航空发动机风扇转子叶尖干式断续磨削技术

陈功 张富余 姚诚

中国航发成都发动机有限公司 四川成都  610500

[摘要]:先进航空发动机的风扇转子一般由钛合金构成，它的叶尖磨削，是一种钛合金的断续磨削，其磨削性能很差。本文针对航空发动机的风扇转子叶尖磨削，总结了一套适用的加工工艺方法。

[关键词]：航空发动机;风扇转子；钛合金;断续；干式磨削

引言

航空发动机的风扇转子组件是一个极其复杂的大型组件，通常在组装完成后，会整体对其叶尖行进磨削加工。现代航空发动机的风扇转子部件一般由钛合金构成，它的叶尖磨削，是一种钛合金的断续磨削，其磨削性能很差。同时风扇转子组件存在较多腔道，在磨削加工中不宜采用冷却液，但温度对钛合金的加工性能和加工机理有重大的影响，在低温条件下的机械性能会发生变化，切削机理也要相应发生变化，磨削难度较大。

1、航空发动机转子叶尖磨削工艺难点分析

1.1转子叶片振颤

现代航空发动机由于追求良好的燃油经济性，其风扇转子叶片弦长一般较大，展弦比超过了5，叶片最薄处仅为0.8mm，而且为断续磨削，因此转子叶片又可看作薄壁零件，钛合金的弹性模量约为不锈钢的1/2，加工时回弹性大，在加工中极易产生振颤，使得加工过程不可控，会对最终产品的加工精度造成影响，造成叶片叶尖型面超差。

1.2叶尖型面热膨胀

钛的热导系数为0.036cal，由于转子叶尖磨削时，不使用冷却液，由于钛合金材料特性，仍在叶尖堆积大量热量，使叶尖型面容易出现热膨胀，影响测量的准确性。

1.3钛合金磨削烧伤及砂轮粘附

随着磨削进行，磨粒硬度、强度下降，磨削力增大，砂轮磨损加剧，磨削温度升高在所难免。从微观上将，磨粒和粘附形成的过程是切削刃先出现小面积粘附逐渐大面积粘附，磨粒微细破碎，然后磨粒破碎脱落，钛合金磨削区域产生塑性变形。磨粒与工件相互粘结，这中间既有物理吸附作用，又有化学吸附作用，在加上相对滑擦的剪切力，被加工材料向磨粒转移，这是砂轮粘附的整个过程。砂轮粘附极易造成堵塞，使磨削区温度升高，磨削表面沿工件层发生分布型磨削烧伤，伴有变质层和残余应力。即使磨削深度用量很小，磨削表面也会发生磨削烧伤和裂纹。

2、磨削砂轮的选择

2.1磨粒材料选择

航空发动机转子叶尖磨削不宜使用冷却液，在磨削过程中需要砂轮承受高温，当升高的温度超过了普通磨料所能承受的极限时，磨粒会因软化破坏而脱落。所以最好选用新型的CBN（立方氮化硼）超硬砂轮，进一步增加磨削弧区的高温耐受程度，同时避免碳化物磨粒的粘附方式，进而降低磨削温度，以达到在不使用冷却液的前提下，磨削温度低的要求，使干磨钛合金成为可能。

2.2结合剂选择

从国内研究成果来看，磨削钛合金应选陶瓷结合剂砂轮。但是转子组件磨削部位是叶尖型面，属于典型的断续磨削，砂轮要承受较大的冲击载荷，陶瓷粘接剂的砂轮，在断续磨削的情况下，使得磨削力陡增，致使砂轮无法承受，考虑到采用低线速度参数进行磨削，同时增加吃刀量以加大铁屑体积，从而使铁屑能带走更多热量，对磨粒结合层强度提出了更高要求。将CBN磨粒采用电镀的方式附着到砂轮基体上，没有了结合剂硬度的限制，砂轮理论上能承受更大的冲击载荷。

3、加工参数的控制

3.1砂轮线速度

砂轮线速度由60 m/s 升高至80 m/s 时，磨削温度略有升高，并保持在450 ℃左右; 但是当砂轮线速度达100 m/s 时，磨削温度急剧升高; 当砂轮速度为120 m/s 时，磨削温度达710 ℃。100m/s的线速度虽然能高效的磨削试件，但是叶尖表面出现了严重的烧蚀现象，在磨削试验过程中加入冷却液，烧蚀问题能很好的解决。但是干磨方式，只能考虑采用砂轮线速度在60m/s～80m/s之间的低线速度参数进行磨削，同时增加磨削深度以加大切屑的体积，尝试使切屑能带走更多热量。

3.2磨削深度

在0.005～0.03mm区间，随着磨削深度增大，磨削温度升高不明显。这是由于，随着磨削深度增加，能形成较大的切屑，从而带走热量。但是磨削深度超过0.03mm后，单颗磨粒的最大未变形切屑厚度增大，并且钛合金表面硬度较低，磨削表面材料主要以耕犁形式去除，磨削负载增大。因此，钛合金高速磨削时可选择0.005～0.03mm的磨削深度。

3.3零件线速度

随着零件线速度提高，磨削温度呈缓慢上升趋势。一方面，随着零件线速度提高，磨削力增加，磨削区输入能量增加，将导致磨削温度升高; 另一方面，零件线速度提高，砂轮与工件表面接触时间变短，流入工件表面热流密度值降低，将导致磨削温度下降。磨削温度随零件线速度变化趋势是上述两方面的综合结果。因此，零件线速度对磨削温度影响不显著，可以适当提高工作台速度以保证效率。

3.4叶尖振颤控制

经过试验，可以采用自行车内胎对叶片进行重新缠绕，自行车内胎质地较软，较之前的胶绳更扁平，与叶片的接触面大，能很好的固定叶片并消除颤动，而且成本低廉，通过试加工，减震效果良好，叶片颤动现象消失，能很好的满足加工。

4、试验结论

经过正式零件的生产加工的验证，采用电镀CBN砂轮能有效进行断续磨削。在选择磨削深度0.03mm，砂轮线速度80m/s，零件线速度50m/s的工艺参数下，连续干磨削4小时后，砂轮仍能正常工作。

试验发现选择砂轮线速度80m/s时，磨削深度0.03mm时，磨削力相对较小，磨削表面出现明显而均匀的沟痕，也没有出现钛合金烧蚀现象；在转子缠绕自行车内胎后，能有效对磨削过程进行减震，还能进一步提高零件线速度，同时兼顾加工效率。但是值得注意的是，尽管电镀砂轮效率较高，但是它的失效形式是电镀磨粒层整体崩落，崩落后的磨粒层容易卡在砂轮与叶尖之间，然后挤压叶尖，使叶尖变形，有造成零件报废的风险。在使用电镀CBN砂轮断续干磨钛合金时，应严格控制电镀砂轮使用时间，及时更换新砂轮，能很好的避免电镀磨粒崩落的发生，以保证加工表面质量。

5、结束语

本文通过以上对航空发动机转子叶尖磨削工艺难点分析，从砂轮选择、加工参数的控制两个方面进行了阐述和分析，最终通过实际零件的多次加工，摸索了适合航空发动机转子叶尖磨削的砂轮和参数，确保了零件质量，提高了生产效率，希望对仍被此类问题困扰的企业有所参考。

参考文献

[1]梁晔.钛合金磨削砂轮表面粘附控制技术.航空制造技术,2010(22):95-97