航空发动机用复杂曲面形叶尖的磨削加工装置

摘要

本发明公开了一种航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置，包括机床台架，机床台架上设有固定于机床台架上的用于装夹固定待加工机匣工件的工件安装台以及可移动地连接于机床台架上的移动工作台，工件安装台与移动工作台相对的布设，移动工作台上设有磨削加工组件，通过控制移动工作台在机床台架上的移动以使磨削加工组件伸入至待加工机匣工件内并对待加工机匣工件的叶片叶尖进行磨削加工；机床台架的侧向上设有用于在线预检磨削加工组件和对磨削加工组件进行在线修形加工并测量的在线校检修形装置。能够将在线检测、在线修形、在线监测等功能集成到数控外圆磨床上，加工方法简单、加工表面质量好，而且加工效率高、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片型面加工技术领域，特别地，涉及一种航空发动机用复杂曲面形叶尖的磨削加工装置。

背景技术

叶片是航空发动机的关键零件，对整机的工作性能起着决定性的作用。为了满足高温、高压和高速状态下的高可靠性长寿命服役性能要求，航空发动机叶片常采用热强钢、钛合金和高温合金等合金化程度很高的材料制成，而且其加工表面质量、加工面型精度和尺寸精度要求高。

针对航空发动机叶片这一难加工材料零件的高精高质高效加工需求，国内外研究人员进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果并已应用于实际生产。而随着航空发动机技术的发展，为了提高叶片的使役性能，叶片叶尖开始采用复杂曲面型端面，其尺寸精度和加工表面质量要求也不断提高。此外，由于叶片叶尖端面狭长，加工空间有限，因此加工难度很大。

现有的叶片叶尖端面加工主要包括两种方式：第一种，采用车削方式加工，通过控制刀具路径实现复杂曲面型叶片叶尖加工，但是加工表面质量较差，甚至会出现由于个别叶片加工超差而导致整个零件直接报废的问题，严重影响发动机生产效率；第二种，采用仿形砂轮进行加工，虽然解决了加工表面质量差的问题，但是轴向对刀误差导致加工面型精度达不到要求。

目前研究人员针对复杂曲面型叶片叶尖加工方面的研究较少，还未建立起切实可行的加工方法及相关辅助工艺装置。

因此，亟需开发一种切实可行的针对复杂曲面型叶片叶尖的加工方法，解决这一难加工材料复杂零件加工表面质量差、加工面型精度低的难题，这对于提高发动机生产效率具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种航空发动机用复杂曲面形叶尖的磨削加工装置，以解决现有复杂曲面型叶片叶尖加工，加工的表面质量差、加工面型精度低的技术问题。

本发明提供一种航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置，包括机床台架，机床台架上设有固定于机床台架上的用于装夹固定待加工机匣工件的工件安装台以及可移动地连接于机床台架上的移动工作台，工件安装台与移动工作台相对的布设，移动工作台上设有磨削加工组件，通过控制移动工作台在机床台架上的移动以使磨削加工组件伸入至待加工机匣工件内并对待加工机匣工件的叶片叶尖进行磨削加工；机床台架的侧向上设有用于在线预检磨削加工组件和对磨削加工组件进行在线修形加工并测量的在线校检修形装置。

进一步地，磨削加工组件包括转动连接于移动工作台上的砂轮杆、装配于砂轮杆上的仿形砂轮以及驱使砂轮杆带动仿形砂轮转动的驱动装置，驱动装置电连接或通讯连接至机床控制系统，仿形砂轮的外形与待加工机匣工件的叶片叶尖表面的复杂曲面形状相匹配。

进一步地，在线校检修形装置包括设于机床台架上的安装台、固定于安装台上的刀架以及装配于刀架上的车刀，刀架上还设有用于实现车刀对刀和在线监控修行加工工况的测力传感器，测力传感器电连接或通讯连接至信号处理系统。

进一步地，在线校检修形装置还包括设于机床台架上的支撑架以及设于支撑架上的用于基准定位或校准移动位置的位移传感器，位移传感器电连接或通讯连接至信号处理系统。

进一步地，信号处理系统与机床控制系统电连接或通讯连接。

进一步地，安装台和/或支撑架可调节地布设于机床台架上。

进一步地，机床台架的侧向边缘处设有Y向安装槽，安装台和/或支撑架沿Y向可调节地安装于Y向安装槽内，并通过定位件进行调节后的固定定位。

进一步地，位移传感器采用接触式位移传感器或非接触式位移传感器。

进一步地，车刀采用金刚石车刀或金刚石笔。

进一步地，机床台架上设有X向滑轨、滑动连接于X向滑轨上的X向滑块以及驱使X向滑块在X向滑轨上滑动的X向驱动装置，X向滑块上设有Y向滑轨、滑动连接于Y向滑轨上的Y向滑块以及驱使Y向滑块在Y向滑轨上滑动的Y向驱动装置，移动工作台固定于Y向滑块上；装夹固定在工件安装台上的待加工机匣工件的中轴线沿Y向布设；X向驱动装置和Y向驱动装置分别电连接至机床控制系统。

本发明具有以下有益效果：

本发明航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置，将待加工机匣工件装夹在工件安装台上，磨削加工组件装配在移动工作台上，通过控制移动工作台进给或退出；在磨削加工组件进行待加工机匣工件内的叶片的复杂曲面型叶尖加工前，通过布设于机床台架的侧向上的在线校检修形装置进行在线预检磨削加工组件和对磨削加工组件进行在线修形加工，并测量磨削加工组件精度；当测量磨削加工组件不符合精度要求时，再次进行磨削加工组件的在线修形加工并测量，直至符合精度要求为止；当测量磨削加工组件符合精度要求时，再通过磨削加工组件对待加工机匣工件内的叶片的复杂曲面型叶尖进行加工。采用本发明航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置，能够将在线检测、在线修形、在线监测等功能集成到数控外圆磨床上，不仅未对原有机床提出复杂的改造要求，也无需采用昂贵的辅助工艺设备，因此相比车削加工方法，不仅加工方法简单、加工表面质量好，而且加工效率高、成本低。

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航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工方法系统示意图；

图3是本发明优选实施例的通过叶尖特征点实现仿形砂轮与叶片叶尖的精准对位的结构示意图。

图例说明：

1、机床台架；2、工件安装台；3、移动工作台；4、待加工机匣工件；5、砂轮杆；6、仿形砂轮；7、安装台；8、刀架；9、车刀；10、测力传感器；11、信号处理系统；12、支撑架；13、位移传感器；14、Y向安装槽；15、X向滑轨；16、X向滑块；17、Y向滑轨；18、Y向滑块；19、机床主轴；20、工件夹具；21、叶尖特征点；22、待加工叶片。

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航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置的结构示意图；图2是本发明优选实施例的航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工方法系统示意图；图3是本发明优选实施例的通过叶尖特征点实现仿形砂轮与叶片叶尖的精准对位的结构示意图。

如图1所示，本实施例的航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置，包括机床台架1，机床台架1上设有固定于机床台架1上的用于装夹固定待加工机匣工件4的工件安装台2以及可移动地连接于机床台架1上的移动工作台3，工件安装台2与移动工作台3相对的布设，移动工作台3上设有磨削加工组件，通过控制移动工作台3在机床台架1上的移动以使磨削加工组件伸入至待加工机匣工件4内并对待加工机匣工件4的叶片叶尖进行磨削加工；机床台架1的侧向上设有用于在线预检磨削加工组件和对磨削加工组件进行在线修形加工并测量的在线校检修形装置。本发明航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置，将待加工机匣工件4装夹在工件安装台2上，磨削加工组件装配在移动工作台3上，通过控制移动工作台3进给或退出；在磨削加工组件进行待加工机匣工件4内的叶片的复杂曲面型叶尖加工前，通过布设于机床台架1的侧向上的在线校检修形装置进行在线预检磨削加工组件和对磨削加工组件进行在线修形加工，并测量磨削加工组件精度；当测量磨削加工组件不符合精度要求时，再次进行磨削加工组件的在线修形加工并测量，直至符合精度要求为止；当测量磨削加工组件符合精度要求时，再通过磨削加工组件对待加工机匣工件4内的叶片的复杂曲面型叶尖进行加工。采用本发明航空发动机用复杂曲面型叶尖的磨削加工装置，能够将在线检测、在线修形、在线监测等功能集成到数控外圆磨床上，不仅未对原有机床提出复杂的改造要求，也无需采用昂贵的辅助工艺设备，因此相比车削加工方法，不仅加工方法简单、加工表面质量好，而且加工效率高、成本低。

如图1所示，本实施例中，磨削加工组件包括转动连接于移动工作台3上的砂轮杆5、装配于砂轮杆5上的仿形砂轮6以及驱使砂轮杆5带动仿形砂轮6转动的驱动装置，驱动装置电连接或通讯连接至机床控制系统，仿形砂轮6的外形与待加工机匣工件4的叶片叶尖表面的复杂曲面形状相匹配。对于待加工机匣工件4的叶片叶尖，采用安装到砂轮杆5上的仿形砂轮6进行加工，仿形砂轮6借助移动工作台3进给/退出，在砂轮杆5带动下高速旋转，叶片在加工前已安装到航空发动机的待加工机匣工件4中，待加工机匣工件4具有2-5级叶片，叶尖呈复杂曲面形轮廓，待加工机匣工件4通过工件夹具20安装到机床主轴19上，将第I级叶片，即最外侧叶片的某一个叶片调整为与位移传感器13的测头、车刀9(金刚石车刀)刀尖同一水平面内，然后选取该叶片叶尖上离机匣工件回转中心最远处，即叶片叶尖上的最低点为叶尖特征点21，通过测量计算，确定叶尖特征点21与位移传感器13的轴向距离L1、位移传感器13与车刀9(金刚石车刀)刀尖的轴向距离L2。仿形砂轮6使用前都经过离线检测，符合相关设计要求，但是安装到砂轮杆5之后，由于砂轮杆5形状误差和仿形砂轮6本身的尺寸误差所导致的安装误差会造成仿形砂轮6不符合尺寸精度要求，而且每个仿形砂轮6的安装误差均不相同。本发明首先通过位移传感器13在线预检每个仿形砂轮6安装之后的误差，进而为后续的修形加工提供重依据，以此确保仿形砂轮6的修形准确可靠。

如图1所示，本实施例中，在线校检修形装置包括设于机床台架1上的安装台7、固定于安装台7上的刀架8以及装配于刀架8上的车刀9，刀架8上还设有用于实现车刀9对刀和在线监控修行加工工况的测力传感器10，测力传感器10电连接或通讯连接至信号处理系统11。仿形砂轮6通过移动工作台3靠近车刀9(金刚石车刀)，当测力传感器10有信号输出，表示车刀9(金刚石车刀)接触到仿形砂轮6，即借助测力传感器10完成对刀，进而开始仿形砂轮6的修形加工，此时移动工作台3需XY向联动工作，确保修形加工出所需要的轮廓形状，该车刀9可以采用金刚石车刀，也可更换成金刚石笔，即通过金刚石笔修形加工仿形砂轮6，在此过程中借助测力传感器10在线监控修形加工工况，所述叶尖特征点21对应仿形砂轮6修形加工中的外径最大处，为了确保两者的准确定位，修形加工中，当移动工作台3移动到所设置的Y向最大位置，即车刀9(金刚石车刀)加工到仿形砂轮6外径最大处时，确定仿形砂轮6此时的轴向、径向位置为基准位置。

如图1所示，本实施例中，在线校检修形装置还包括设于机床台架1上的支撑架12以及设于支撑架12上的用于基准定位或校准移动位置的位移传感器13，位移传感器13电连接或通讯连接至信号处理系统11。信号处理系统11可以通过有线或无线的方式连接至位移传感器13，进而实现信息的交互。

如图1所示，本实施例中，信号处理系统11与机床控制系统电连接或通讯连接。信号处理系统11与机床控制系统之间可以通过有线或无线的方式连接至位移传感器13，进而实现信息的交互，进而通过机床控制系统实现协调控制。

如图1所示，本实施例中，安装台7和/或支撑架12可调节地布设于机床台架1上。由于待加工机匣工件4具有不同的类型，且仿形砂轮6更换和装配时可能导致误差等各方面因素，在复杂曲面型叶尖的磨削加工前，不仅需要进行在线预检磨削加工组件和对磨削加工组件进行在线修形加工并测量，还需要对进行在线预检磨削加工组件和对磨削加工组件进行在线修形加工并测量的在线校检修形装置进行适当的校正调零，即需要调节安装台7和/或支撑架12在机床台架1上的位置。

如图1所示，本实施例中，机床台架1的侧向边缘处设有Y向安装槽14，安装台7和/或支撑架12沿Y向可调节地安装于Y向安装槽14内，并通过定位件进行调节后的固定定位。采用直线方式对安装台7和/或支撑架12进行微调，调节简单方便，调节速度快。

本实施例中，位移传感器13采用接触式位移传感器或非接触式位移传感器。可以根据实际工况和现有条件，灵活选择更为简单适用的位移传感器13，进而降低成本，提高效率。

本实施例中，车刀9采用金刚石车刀或金刚石笔。可以根据实际工况和现有条件，灵活选择车刀9，进而降低成本，提高效率。金刚石车刀可更换成金刚石笔，即通过金刚石笔修形加工仿形砂轮6，在此过程中借助测力传感器10在线监控修形加工工况。

本实施例中，机床台架1上设有X向滑轨15、滑动连接于X向滑轨15上的X向滑块16以及驱使X向滑块16在X向滑轨15上滑动的X向驱动装置，X向滑块16上设有Y向滑轨17、滑动连接于Y向滑轨17上的Y向滑块18以及驱使Y向滑块18在Y向滑轨17上滑动的Y向驱动装置，移动工作台3固定于Y向滑块18上；装夹固定在工件安装台2上的待加工机匣工件4的中轴线沿Y向布设；X向驱动装置和Y向驱动装置分别电连接至机床控制系统。可以在加工过程中根据需要进行Y向调节或X向调节，或者进行X向和Y向的双向协同控制，进而提高加工的自由度，提高加工范围，提高加工精度。

实施时，提供一种航空发动机用复杂曲面型叶片叶尖的磨削加工方法及其辅助工艺装置，辅助工艺装置安装到机床台架1侧面，具有在线检测仿形砂轮6的尺寸精度、在线修形加工仿形砂轮6，在线监控加工工况等功能，磨削加工方法基于叶尖特征点21实现仿形砂轮6与叶尖的精准对位，具体步骤是：1)确定叶尖特征点21及其位置；2)在线预检仿形砂轮6的尺寸误差；3)修形加工仿形砂轮6，并确定其位置；4)在线检测仿形砂轮6的尺寸精度；5)磨削加工叶尖；6)加工中可定期在线检测并修形加工仿形砂轮6。本发明可确保仿形砂轮6的尺寸精度及其与叶尖的精准对位，实现复杂曲面型叶片叶尖的高几何精度、高表面质量及高效率加工，且加工方法简单，成本低廉，完全满足工业化生产要求，如图1和图2所示。

如图1和图2所示，航空发动机用复杂曲面型叶片叶尖的磨削加工方法，磨削加工方法需要依靠辅助工艺装置开展，辅助工艺装置包括金刚石车刀、刀架8、安装台7、测力传感器10、位移传感器13、支撑架12、信号处理系统11等，安装台7安装到机床台架1侧面，测力传感器10安装到刀架8上，金刚石车刀安装到刀架8上，支撑架12安装到机床台架1侧面，位移传感器13安装到支撑架12上方，测力传感器10和位移传感器13均连接信号处理系统11，该位移传感器13可以采用接触式位移传感器，也可采用光纤等非接触式位移传感器，磨削加工方法在集成在线检测仿形砂轮6的尺寸精度、在线修形加工仿形砂轮6，在线监控加工工况等功能方法基础上，重点通过叶尖特征点21实现仿形砂轮6与叶片叶尖的精准对位。航空发动机用复杂曲面型叶片叶尖的磨削加工方法集成在线仿形砂轮6尺寸精度检测、在线仿形砂轮6修形加工，在线加工工况监控等功能，具体实施步骤如下：

1)叶片叶尖采用安装到砂轮杆5上的仿形砂轮6进行加工，仿形砂轮6借助移动工作台3进给/退出，在砂轮杆5带动下高速旋转，待加工叶片22在加工前已安装到航空发动机的机匣工件中，具有2-5级叶片，叶尖呈复杂曲面形轮廓，机匣工件通过工件夹具20安装到机床主轴19上，将第I级叶片，即最外侧叶片的某一个叶片为待加工叶片22并调整为与位移传感器13测头、金刚石车刀刀尖同一水平面内，然后选取该叶片叶尖上离机匣工件回转中心最远处，即叶片叶尖上的最低点为叶尖特征点21，通过测量计算，确定叶尖特征点21与位移传感器13的轴向距离L1、位移传感器13与金刚石车刀刀尖的轴向距离L2；待加工叶片22的叶尖特征点21即可选取叶片叶尖上离机匣工件回转中心最远处，也可选取叶片叶尖上离机匣工件回转中心最近处，或者叶片叶尖上轮廓折线的交汇点，不同的叶尖特征点21对应的仿形砂轮6上的加工位置也不相同。

2)仿形砂轮6通过移动工作台3进给到位移传感器13处，在线预检仿形砂轮6的外形尺寸误差，通过信号处理系统11获得修形加工工艺参数并反馈给机床控制系统；

3)仿形砂轮6通过移动工作台3靠近金刚石车刀，当测力传感器10有信号输出，表示金刚石车刀接触到仿形砂轮6，即借助测力传感器10完成对刀，进而开始仿形砂轮6的修形加工，此时移动工作台3需XY向联动工作，确保修形加工出所需要的轮廓形状，在此过程中借助测力传感器10在线监控修形加工工况，叶尖特征点21对应仿形砂轮6修形加工中的外径最大处，为了确保两者的准确定位，修形加工中，当移动工作台3移动到所设置的Y向最大位置，即金刚石车刀加工到仿形砂轮6外径最大处时，确定仿形砂轮6此时的轴向、径向位置为基准位置，如图3所示；

4)仿形砂轮6修形加工完成后，通过移动工作台3从基准轴向位置移动L2距离，位移传感器13对应仿形砂轮6修形加工的外径最大处，以该处为基准，在线测量仿形砂轮6的轴向截面外轮廓误差和外径，如果满足要求，则开始下一步5)叶片叶尖磨削加工，如果不满足要求，则返回上一步3)再次修形加工；

5)仿形砂轮6经测量满足精度要求后，从位移传感器13测量确定的基准位置移动L1距离，即确保仿形砂轮6修形加工的外径最大处与叶尖特征点21的轴向位置准确重合，然后依据3)步和4步)所确定的径向基准位置和所加工的最大外径，设置移动工作台3的径向移动距离，从而使仿形砂轮6逐渐靠近I级叶片，叶片所在机匣工件在机床主轴19带动下回转，仿形砂轮6在砂轮杆5带动下回转，以此完成第1级叶片的加工，如图1、图2和图3所示；

6)加工同一机匣工件各级叶片中，可根据需要定期在线测量仿形砂轮6的形位精度，以便确定是否需要再次修形加工仿形砂轮6，加工另一机匣工件时，仿形砂轮6应退回到位移传感器13处进行形位精度测量，同时需重新测量确定叶尖特征点21与位移传感器13的距离L1，然后开始新机匣工件叶片叶尖的磨削加工，更换新的仿形砂轮6后，需从2)步开始加工过程。

辅助工艺装置中的位移传感器13可以采用接触式位移传感器，也可采用光纤等非接触式位移传感器。

叶片的叶尖特征点21即可选取叶片叶尖上离机匣工件回转中心最远处，也可选取叶片叶尖上离机匣工件回转中心最近处，或者叶片叶尖上轮廓折线的交汇点，不同的叶尖特征点21对应的仿形砂轮6上的加工位置也不相同。

金刚石车刀也可更换为金刚石笔，即采用金刚石笔修形加工仿形砂轮6。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和显著效果：

(1)在线预检仿形砂轮6的形状，为修形加工提供可靠依据。仿形砂轮6使用前都经过离线检测，符合相关设计要求。但是安装到砂轮杆5之后，由于砂轮杆5形状误差和仿形砂轮6本身的尺寸误差所导致的安装误差会造成仿形砂轮6不符合尺寸精度要求，而且每个仿形砂轮6的安装误差均不相同。本发明首先通过位移传感器13在线预检每个仿形砂轮6安装之后的误差，进而为后续的修形加工提供重依据，以此确保仿形砂轮6修形准确可靠。

(2)在线修形加工并测量，有效确保仿形砂轮6的形位精度。规格型号均相同的仿形砂轮6的安装误差也不相同，即便是同一仿形砂轮6，重新安装后的误差也有可能不相同。本发明依据预检结果，修形加工仿形砂轮6，并在线测量仿形砂轮6的形位精度，从而可有效确保每个仿形砂轮6的形位精度。

(3)借助叶片的叶尖特征点21定位仿形砂轮6位置，大幅提升叶尖的加工精度。为了将仿形砂轮6外轮廓曲线准确地复映到叶片叶尖上，本发明首先确定出叶片叶尖的特征点如叶尖的最高点或最低点，通过该特征点确定其与位移传感器13、金刚石车刀的距离以及仿形砂轮6对应的径向截面位置。仿形砂轮6的径向截面位置在修形加工中明确记录，并反馈给机床系统，从而在加工中通过准确定位叶片的叶尖特征点21与仿形砂轮6的对应位置，实现叶片叶尖的精密磨削加工。

(4)定期在线测量并修形加工仿形砂轮6，确保加工质量的稳定性。同一机匣工件的叶片叶尖加工过程中，仿形砂轮6由于摩擦磨损，其外形尺寸精度必然逐渐降低。本发明的仿形砂轮6可根据需要随时退回，在线测量其尺寸精度，如果不符合要求，再次修形加工。同时，新安装的仿形砂轮6及更换机匣工件后，仿形砂轮6均可在线测量并修形加工，确保了叶片叶尖加工质量的稳定性。

(5)加工方法简单、效率高、成本低。本发明所提出的磨削加工方法巧妙地将仿形砂轮6工具的在线检测、在线修形、在线监测等功能集成到数控外圆磨床上，不仅未对原有机床提出复杂的改造要求，也无需采用昂贵的辅助工艺设备，因此相比车削加工方法，不仅加工方法简单、加工表面质量好，而且加工效率高、成本低。

综上，本发明所提出的一种航空发动机用复杂曲面型叶片叶尖的磨削加工方法，能够实现复杂曲面型叶尖端面的高几何精度、高表面质量及高效率加工，且加工方法简单方便，成本低，完全满足工业化生产要求。

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。