TC4鈦合金葉片數(shù)控拋光試驗

1、序言

葉片是航空發(fā)動機的核心零件，葉片質量的好壞直接影響發(fā)動機的性能和壽命。葉片拋光是提高葉片工作壽命、疲勞強度和氣動性能的重要方法，但拋光加工難度大、問題多，其中鈦合金葉片在拋光過程中，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]，引起拋光后表面質量差、容易燒傷等問題[2]。拋光工藝對鈦合金葉片表面變質層內的加工硬化、殘余應力及金相組織變化等表面質量完整性[3]和疲勞性能也有直接影響[4]。隨著鈦合金葉片的廣泛應用，其對表面拋光技術提出了越來越高的要求[5，6]。某型航空發(fā)動機采用了TC4鈦合金壓氣機工作葉片、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題，影響交付進度和產(chǎn)品質量。本文通過對TC4鈦合金材料試件、典型葉片開展數(shù)控砂帶拋光試驗和產(chǎn)品試制加工，研究了拋光參數(shù)對表面粗糙度、表面紋理、金相、硬度及殘余應力的影響規(guī)律，為數(shù)控砂帶拋光在航空發(fā)動機TC4鈦合金葉片的工程應用提供技術支撐。

2、鈦合金試件及葉片數(shù)控砂帶拋光試驗條件

2.1試件狀態(tài)及試驗條件

用于數(shù)控砂帶拋光參數(shù)評估的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)動機葉片制造的退火態(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)劃的工藝組合開展參數(shù)試驗，砂帶寬度10mm。為避免拋光廢料堆積，加工過程使用摩特3135水基切削液對加工區(qū)域進行沖洗。

2.2葉片狀態(tài)及試驗

過程選取100件TC4材料的葉型較復雜的壓氣機第4級工作葉片，在數(shù)控銑削后開展數(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目的藍色尼龍帶，分別開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走刀方式，從葉尖處進刀，砂帶加工葉身走刀至葉根R部位附近，由砂帶側面去除葉根R部位刀紋。根據(jù)前述參數(shù)試驗分析結果，結合該葉片葉型特點，制定拋光工藝參數(shù)、編制數(shù)控程序開展試制，粗拋和精拋工藝參數(shù)分別見表1。試制過程中，240目碳化硅砂帶每加工3～4件更換一次砂帶，400目藍色尼龍帶每加工3～5件更換一次砂帶。

2.3測試方法與儀器試件

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

3、拋光參數(shù)對試件表面粗糙度的影響

3.1單個參數(shù)對加工效果的影響

基于單因素試驗法，在試件上分別對數(shù)控砂帶拋光線速度、進給速度、預壓量和步距開展拋光試驗，以驗證主要拋光參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律。再采用單一變量試驗法，分別開展線速度、進給速度、預壓量和步距等拋光參數(shù)對表面粗糙度的檢測及影響分析，具體拋光參數(shù)和相應表面粗糙度測量值見表2～表5。

根據(jù)試驗結果，統(tǒng)計分析形成的砂帶拋光參數(shù)對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，但在線速度達到12m/s后，Ra趨于穩(wěn)定，線速度增加未對表面粗糙度產(chǎn)生很大的影響。由圖3b可知，Ra隨著砂帶進給速度的增加而不斷升高。由圖3c可知，Ra隨著磨頭預壓量的增大而降低，但在預壓量達到0.15mm之后，Ra隨著磨頭預壓量的增大而升高。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，綜合加工質量和效率分析認為，后期工程應用的參數(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給速度；磨頭預壓量取0.10～0.20mm；步距取1.0～3.0mm。同時，須注意各參數(shù)的耦合作用，如當選擇較大砂帶線速度、較低進給速度和一定預壓量時，加工后表面質量不一定好；又如在磨削壓力一定的情況下，選擇較小的線速度、進給速度，也可得到較小的表面粗糙度值。

3.2拋光參數(shù)對表面粗糙度及殘余應力影響的主次

分析為進一步驗證步距、線速度、進給速度和預壓量等拋光參數(shù)對加工后零件表面粗糙度、殘余應力的影響程度，綜合上述試驗結果，制定四因素三水平的正交試驗方案見表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，各組正交試驗結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計分別見表7、表8，其中表面粗糙度和殘余應力數(shù)值為在檢測試件上相同位置所得。采用極差法分別對數(shù)據(jù)進行分析，結果如圖4所示，其中因素極差值（R值）的大小反映了各因素對于試驗結果的影響程度大小。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，影響表面粗糙度的主次參數(shù)順序為砂帶線速度、步距、預壓量和進給速度，影響表面殘余應力的主次參數(shù)順序為砂帶線速度、進給速度、預壓量和步距。

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，影響表面粗糙度的主次參數(shù)順序為進給速度、預壓量、步距和砂帶線速度，影響表面殘余應力的主次參數(shù)順序為步距、砂帶線速度、預壓量和進給速度。可見，當數(shù)控砂帶拋光到不同的表面狀態(tài)時，各參數(shù)對TC4鈦合金試件表面粗糙度及殘余應力的影響權重不盡相同。此外，即使拋光到相同的表面狀態(tài)時，各參數(shù)對表面粗糙度和殘余應力的影響權重也不相同。

4、鈦合金葉片數(shù)控砂帶拋光效果

試制后，產(chǎn)品按現(xiàn)行檢驗規(guī)程進行外觀、尺寸、頻率及燒傷等檢查，結果均滿足設計圖樣規(guī)定。經(jīng)統(tǒng)計計算表明，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，勞動強度大幅下降，且葉型尺寸、產(chǎn)品質量及頻率一致性好。為進一步評估數(shù)控砂帶拋光對產(chǎn)品質量的影響，增加了以下對比檢測分析。

4.1表面粗糙度對比

隨機抽取1件數(shù)控砂帶拋光、1件手工拋光的該葉片，測量葉背、葉盆中間位置的表面粗糙度。數(shù)控砂帶拋光的葉片測量結果為葉背表面粗糙度值Ra=0.33μm、葉盆表面粗糙度值Ra=0.27μm，手工拋光的葉片測量結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表面紋理對比隨機抽取1件數(shù)控砂帶拋光、1件手工拋光的該葉片進行表面紋理檢測，結果如圖5所示。在觀察范圍內，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范圍內，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、硬度對比

隨機抽取數(shù)控砂帶拋光、手工拋光的該葉片各1件進行理化試驗，葉片剖面金相組織如圖6、圖7所示。對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）作用下測量葉片表面及芯部硬度，檢測結果見表9。數(shù)據(jù)顯示表面硬度、芯部硬度相當，均符合設計圖樣要求。由此表明，數(shù)控砂帶拋光工藝參數(shù)對產(chǎn)品組織無影響。

4.4殘余應力對比

選取數(shù)控砂帶拋光、手工拋光的葉片各5件進行應力測試對比試驗，選取葉片的葉盆、葉背各4個點（見圖8）進行測量。對數(shù)控砂帶拋光及手工拋光葉片零件各隨機抽取5件，對其葉盆、葉背各4點處的殘余應力進行測量，結果如圖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力類型都為對疲勞壽命有益的壓應力，且同一位置點的壓應力值在一定范圍內波動，壓應力能使疲勞裂紋擴展速率降低，零件疲勞服役壽命増加。

5、結束語

本文針對鈦合金葉片數(shù)控砂帶拋光過程中產(chǎn)生的切屑易粘附、填充于砂帶砂粒空隙引發(fā)的表面質量差及燒傷等問題，進行技術革新和工藝試驗，采用單因素試驗法研究了工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，采用正交試驗法研究了工藝參數(shù)對表面粗糙度、殘余應力的主次影響關系，獲得了可指導生產(chǎn)工藝參數(shù)編制的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。通過復雜型面的TC4鈦合金葉片試制驗證表明，數(shù)控砂帶拋光能有效提升產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率，解決了手工拋光勞動強度大、粉塵污染重和產(chǎn)品質量一致性差等問題，在航空發(fā)動機葉片表面拋光中具有很好的技術優(yōu)勢和應用前景。

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