1、序言

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件，葉片質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。葉片拋光是提高葉片工作壽命、疲勞強(qiáng)度和氣動(dòng)性能的重要方法，但拋光加工難度大、問(wèn)題多，其中鈦合金葉片在拋光過(guò)程中，廢料容易粘附和填充在砂粒之間，造成砂帶材料去除率降低，磨拋溫度提高[1]，引起拋光后表面質(zhì)量差、容易燒傷等問(wèn)題[2]。拋光工藝對(duì)鈦合金葉片表面變質(zhì)層內(nèi)的加工硬化、殘余應(yīng)力及金相組織變化等表面質(zhì)量完整性[3]和疲勞性能也有直接影響[4]。隨著鈦合金葉片的廣泛應(yīng)用，其對(duì)表面拋光技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求[5，6]。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用了TC4鈦合金壓氣機(jī)工作葉片、整流葉片，葉型加工采取數(shù)控銑削+手工拋光的方法，存在加工效率低、尺寸精度保證難度大等問(wèn)題，影響交付進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。本文通過(guò)對(duì)TC4鈦合金材料試件、典型葉片開(kāi)展數(shù)控砂帶拋光試驗(yàn)和產(chǎn)品試制加工，研究了拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度、表面紋理、金相、硬度及殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為數(shù)控砂帶拋光在航空發(fā)動(dòng)機(jī)TC4鈦合金葉片的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2、鈦合金試件及葉片數(shù)控砂帶拋光試驗(yàn)條件

2.1試件狀態(tài)及試驗(yàn)條件

用于數(shù)控砂帶拋光參數(shù)評(píng)估的TC4鈦合金試件尺寸為100mm×50mm×4mm。根據(jù)GJB2505A—2008《航空用鈦及鈦合金板材和帶材規(guī)范》推薦的熱處理參數(shù)，試樣經(jīng)820℃加熱，保溫0.5h并于爐外空冷，形成符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的退火態(tài)組織。在數(shù)控砂帶磨床上，分別選用碳化硅砂帶和尼龍砂帶按照規(guī)劃的工藝組合開(kāi)展參數(shù)試驗(yàn)，砂帶寬度10mm。為避免拋光廢料堆積，加工過(guò)程使用摩特3135水基切削液對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行沖洗。

2.2葉片狀態(tài)及試驗(yàn)

過(guò)程選取100件TC4材料的葉型較復(fù)雜的壓氣機(jī)第4級(jí)工作葉片，在數(shù)控銑削后開(kāi)展數(shù)控砂帶拋光試制。該葉片由葉身、榫頭組成，屬于典型的燕尾型榫頭葉片，尺寸為60mm×40mm，葉身采用五軸數(shù)控機(jī)床精銑至表面粗糙度值Ra=3.2μm左右，拋光留余量0.02～0.05mm。設(shè)備采用2MGY5530型數(shù)控砂帶磨床，砂帶采用240目的碳化硅砂帶、400目的藍(lán)色尼龍帶，分別開(kāi)展葉身型面粗拋和精拋[7]，砂帶如圖1所示。拋光走刀軌跡如圖2所示，采用沿積疊軸方向往復(fù)走刀方式，從葉尖處進(jìn)刀，砂帶加工葉身走刀至葉根R部位附近，由砂帶側(cè)面去除葉根R部位刀紋。根據(jù)前述參數(shù)試驗(yàn)分析結(jié)果，結(jié)合該葉片葉型特點(diǎn)，制定拋光工藝參數(shù)、編制數(shù)控程序開(kāi)展試制，粗拋和精拋工藝參數(shù)分別見(jiàn)表1。試制過(guò)程中，240目碳化硅砂帶每加工3～4件更換一次砂帶，400目藍(lán)色尼龍帶每加工3～5件更換一次砂帶。

2.3測(cè)試方法與儀器試件

經(jīng)磨拋加工后，分別開(kāi)展以下測(cè)試，用于分析各組工藝對(duì)加工效果的影響。①使用MahrM300表面粗糙度測(cè)量?jī)x，開(kāi)展垂直于磨拋紋路的表面粗糙度測(cè)量，測(cè)量評(píng)估長(zhǎng)度lt=4mm，截止波長(zhǎng)λf=0.8mm。②使用OlympusBX53M顯微鏡對(duì)磨削后試件局部表面的形貌及剖面金相進(jìn)行觀測(cè)。③使用HVS-1000Z維氏硬度計(jì)，在HV0.3的條件下，對(duì)磨削后葉片表面及芯部硬度進(jìn)行測(cè)量。④使用ProtoiXRD殘余應(yīng)力分析儀，在V靶測(cè)量磨削后試件表面的殘余應(yīng)力。

3、拋光參數(shù)對(duì)試件表面粗糙度的影響

3.1單個(gè)參數(shù)對(duì)加工效果的影響

基于單因素試驗(yàn)法，在試件上分別對(duì)數(shù)控砂帶拋光線速度、進(jìn)給速度、預(yù)壓量和步距開(kāi)展拋光試驗(yàn)，以驗(yàn)證主要拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。再采用單一變量試驗(yàn)法，分別開(kāi)展線速度、進(jìn)給速度、預(yù)壓量和步距等拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度的檢測(cè)及影響分析，具體拋光參數(shù)和相應(yīng)表面粗糙度測(cè)量值見(jiàn)表2～表5。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析形成的砂帶拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律曲線如圖3所示。由圖3a可知，表面粗糙度值Ra隨著砂帶線速度的增加而不斷降低，但在線速度達(dá)到12m/s后，Ra趨于穩(wěn)定，線速度增加未對(duì)表面粗糙度產(chǎn)生很大的影響。由圖3b可知，Ra隨著砂帶進(jìn)給速度的增加而不斷升高。由圖3c可知，Ra隨著磨頭預(yù)壓量的增大而降低，但在預(yù)壓量達(dá)到0.15mm之后，Ra隨著磨頭預(yù)壓量的增大而升高。由圖3d可知，Ra隨著砂帶步距的增加而不斷降低。

因選取的參數(shù)是離散化數(shù)值，故存在一定的差異性，綜合加工質(zhì)量和效率分析認(rèn)為，后期工程應(yīng)用的參數(shù)選擇范圍為：線速度9m/s以上；在保證效率的情況下，精拋盡量選擇較低進(jìn)給速度；磨頭預(yù)壓量取0.10～0.20mm；步距取1.0～3.0mm。同時(shí)，須注意各參數(shù)的耦合作用，如當(dāng)選擇較大砂帶線速度、較低進(jìn)給速度和一定預(yù)壓量時(shí)，加工后表面質(zhì)量不一定好；又如在磨削壓力一定的情況下，選擇較小的線速度、進(jìn)給速度，也可得到較小的表面粗糙度值。

3.2拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度及殘余應(yīng)力影響的主次

分析為進(jìn)一步驗(yàn)證步距、線速度、進(jìn)給速度和預(yù)壓量等拋光參數(shù)對(duì)加工后零件表面粗糙度、殘余應(yīng)力的影響程度，綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，制定四因素三水平的正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表6。

按表6規(guī)定的拋光參數(shù)，分別采用400目的碳化硅砂帶拋光至表面粗糙度值Ra=0.4μm，隨后再采用800目的尼龍帶精拋光至表面粗糙度值Ra=0.2μm，各組正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表7、表8，其中表面粗糙度和殘余應(yīng)力數(shù)值為在檢測(cè)試件上相同位置所得。采用極差法分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示，其中因素極差值（R值）的大小反映了各因素對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響程度大小。由圖4a、圖4b分析可知，TC4鈦合金試件數(shù)控砂帶拋光至表面粗糙度值Ra為0.2～0.4μm時(shí)，影響表面粗糙度的主次參數(shù)順序?yàn)樯皫Ь€速度、步距、預(yù)壓量和進(jìn)給速度，影響表面殘余應(yīng)力的主次參數(shù)順序?yàn)樯皫Ь€速度、進(jìn)給速度、預(yù)壓量和步距。

由圖4c、圖4d分析可知，TC4鈦合金試件數(shù)控砂帶拋光至表面粗糙度值Ra≤0.2μm時(shí)，影響表面粗糙度的主次參數(shù)順序?yàn)檫M(jìn)給速度、預(yù)壓量、步距和砂帶線速度，影響表面殘余應(yīng)力的主次參數(shù)順序?yàn)椴骄?、砂帶線速度、預(yù)壓量和進(jìn)給速度?？梢?jiàn)，當(dāng)數(shù)控砂帶拋光到不同的表面狀態(tài)時(shí)，各參數(shù)對(duì)TC4鈦合金試件表面粗糙度及殘余應(yīng)力的影響權(quán)重不盡相同。此外，即使拋光到相同的表面狀態(tài)時(shí)，各參數(shù)對(duì)表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響權(quán)重也不相同。

4、鈦合金葉片數(shù)控砂帶拋光效果

試制后，產(chǎn)品按現(xiàn)行檢驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行外觀、尺寸、頻率及燒傷等檢查，結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，采用數(shù)控砂帶拋光的生產(chǎn)效率較手工拋光綜合提高10%左右，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅下降，且葉型尺寸、產(chǎn)品質(zhì)量及頻率一致性好。為進(jìn)一步評(píng)估數(shù)控砂帶拋光對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，增加了以下對(duì)比檢測(cè)分析。

4.1表面粗糙度對(duì)比

隨機(jī)抽取1件數(shù)控砂帶拋光、1件手工拋光的該葉片，測(cè)量葉背、葉盆中間位置的表面粗糙度。數(shù)控砂帶拋光的葉片測(cè)量結(jié)果為葉背表面粗糙度值Ra=0.33μm、葉盆表面粗糙度值Ra=0.27μm，手工拋光的葉片測(cè)量結(jié)果為葉背表面粗糙度值Ra=0.45μm、葉盆表面粗糙度值Ra=0.40μm，均滿(mǎn)足圖樣規(guī)定的表面粗糙度值Ra＜0.8μm的要求。4.2表面紋理對(duì)比隨機(jī)抽取1件數(shù)控砂帶拋光、1件手工拋光的該葉片進(jìn)行表面紋理檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示。在觀察范圍內(nèi)，數(shù)控砂帶拋光的溝槽大部分是完整的，不存在斷續(xù)情況；而手工打磨的葉片在觀測(cè)范圍內(nèi)，條紋存在打斷情況。另外，數(shù)控砂帶拋光與手工拋光形成的都是沿著積疊軸方向的縱向紋理，縱向紋理相較于橫向紋理更有益于提高葉片疲勞壽命。

4.3金相、硬度對(duì)比

隨機(jī)抽取數(shù)控砂帶拋光、手工拋光的該葉片各1件進(jìn)行理化試驗(yàn)，葉片剖面金相組織如圖6、圖7所示。對(duì)比兩種方案加工的葉片剖面，可發(fā)現(xiàn)表層組織均未出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象，表明表層組織依舊維持原有退火狀態(tài)。在0.3kgf（1kgf≈9.8N）作用下測(cè)量葉片表面及芯部硬度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表9。數(shù)據(jù)顯示表面硬度、芯部硬度相當(dāng)，均符合設(shè)計(jì)圖樣要求。由此表明，數(shù)控砂帶拋光工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品組織無(wú)影響。

4.4殘余應(yīng)力對(duì)比

選取數(shù)控砂帶拋光、手工拋光的葉片各5件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)，選取葉片的葉盆、葉背各4個(gè)點(diǎn)（見(jiàn)圖8）進(jìn)行測(cè)量。對(duì)數(shù)控砂帶拋光及手工拋光葉片零件各隨機(jī)抽取5件，對(duì)其葉盆、葉背各4點(diǎn)處的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，數(shù)控砂帶拋光及手工拋光殘余應(yīng)力類(lèi)型都為對(duì)疲勞壽命有益的壓應(yīng)力，且同一位置點(diǎn)的壓應(yīng)力值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，壓應(yīng)力能使疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低，零件疲勞服役壽命増加。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鈦合金葉片數(shù)控砂帶拋光過(guò)程中產(chǎn)生的切屑易粘附、填充于砂帶砂?？障兑l(fā)的表面質(zhì)量差及燒傷等問(wèn)題，進(jìn)行技術(shù)革新和工藝試驗(yàn)，采用單因素試驗(yàn)法研究了工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，采用正交試驗(yàn)法研究了工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度、殘余應(yīng)力的主次影響關(guān)系，獲得了可指導(dǎo)生產(chǎn)工藝參數(shù)編制的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)復(fù)雜型面的TC4鈦合金葉片試制驗(yàn)證表明，數(shù)控砂帶拋光能有效提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，解決了手工拋光勞動(dòng)強(qiáng)度大、粉塵污染重和產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問(wèn)題，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面拋光中具有很好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

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