，應(yīng)合理選擇接觸輪的硬度。

圖3 柔性接觸輪

所設(shè)計的柔性接觸輪如圖3所示，表面使用彈性橡膠材料，利于砂帶貼附葉片曲面，增大了砂帶與葉片接觸面積；同時對曲面有自適應(yīng)的功能，可以適應(yīng)葉片曲率在一定范圍內(nèi)的變化，充分發(fā)揮柔性輪“彈性”拋光的功能，以降低葉片表面粗糙度。另一方面，使用剛性元件作為接觸輪的軸心，使之有一定的硬度，增大了砂帶磨粒與葉片的接觸作用，提高了拋光力和加工效率。接觸輪表面具有開槽結(jié)構(gòu)，能增強(qiáng)砂帶的切入能力、加大磨粒的自銳性并使砂帶和接觸輪間有充分的變形空間，起到柔性作用。

2.2 砂帶纏繞方式的布局

砂帶纏繞方式的布局基于預(yù)防砂帶跑偏、增大拋光力和利于拋光力的柔性控制三個原則。

各傳動輪做成了中間高兩邊低的腰鼓形，轉(zhuǎn)軸采用了軸平行結(jié)構(gòu)，保證了砂帶均勻受力，防止跑偏、皺折。惰輪的設(shè)置能夠保證砂帶與輪子之間保持較大的包絡(luò)角，避免砂帶振動，使得砂帶能夠傳遞更大的有效拋光力。

在砂帶傳動結(jié)構(gòu)中用連接桿將導(dǎo)向輪和接觸輪固連成一個整體，導(dǎo)向輪和接觸輪的受力示意圖如圖4所示，砂帶與葉片間的法向拋光力和切向拋光力分別為Fn和Ft，砂帶所受的張力為F1、F2和F3，合理設(shè)計導(dǎo)向輪的位置使F1和F2的方向相反。不計輪子本身的轉(zhuǎn)動慣量和輪軸軸承間的摩擦阻力，砂帶對接觸輪和導(dǎo)向輪系統(tǒng)的外力F1和F2大小相等。這樣的砂帶布局方式避免二者合力對接觸輪的拋光力造成較大影響，利于拋光力的柔性控制，使氣缸氣壓有較小變化時，接觸輪便可靈敏地產(chǎn)生相應(yīng)的微位移，保證砂帶跟隨葉片型面的變化產(chǎn)生均勻的拋光量，避免發(fā)生“過拋”和“欠拋”現(xiàn)象。

圖4 導(dǎo)向輪和接觸輪的受力方向圖

2.3 張緊力的調(diào)節(jié)

砂帶張緊程度直接影響拋光效率、葉片加工質(zhì)量和砂帶使用壽命。在砂帶強(qiáng)度允許情況下，材料切除率隨張緊力的增大而增加。但是張緊力過大可能引起以下不良后果[5]：

1）接觸輪變形，拋光能力減弱，開齒槽接觸輪噪聲加大，邊緣磨損加??；

2）砂帶的延伸量加大，引起磨粒脫落、砂帶斷裂或砂帶壽命縮短；

3）整個傳動輪系支承軸及軸承載荷加大。

綜上所述，在前期階段為提高效率采用較大的張緊力，后期為使砂帶獲得良好的柔性，選擇較小的張緊力。張緊力的大小由張緊氣缸控制，當(dāng)氣缸的通氣量增大時，氣缸桿向前移動的位移較多，砂帶的張緊力增大，反之砂帶的張緊力較小。通過控制比例閥調(diào)節(jié)通氣量，達(dá)到控制張緊力的目的。

2.4 拋光力的控制方案

拋光力是影響砂帶磨損量、葉片表面質(zhì)量及拋光性能的重要參數(shù)，恒力拋光可有效提高工件表面精度，延長砂帶壽命。然而由于工件的變形及系統(tǒng)剛度的時變性，工件與砂帶之間的拋光力會發(fā)生變化[6]，因此，合理控制拋光力成為葉片拋光加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。砂帶拋光力控制系統(tǒng)框圖如圖5所示，工控機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換控制比例閥的輸出電壓，比例閥控制氣缸的通氣量大小，進(jìn)而控制拋光力的大小，在氣缸導(dǎo)柱與接觸輪之間的三維力傳感器測得葉片所受的實際拋光力，并把拋光力值通過A/D轉(zhuǎn)換模塊傳遞到工控機(jī)中，在工控機(jī)中用Labwindows/CVI 編輯了拋光力控制軟件（如圖6所示），通過虛擬儀器控制受壓氣缸的通氣量，從而修正實際輸出力的大小，靠近期望拋光力。設(shè)計中采用了低摩擦氣缸，壓力傳感器的控制精度達(dá)到±1N，最終構(gòu)成的半閉環(huán)控制回路為實現(xiàn)砂帶拋光力高精度控制提供了保障。

圖5 砂帶拋光力控制系統(tǒng)框圖

圖6 拋光力控制軟件界面

3 葉片砂帶拋光試驗

利用上述的砂帶拋光系統(tǒng)，在自行研制的機(jī)床上，對某型號葉片進(jìn)行順向拋光，即沿著銑削加工后的葉片表面波紋度方向進(jìn)行拋光，拋光軌跡如圖7所示。拋光過程分粗拋和精拋兩個步驟，粗拋工序的目的是去除銑削加工后葉片表面波紋和缺陷，對葉片進(jìn)行預(yù)拋光；精拋工序則為了降低葉片表面粗糙度，保證表面光潔度，最終滿足葉片表面的完整性要求。粗拋所用砂帶粒度為200目，砂帶線速度控制在11m/min，砂帶張緊力為80N；精拋的砂帶粒度為400目，砂帶線速度為13m/min，砂帶張緊力是60N，砂帶接頭方式為對接。

圖8為拋光前后葉片表面質(zhì)量對比圖，圖中上方所示為拋光前的葉片，表面有很明顯的銑削刀痕，精度差，無明顯的光澤。經(jīng)過砂帶拋光后的葉片如圖中下方所示，葉片表面質(zhì)量均勻，精度提高，銑削刀痕消失，相鄰拋光路徑交叉處銜接平滑，葉片表面粗糙度和波紋度明顯減小，葉片光潔度好。經(jīng)對比，與同類葉片手工拋光時間相比，拋光效率可提高4-5倍。

圖7 拋光軌跡圖

圖8 拋光前后葉片對比圖

4 結(jié)論

本文介紹了一種葉片砂帶拋光系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了高剛度的龍門結(jié)構(gòu)，設(shè)計了可控的砂帶傳動系統(tǒng)，使用了抗變形的專用葉片夾具，將控制系統(tǒng)的柔性與砂帶拋光方式的高效有機(jī)地結(jié)合起來。優(yōu)化設(shè)計接觸輪，合理布局砂帶纏繞方式，通過氣缸調(diào)節(jié)砂帶的張緊力，并采用拋光力柔性控制方案，最終實現(xiàn)了葉片的高精度恒力拋光。通過葉片拋光試驗，證明該砂帶拋光系統(tǒng)能夠精確控制葉片的拋光量，加工精度滿足使用要求。

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[4] C.S.Teo,K.K.Tan,S.Y.Lim,etc.Dynamic modeling and adaptive control of a H-type gantry stage[J].Mechatronics,2007,17(7):361–367.

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