涡轮叶片台阶面的磨削加工方法与流程

本发明涉及航空发动机涡轮叶片加工技术领域，特别地，涉及一种涡轮叶片台阶面的磨削加工方法。

背景技术：

航空发动机涡轮一级工作叶片，工作环境恶劣，应具有好的热强度、抗疲劳强度和蠕变性能。涡轮叶片一般由榫齿、缘板、叶身几部分构成，榫齿端面与缘板相接，相接部位通常有大小不等的转接r。(如下图6、7所示)。在加工榫齿前，需要将基准转换到缘板上，排气边上、下缘板与榫齿端面，共3个平面。同时a.b.c.d四个面形成一个台阶面。

根据工艺要求，需要加工a.b.c.d.e共5个部位，原加工方法的定位方式为：由于靠进气边缘板端面均为毛坯面，无法用于定位加工，只能在精铸的叶身上选取m、n、l点和k面定位零件，然后采用平面磨分三个工步加工，第1步：加工a面，靠砂轮边缘加工b、c处，第2步：加工d面，第3步：加工e面。

原加工工艺方法存在的问题：

1)加工效率极低，通常一批55件叶片需要1天半约12小时加工时间，若有零件超差处理，则又要增加半天周期，加工效率低严重影响某型涡轮叶片生产交付。

2)加工质量不稳定，一批零件经常有2～3件零件超差，超差零件需要通过不合格品处理，影响了零件的流动。

通过分析认为造成效率低、质量不稳定的原因有3点：

1)工艺方法落后

从工艺流程图上可以看出从毛坯到最终加工合格，如果采用普通平面磨床加工：一个零件需要反复装夹加工、测量，一个平面至少需要装夹3次才能加工合格，一个零件至少需要反复装夹9次。操作者的劳动强度大，且效率低。多次装夹带来定位误差的隐患，若有一次装夹不稳定，则导致尺寸超差。如图8所示，转化为数控平面磨削后虽可以实现一次装夹加工所有平面，但无法解决加工尺寸波动的问题。

2)工装夹具定位方式不稳定

从零件的装夹上可以看到，叶片横向定位靠的是叶身进气边的两个点，上、下缘板加工面下部均悬空，导致零件在磨削加工时均形成悬臂梁结构，当余量偏大时，则加工面会出现“下沉”现象。榫头加工面下有辅助支撑，但实际操作起来相当复杂，完全靠手感，支撑力太大则把榫头顶起，太小则榫头“下沉”。夹具结构导致定位不稳定。如图9和图10所示。

3)平面磨无法保证缘板侧面尺寸

由于砂轮的有效加工面为砂轮的外圆，砂轮侧面在磨削过程中侧面会不断损耗，但又无法修整，因此缘板侧面尺寸会逐渐增大。同时在平面磨上加工缘板与榫齿端面转接r只能通过手工修整砂轮形成，这种修整方法一致性极差，同时危险系数高，容易导致工伤事故。如图11所示。

技术实现要素：

本发明提供了一种涡轮叶片台阶面的磨削加工方法，以解决现有涡轮叶片台阶面加工过程中会支撑形成悬臂结构，在加工下压作用力影响下会导致涡轮叶片零件悬臂部分下沉，从而降低加工精度以及提高加工风险的技术问题。

本发明提供一种涡轮叶片台阶面的磨削加工方法，包括以下步骤：a、选择采用倾斜磨削法；b、待加工涡轮叶片倾斜角度选择；c、确定砂轮修整方法；d、按照设计倾斜角度装夹待加工涡轮叶片；e、对待加工涡轮叶片的台阶面以及叶冠平面进行磨削加工；f、涡轮叶片检测，不合格提交不合格品处理，合格品进行下一工序。

进一步地，步骤b中倾斜角度选择，具体为：将承载和装配待加工涡轮叶片的夹具调节为倾斜状态，并且使倾斜后的待加工涡轮叶片的上部与砂轮保护罩之间留有间距，以避免待加工涡轮叶片上部顶抵到砂轮主轴保护罩而缩短砂轮的使用寿命，同时避免机床y轴接近极限位置而触发报警。

进一步地，待加工涡轮叶片的倾斜角度控制在15°～40°。

进一步地，待加工涡轮叶片的倾斜角度为30°。

进一步地，倾斜角度调整，具体为：根据待加工涡轮叶片的尺寸以及加工要求，调整夹具倾斜角度，并装夹待加工涡轮叶片。

进一步地，步骤c中确定砂轮修整方法，具体为：通过调整和确定待加工涡轮叶片的倾斜角度，使得待加工涡轮叶片的台阶面和叶冠平面转变成为锯齿型面和斜面。

进一步地，采用金刚滚轮修整砂轮，直接修整出锯齿形以及转接弧形。

进一步地，采用砂轮设计成与倾斜的待加工涡轮叶片的锯齿型面相匹配的锯齿形。

进一步地，磨削采用大进给慢走刀的加工方式，以有利于保证加工形状；选择采用大气孔棕刚玉砂轮进行磨削加工，以保证待加工涡轮叶片在磨削时不产生烧伤现象。

进一步地，步骤e具体为：采用成型磨机床直接加工待加工涡轮叶片的台阶面以及叶冠平面，从而实现一次装夹稳定加工所有面。

本发明具有以下有益效果：

本发明涡轮叶片台阶面的磨削加工方法，采用倾斜磨削法，将下压力进行分解，减少对支撑定位下的涡轮叶片的下压作用力，无需增加支撑结构就能够维持结构稳定性以及提高加工精度。随着磨削方向的改变的同时，将涡轮叶片也设置装夹成倾斜状态，将原有的台阶面以及竖向平面加工转化为锯齿型面和斜面的加工，从而适应于倾斜磨削法。将砂轮结构改为与倾斜的涡轮叶片的锯齿型面向对应的锯齿形砂轮面，实现对锯齿型面的一次加工成型，并利用砂轮的外缘加工斜面，从而实现一次装夹即可完成全部尺寸加工，避免多次装夹带来的加工误差，减轻了操作者的劳动强度，提高了加工效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的涡轮叶片台阶面的磨削加工方法的步骤流程图；

图2是本发明优选实施例的涡轮叶片台阶面的磨削力分散的示意图；

图3是本发明优选实施例的机床磨削干涉的示意图；

图4是本发明优选实施例的金刚滚轮修整砂的示意图；

图5是本发明优选实施例的工艺优化后的涡轮叶片加工流程图；

图6是涡轮叶片侧向的加工部位示意图；

图7是涡轮叶片榫齿端俯视的加工部位示意图；

图8是现有的涡轮叶片加工流程图；

图9是现有的涡轮叶片夹具定位示意图；

图10是现有的涡轮叶片加工受力示意图；

图11是现有砂轮损耗示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的涡轮叶片台阶面的磨削加工方法的步骤流程图；图2是本发明优选实施例的涡轮叶片台阶面的磨削力分散的示意图；图3是本发明优选实施例的机床磨削干涉的示意图；图4是本发明优选实施例的金刚滚轮修整砂的示意图；图5是本发明优选实施例的工艺优化后的涡轮叶片加工流程图。

如图1和图2所示，本实施例的涡轮叶片台阶面的磨削加工方法，包括以下步骤：a、选择采用倾斜磨削法；b、待加工涡轮叶片倾斜角度选择；c、确定砂轮修整方法；d、按照设计倾斜角度装夹待加工涡轮叶片；e、对待加工涡轮叶片的台阶面以及叶冠平面进行磨削加工；f、涡轮叶片检测，不合格提交不合格品处理，合格品进行下一工序。本发明涡轮叶片台阶面的磨削加工方法，采用倾斜磨削法，将下压力进行分解，减少对支撑定位下的涡轮叶片的下压作用力，无需增加支撑结构就能够维持结构稳定性以及提高加工精度。随着磨削方向的改变的同时，将涡轮叶片也设置装夹成倾斜状态，将原有的台阶面以及竖向平面加工转化为锯齿型面和斜面的加工，从而适应于倾斜磨削法。将砂轮结构改为与倾斜的涡轮叶片的锯齿型面向对应的锯齿形砂轮面，实现对锯齿型面的一次加工成型，并利用砂轮的外缘加工斜面，从而实现一次装夹即可完成全部尺寸加工，避免多次装夹带来的加工误差，减轻了操作者的劳动强度，提高了加工效率。

如图2和图3所示，本实施例中，步骤b中倾斜角度选择，具体为：将承载和装配待加工涡轮叶片的夹具调节为倾斜状态，并且使倾斜后的待加工涡轮叶片的上部与砂轮保护罩之间留有间距，以避免待加工涡轮叶片上部顶抵到砂轮主轴保护罩而缩短砂轮的使用寿命，同时避免机床y轴接近极限位置而触发报警。倾斜后的待加工涡轮叶片，使得待加工涡轮叶片的台阶面以及叶冠平面转变成为锯齿型面和斜面，解决了砂轮侧面参与磨削而无法修整的问题。

如图2和图3所示，本实施例中，待加工涡轮叶片的倾斜角度控制在15°～40°。

如图2和图3所示，本实施例中，待加工涡轮叶片的倾斜角度为30°。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，倾斜角度调整，具体为：根据待加工涡轮叶片的尺寸以及加工要求，调整夹具倾斜角度，并装夹待加工涡轮叶片。

如图2、图3和图4所示，本实施例中，步骤c中确定砂轮修整方法，具体为：通过调整和确定待加工涡轮叶片的倾斜角度，使得待加工涡轮叶片的台阶面和叶冠平面转变成为锯齿型面和斜面。

如图4所示，本实施例中，采用金刚滚轮修整砂轮，直接修整出锯齿形以及转接弧形。

如图2、图3和图4所示，本实施例中，采用砂轮设计成与倾斜的待加工涡轮叶片的锯齿型面相匹配的锯齿形。

如图1、图3、图4和图5所示，本实施例中，磨削采用大进给慢走刀的加工方式，以有利于保证加工形状。选择采用大气孔棕刚玉砂轮进行磨削加工，以保证待加工涡轮叶片在磨削时不产生烧伤现象。

如图2和图3所示，本实施例中，步骤e具体为：采用成型磨机床直接加工待加工涡轮叶片的台阶面以及叶冠平面，从而实现一次装夹稳定加工所有面。

实施时，提供一种涡轮叶片台阶面的磨削加工方法，改进了磨削台阶面加工工艺、零件装夹方式以及砂轮修整方式。包括以下步骤：

第一步：采用台阶面倾斜磨削法

由于夹具结构限制，悬臂梁结构加工涡轮叶片零件不稳定，要满足设计要求以及减少转换误差，夹具结构就无法更改，必须在现有夹具上寻找解决方案。如图2和图3所示，通过将夹具调整一个角度，将涡轮叶片零件的榫齿端面加工时受到的垂直向下的力则分解为垂直力以及水平横向力(如图2所示)，榫齿端面受到的垂直力减小，可以减轻悬臂梁结构的影响。因此榫齿端面无需再用辅助支撑。

第二步：零件调转角度选择

1、通过计算，将夹具倾斜角度调整为45°效果最好，但榫齿端面太高，在加工叶冠时，榫齿部位会顶到砂轮主轴保护罩，严重缩短砂轮的使用寿命。同时夹具太高导致机床y轴接近极限位置，容易触发报警，因此45°并不合适。

2、为方便底座制造，夹具调的角度应为整数。

3、经现场反复试验，最终确定将夹具倾斜角度调整为30°，可减轻夹具定位悬臂梁效应引起的下沉现象，同时不缩短砂轮使用寿命，如图3所示。

第三步：确定砂轮修整方法

原本加工的3个平面，通过夹具倾斜角度调整为30°后，abcde形成的台阶面和平面变成了一个锯齿型面和一个斜面。因此普通的平面砂轮则无法加工，若要一次性加工锯齿面需要通过成型滚轮，将砂轮修整成与待加工面一致的锯齿形。如图3和图4所示。

由于成型磨削一般采用大进给，慢走刀的加工方式，有利于保证形状，但这种磨削方式由于参与磨削的面较多，因此产生的磨削热也比普通平磨更大，为保证零件加工面不产生烧伤现象，选用超软大气孔棕刚玉的砂轮。

改进前的砂轮结构及加工，如图10和图11所示。改进后的砂轮结构及加工，如图2、图3和图4所示。

本发明涡轮叶片台阶面的磨削加工方法的有益效果：

(1)试加工情况：采用台阶倾斜磨削法加工一批试验件，共55件，共需要6.8小时，原加工方法加工55件零件约需要12小时，效率提高40％。由于一次装夹即可完成加工，避免了反复装夹带来的定位误差，同时倾斜加工减小了榫齿端面磨削时的受力，无需辅助支撑也可完成加工。加工零件尺寸稳定性远高于原工艺方法。

(2)验证效果：连续跟踪改进方案后加工的21批叶片，共1155件叶片，无一件叶片尺寸超差。原工艺方法每批叶片均有2～3件尺寸超差。合格率明显提升。缘板与榫齿端面转接r靠成型滚轮每次修整砂轮自动形成，转接r的形状和r大小均有较好的一致性。工艺方案改进后操作者在加工零件时，仅需一次装夹即可完成全部尺寸加工，同时无需手动修整砂轮，极大的减轻了操作者的劳动强度。加工过程中无一零件超差，真正实现了质量、效率的双赢。改进前的工艺如图8所示，改进后的工艺如图5所示。

(3)生产应用：可应用于所有台阶面加工，以及引用于平面与转接r的加工，能有效的提高加工效率和加工质量。

通过将夹具倾斜30°直接装夹涡轮叶片零件，分散榫齿端面(a面)所受磨削力，取消辅助支撑；用金刚滚轮修整砂轮，直接修整出台阶形状与转接r；用成型磨机床直接加工台阶面(abcd面)；用砂轮斜面部位加工e面；实现一次装夹稳定加工所有面。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。