固結樹脂金剛石工具拋光鈦合金葉片葉緣工藝

摘要 葉緣作為航空發(fā)動機葉片的關鍵部位，其加工精度直接影響葉片的氣動性能，降低葉緣表面粗糙度和輪廓度對延長發(fā)動機服役壽命至關重要。為此，設計并開發(fā)了固結樹脂金剛石彈性拋光輪，基于機器人平臺研究鈦合金葉片葉緣的拋光工藝。采用正交試驗法探索主軸轉速、進給速度、加工壓力、磨料粒徑 4 個主要工藝參數(shù)對葉緣表面粗糙度及輪廓度的影響規(guī)律。試驗確定的最佳工藝參數(shù)組合是：主軸轉速為800 r/min，進給速度為 6 mm/min，加工壓力為 4 N，磨料粒徑為 10～14 μm。在此最佳參數(shù)組合下，鈦合金葉片葉緣拋光的綜合效果較好，其表面形貌得到改善，面型精度提高，表面粗糙度由初始的 1.165 μm 降為 0.213 μm ，輪廓度由初始的 0.048 mm 降為 0.016 mm，可滿足使用要求。

關鍵詞 金剛石彈性拋光輪；葉緣拋光；表面粗糙度；面型精度

中圖分類號 TG58; TG74 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2024）06-0807-09

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0272

收稿日期 2023-12-14 修回日期 2024-01-22

鈦合金葉片是事關航空發(fā)動機安全性能的重要零部件，屬于薄壁零件，面型復雜。而葉片的葉緣是空氣流動的出入口，直接影響葉片的使用壽命和發(fā)動機的效率[1-2] 。

拋光作為葉片成型的最終工序，決定了葉片的表面質量與幾何精度[3] 。一般來說，加工后要求葉緣的圓角 半 徑＜ 0.3 mm， 輪 廓 度 ＜ 0.07 mm， 表 面 粗 糙 度R a ＜0.4 μm[4] 。目前，國內外葉緣拋光主要有輪式工具拋光、砂帶拋光、磁性磨料拋光等。因砂帶自銳性好且有一定彈性，可更好地貼合葉緣，砂帶拋光可實現(xiàn)葉緣的高精度加工，但存在定位精度低、力控不準確等問題[5] 。磁性磨料拋光屬于柔性加工，具有加工表面質量好、溫升小等特點，但存在加工不均勻、去除效率低等問題[6] 。輪式工具拋光具有耐磨性好、加工效率高、加工精度好的優(yōu)點，但如果工具彈性低，與葉片是剛性接觸，容易產生葉緣過拋或葉片變形[7] 。

為實現(xiàn)葉緣的高精度拋光，對機器人磨拋工藝開展了理論與技術研究[8] 。為提高砂帶磨削葉片葉緣的精度，趙歡等[5]采用力控與包絡式磨拋葉緣工藝，使葉緣的輪廓誤差由?0.060～0.070 mm 提高到?0.015～0.050 mm，表面粗糙度由 3.200 μm 下降到 0.175 μm。琚春等[4]使用百葉輪對葉緣進行加工并分析磨拋過程中百葉輪壓縮量與拋磨力的關系，磨拋后的葉緣表面粗糙度 R a ＜0.4 μm，輪廓誤差＜0.08 mm。邱陽[9]使用固結磨料粘貼到海綿上制作了彈性固結磨料拋光輪，由于其具有高彈性，可以完全貼合葉片曲面進行加工，加工后葉緣的表面粗糙度 R a 為 0.307 μm，輪廓度為0.035 mm。王健杰[10]采用固結磨料技術設計了固結磨料磨頭，其由樹脂與金剛石磨?；旌稀⒐袒降稐U上成型，在三軸雕刻機床上使用該磨頭研磨 TC4 鈦合金，對研磨時的進給速度、磨料粒徑、磨頭轉速等工藝參數(shù)進行優(yōu)化，經最優(yōu)工藝參數(shù)試驗發(fā)現(xiàn) TC4 鈦合金表面粗糙度為 0.7 μm。劉紀東[11]基于固結磨料技術制作了親水性固結磨料柔性拋光工具，工具采用球形設計，以聚氨酯基體保證工具的彈性，且球冠處粘貼一層磨料，其拋光后葉片的表面粗糙度值達到 0.217 μm。

目前，葉緣拋光技術還存在表面質量差、欠拋導致的輪廓度過高、表面粗糙度與輪廓度不能同時考慮的問題。因此，提出一種固結樹脂金剛石彈性拋光輪來拋光葉緣。由彈性基體制作的彈性拋光輪借助其彈性實現(xiàn)貼合工件曲面的加工，尤其是設計開發(fā)出與葉緣曲率變化大、型面復雜特點相適應的彈性拋光輪，是實現(xiàn)葉緣良好拋光的關鍵。另外，聚集體金剛石磨料具有耐磨性好、強度高、鋒利度高、自銳性好等特點，采用聚集體金剛石固結磨料拋光技術在材料加工尤其在鈦合金等難加工材料中的應用效果極好[12] 。但固結磨料工具彈性較小，不能很好地貼合工件自由曲面。因此，將固結磨料技術與彈性拋光技術結合，制作固結樹脂金剛石彈性拋光輪，并在 6R 機器人拋光平臺上探索彈性拋光輪拋光葉片葉緣的工藝可行性。在此基礎上，探索工藝參數(shù)對固結樹脂金剛石彈性拋光輪拋光葉片葉緣的表面粗糙度及輪廓度的影響，并對加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

1

固結金剛石彈性拋光輪設計與制備

葉片葉緣是一種復雜曲面，其圓角半徑較小且精度要求高，直接拋光難以達到期望要求。要求合格的葉緣輪廓均在上下極限輪廓內，但如果拋光工藝不合理則會產生不合格的工件形狀，如圖 1 所示的尖頭形狀、鈍頭形狀等。

圖 2 為固結金剛石彈性拋光輪模型及實物圖。結合葉緣的形狀特點設計如圖 2a、圖 2b 所示的彈性拋光輪，圖中的坐標系為工具原坐標系，拋光輪的彈性主要通過高彈性樹脂基體實現(xiàn)。要拋光的葉片長度約為 70mm，寬度約為 35 mm，考慮到葉片尺寸以及防止加工過程中發(fā)生干涉，拋光輪設計尺寸如圖 2c 所示，拋光輪拋光區(qū)域直徑在 40 mm 左右。由于拋光輪使用時需夾裝到電動主軸下方，所以拋光輪中間留有輪柄的位置，將拋光輪固結到輪柄上。輪柄直徑根據(jù)機器人拋光平臺參數(shù)選擇為 8 mm。在加工過程中，彈性拋光輪的拋光區(qū)域會產生彈性變形，使拋光輪與葉緣實際形成面接觸，更好地貼合葉緣的型面結構。

拋光輪使用周面加工葉緣，葉緣受到壓力后與其形成接觸區(qū)域，而當曲面工件與凹形拋光輪接觸時，其接觸區(qū)域可近似為橢圓。拋光輪與葉緣接觸區(qū)域示意圖如圖 3 所示。

制作拋光輪需要用樹脂為基體，還需要金剛石磨料、成孔劑、固化劑、偶聯(lián)劑等，其制作流程如圖 4 所示。拋光輪具體制作過程為：首先采用樹脂為基體，根據(jù)樹脂的質量按比例稱量磨料和各添加劑的質量（各組分配比如表 1 所示），其中添加偶聯(lián)劑以增加樹脂與磨料之間的結合強度；所有物料稱量后放入攪拌機充分攪拌，攪拌均勻后將混合料注入模具，模具需提前噴脫模劑便于脫模；之后按照表 2 的制備參數(shù)放入硫化機熱固化成型；脫模時將上下模分離之后再將拋光輪取出。

2

試驗設計

2.1

葉緣拋光試驗設計

選用不同磨料基本顆粒尺寸（簡稱磨料粒徑）的金剛石，分別制作不同的拋光輪。拋光輪組分中金剛石的添加比例是由試驗確定的，既保證了加工效率還防止了磨料對樹脂基體的彈性產生太大的影響。除此之外，還需對進給速度、主軸轉速和加工壓力等工藝參數(shù)進行控制。因此，設計了 4 因素 3 水平正交試驗，以拋光后葉緣的表面粗糙度和輪廓度為評價指標對試驗結果進行分析，并進行工藝參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)前期準備工作中的單因素實驗，選定每個因素對應的 3 個水平。各參數(shù)的因素與水平如表 3 所示，使用 L 9 （ 34 ） 正交試驗表進行方案設計。

拋光試驗在 6 自由度機器人拋光平臺上進行，拋光試驗裝置如圖 5 所示。拋光輪外觀呈凹形，輪柄裝夾在機器人末端的電動主軸上，鈦合金葉片固定在平口鉗上，平口鉗固定在加工平臺上防止葉片移動產生加工誤差。拋光輪按照規(guī)劃的軌跡進行運動，同時在電主軸的帶動下按照設定的轉速轉動。機器人平臺安裝了力傳感器，采集力信號并反饋給電腦端的 Force-Control 軟件，實時進行末端執(zhí)行部分的恒力控制。

2.2

性能評價指標

葉緣輪廓度和表面粗糙度 R a 是評價加工性能的主要指標。通過 KEYENCE VR-6000 型激光光譜共聚焦顯微鏡檢測加工后的葉緣輪廓形狀及輪廓度，當輪廓形狀符合標準要求的形狀時，才可以證明基于機器人平臺的固結金剛石工具拋光鈦合金葉片葉緣有效，且通過檢測的葉緣輪廓度和表面粗糙度驗證設計的固結金剛石拋光輪是否滿足葉緣拋光要求。

3

結果與分析

3.1

葉緣輪廓分析

圖 6 是通過葉片三維模型中的輪廓截面坐標提取并使用 Matlab 擬合后的葉緣理想輪廓二維輪廓圖。圖 7 是使用激光光譜共聚集顯微鏡拍攝的未加工葉片葉緣的三維輪廓以及二維輪廓。經過對比發(fā)現(xiàn)：原始葉緣中間輪廓峰值較高，且輪廓度較大，為 0.048 mm；而要求加工的葉片較小，葉緣半徑在 0.3 mm 左右。因此，在加工時要注意不能出現(xiàn)去除量過大現(xiàn)象，否則會造成葉緣缺陷或報廢。

使用試驗設計的 3 種粒徑的金剛石磨料分別制作3 種拋光輪進行正交試驗，表 4 為正交試驗獲得的葉緣拋光后的輪廓度以及各因素極差分析結果。根據(jù)表 4的極差分析結果可得：在彈性拋光輪拋光葉緣試驗研究的 4 個工藝參數(shù)中，進給速度（B）對葉緣輪廓度的影響最大，其次是主軸轉速（A）和加工壓力（C），影響最小的為磨料粒徑（D）。最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為A 2 B 1 C 2 D 3 ，即主軸轉速為 700 r/min，進給速度為 6 mm/min，加工壓力為 4 N ，磨料粒徑為 10～14 μm。

圖 8 為各因素對葉緣拋光后輪廓度的影響趨勢。由圖 8 可以看出：隨著主軸轉速增大，葉緣拋光后的輪廓度先大幅降低再略有升高；主軸轉速增大會使材料去除更快，但由于拋光輪有一定彈性，拋光輪旋轉時的接觸區(qū)域并不是嚴格的圓周運動從而產生輕微晃動，當轉速最大時加工區(qū)域略微不均勻，輪廓度增大。且輪廓曲面同時也會因為材料去除量大，產生了輕微過拋現(xiàn)象導致輪廓度略有增大。隨著進給速度增大，葉緣拋光后的輪廓度呈持續(xù)上升趨勢；進給速度越小，拋光區(qū)域單位面積的有效拋光時間越長，材料去除更充分，所以輪廓度越小，反之輪廓度越大。隨著加工壓力增大，拋光輪的拋光能力越強，輪廓度先降后升；當壓力最小時，拋光輪不能很好地貼合曲面，工件輪廓度大；當增大一定壓力時，拋光輪貼合工件曲面較好，拋光效果好，其輪廓度降低；但當壓力增大到一定程度后，會使電主軸的扭矩變大導致轉速減小，從而使加工效果下降，工件的輪廓度反而上升。隨著磨料粒徑減小，葉緣輪廓度呈現(xiàn)下降趨勢且下降趨勢較為明顯。大粒徑磨料切削深度與去除量都較大，不易控制面型加工精度，工件的輪廓度變大。反之，小粒徑磨料材料去除量小，容易控制面型加工精度，拋光后工件的輪廓度下降。

表 4 的 9 組葉緣工件經過拋光后的輪廓及與理想輪廓對比如圖 9 所示，圖 9 中的藍色為理想輪廓線，黃色為上極限線，紫色為下極限線，淺褐色為輪廓實測線。從圖 9 可以明顯看出：9 組試驗后的葉緣輪廓都在上下極限線范圍內且沒有出現(xiàn)如圖 1 所示的葉緣缺陷特征，因此屬于標準型輪廓，符合葉緣拋光對輪廓形狀與輪廓度的要求。

3.2

葉緣表面粗糙度分析

表 5 所示為正交試驗獲得的葉緣拋光后的表面粗糙度以及各因素極差分析結果。根據(jù)表 5 的極差結果分析可得：金剛石彈性拋光輪拋光葉緣試驗的 4 個工藝參數(shù)中，進給速度（B）對葉緣表面粗糙度影響最大，其次是磨料粒徑（D）和主軸轉速（A），影響最小的為加工壓力（C）。最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為 A 3 B 1 C 2 D 3 ，即主軸轉速為 800 r/min，進給速度為 6 mm/min，加工壓力為 4 N ，磨料粒徑為 10～14 μm。

圖 10 為各因素對葉緣拋光后表面粗糙度的影響趨勢。由圖 10 可以看出：隨著主軸轉速增大，葉緣表面粗糙度持續(xù)降低。主軸轉速越大，單位時間內經過葉緣表面的磨粒越多，可以有效去除其表面缺陷，對于葉緣表面具有較好的光整效果。隨著進給速度增大，葉緣拋光后的表面粗糙度呈持續(xù)上升趨勢；進給速度越小，拋光區(qū)域單位面積的有效拋光時間越長，材料去除量增加，表面粗糙度降低；且進給速度增大，拋光不充分，原始缺陷殘留較多，表面粗糙度較高。隨著加工壓力增大，葉緣表面粗糙度先下降后上升；當加工壓力較小時，磨粒切削深度較小，隨著加工壓力增大切削深度加深，更有效地去除工件表面凹痕和突起，降低了其表面粗糙度；當壓力達到 6 N 時，磨粒切削深度最大，劃痕深度最深，表面粗糙度增大；同時可能導致過度去除表面材料，造成表面損傷。隨著磨料粒徑減小，葉緣表面粗糙度呈下降趨勢。因為小粒徑磨粒的切削深度更小，更容易控制工件表面的粗糙度。小粒徑的磨料顆粒在與工件表面接觸時的接觸區(qū)域較小，降低了在接觸區(qū)域內的局部壓力，減少了切削過程中的微觀不規(guī)則性。同時，小粒徑磨粒的拋光過程中產生的熱量較少，減小了工件表面變形和殘余應力產生的可能性，從而有助于降低工件表面粗糙度。但磨料太細容易被磨屑堵塞，會使拋光輪導熱情況變差而導致工件燒傷，所以使用小粒徑拋光輪加工時要進行修銳。

3.3

加工工藝參數(shù)優(yōu)化

對鈦合金葉片葉緣進行拋光試驗，研究各個工藝參數(shù)對拋光后葉緣的表面粗糙度以及輪廓度的影響[9] 。

通過優(yōu)化這些工藝參數(shù)，降低葉緣表面粗糙度和輪廓度，從而提高發(fā)動機性能。

在試驗中，主軸轉速（A）作為影響因素被評估。對于表面粗糙度而言，A 屬于次要影響因素，最優(yōu)水平選擇為 A 3 ；對于輪廓度而言，A 屬于主要影響因素，最優(yōu)水平選擇為 A 2 。從 A 2 到 A 3 時，表面粗糙度降低 8.4%，輪廓度增加 4.2%。雖然 A 2 水平對于降低輪廓度效果較好，但 A 2 與 A 3 水平差距并不明顯，同時 A 3 水平加工后的輪廓度依然符合要求。并且從對表面粗糙度影響的角度來看，A 3 水平對降低表面粗糙度影響更大，因此主要參考表面粗糙度指標，選擇 A 3 為最優(yōu)水平。

另一工藝參數(shù)進給速度（B）被發(fā)現(xiàn)對葉緣表面粗糙度和輪廓度都為主要影響因素。同時很明顯可以看出 B 因素對表面粗糙度影響更大，從 B 1 到 B 3 時，表面粗糙度增加 55.0%，輪廓度增加 78.9%，因此選擇 B 1為最優(yōu)水平。

對于第 3 個工藝參數(shù)加工壓力（C），明顯可以看出 C 因素對于兩者影響都較小，為次要影響因素，但對于均勻拋光還是必不可少。從 C 1 到 C 2 時，表面粗糙度降低1.3%，輪廓度降低4.0%，因此選擇C 2 為最優(yōu)水平。最后一個工藝參數(shù)磨料粒徑（D）對表面粗糙度的 影 響 為 主 要 因 素； 對 于 輪 廓 度 來 說 ， D 為 次 要影響因素。從實驗數(shù)據(jù)看，從D 1 到D 3 時，工件表面粗糙度降低 15.3%，輪廓度降低 7.4%，因此最優(yōu)水平選擇為 D 3 。

3.4

優(yōu)化結果的實驗驗證

根據(jù)優(yōu)化結果得到的最優(yōu)參數(shù)組合是 A 3 B 1 C 2 D 3 ，即主軸轉速為 800 r/min、進給速度為 6 mm/min、加工壓力為 4 N、磨料粒徑為 10～14 μm。在此參數(shù)下進行拋光試驗，拋光后葉緣的表面粗糙度由初始的 1.165μm 降 為 0.213 μm， 輪 廓 度 由 初 始 的 0.048 mm 降 為0.016 mm，能夠獲得葉緣表面精度、輪廓度符合要求的鈦合金葉片。

葉緣加工前后的微觀形貌對比如圖 11 所示。

葉緣加工前后的三維輪廓對比如圖 12 所示。由圖 12 可知：拋光前輪廓形狀不規(guī)則，輪廓度較高，表面存在凹坑和不規(guī)則突起（圖 12a 中的圓圈標注部位）；拋光后的輪廓形狀符合標準型，表面缺陷被去除，輪廓度降低（圖 12b）。

4

結論

本研究創(chuàng)新性地設計了一種與葉緣曲率變化大、型面復雜的特點相適應的新型拋光工具，結合固結磨料技術與彈性拋光技術，提出固結金剛石彈性拋光輪，并采用該工具在 6R 機器人拋光平臺上進行葉片葉緣的拋光試驗，探索彈性拋光輪拋光葉片葉緣的工藝可行性。在此基礎上，探索工藝參數(shù)對固結金剛石彈性拋光輪拋光葉片葉緣的表面粗糙度以及輪廓度的影響，并進行加工工藝參數(shù)優(yōu)化。通過分析正交試驗結果證明：設計并開發(fā)的彈性拋光輪適用于拋光鈦合金葉片的葉緣，加工后葉緣的表面粗糙度與輪廓度均能滿足需求。對正交試驗結果進行工藝參數(shù)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)：當主軸轉速為 800 r/min、進給速度為 6 mm/min、加工壓力為 4 N、磨料粒徑為 10～14 μm 時葉緣的綜合拋光效果最好，拋光后葉緣的表面粗糙度 R a 由初始的1.165 μm 降為 0.213 μm，輪廓度由初始的 0.048 mm 降為 0.016 mm，獲得了葉緣表面粗糙度低、輪廓度高的鈦合金葉片。

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作者簡介

通信作者： 朱永偉，男，1967 年生，教授、博士生導師。主要研究方向：精密超精密加工、表面工程等。

E-mail：meeywzhu@nuaa.edu.cn

（編輯：周萬里）

Polishing"process"of"titanium"alloy"blade"edges"using"bonded-resin"diamond"tools

ZHANG Wanyi

1 ， XU Chengyu 1 ， JI Dongfeng 1 ， ZHANG Tianhong 1 ， ZHU Yongwei 1 ， QIN Fengming 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，

Nanjing 210016， China）

（2. State Key Laboratory for High Performance Tools， Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co.，

Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

Abstract

Objectives： Aero engine blades are important components in engines， and the machining accuracy of theblade edge directly affects the aerodynamic performance of the blade. Improving the surface roughness and the profileaccuracy of the blade edge are crucial to improving the service life and the performance of the engine. However， thecurvature radius of the blade edge surface varies greatly to even less than 0.05 mm， which puts higher requirements onprocessing equipment and technology. Therefore， the polishing process of blade edges is studied and a fixed resin dia-mond elastic polishing wheel adapting to the shape of the blade edge is developed to explore its feasibility on a 6R ro-bot polishing platform when polishing blade edges. Methods： The fixed resin diamond elastic polishing wheel is de-veloped based on the characteristics of small curvature radius and complex surface shape of the blade edge， and a robotpolishing platform is built to study the polishing process of Ti alloy blade edges. Firstly， by combining UG secondarydevelopment with robot kinematics， the polishing path of the wheel based on the robot platform for polishing bladeedges is planned. Secondly， the orthogonal experimental method is used to explore the influences of four main processparameters， namely spindle speed （A）， feed rate （B）， machining pressure （C）， and abrasive particle size （D）， on the sur-face roughness and contour of the blade edge. The optimal combination of process parameters is then obtained. Finally，the titanium alloy blade edge workpiece is polished using the optimal parameter combination， and the surface roughnessand the contour of the workpiece after polishing are measured to determine whether the polishing quality of the work-piece meets the requirements for use. Results： The orthogonal experiments are conducted on titanium alloy blade edgepolishing using the fixed resin diamond elastic polishing wheel on the 6R robot polishing platform. The experimentaldata show that： （1） Among the four process parameters A， B， C and D， B has the greatest impact on the blade edge pro-file with a range R 1 of 0.015. The second greatest influences are from A and C， and the least influence is from D. The op-timal combination of process parameters is A 2 B 1 C 2 D 3 ， that is， the spindle speed is 700 r/min， the feed speed is 6 mm/min，the processing pressure is 4 N， and the abrasive particle size is 10～14 μm. （2） B has the greatest effect on the surfaceroughness of the blade edge， with its range R 2 being 0.136， which is much higher than that of other parameters. Thesecond greatest influences are from D and A， and the least influence is from C. The optimal combination of processparameters is A 3 B 1 C 2 D 3 ， that is， the spindle speed is 800 r/min， the feed speed is 6 mm/min， the processing pressure is 4N， and the abrasive particle size is 10～14 μm. Conclusions： A new type of resin diamond elastic polishing wheel is in-novatively designed by combining fixed abrasive technology and elastic polishing technology， which is suitable for thecharacteristics of large curvature changes and complex surfaces of the blade edge. It is used for orthogonal experimentsof blade edge polishing on the 6R robot polishing platform. The experimental results show that the designed and de-veloped elastic polishing wheel is suitable for polishing the edges of titanium alloy blades， and the surface roughnessand profile accuracy of the processed edges can meet the requirements for use. At the same time， the optimized processparameter combination for polishing the edge of titanium alloy blades is A 3 B 1 C 2 D 3 ， which includes a spindle speed of800 r/min， a feed rate of 6 mm/min， a processing pressure of 4 N， and an abrasive particle size of 10～14 μm. Underthese parameters， the overall effect of blade edge polishing is the best， with the surface roughness R a decreasing from theinitial 1.165 μm to 0.213 μm， and the profile decreasing from the initial 0.048 mm to 0.016 mm.

Key"words

diamond elastic polishing wheel；blade edge polishing；surface roughness；surface flatness