航空發(fā)動機葉片加工過程動態(tài)檢測實驗平臺研制

　　摘 要：航空發(fā)動機葉片是前沿制造工藝中極具代表性的零件，具有材料復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大等特點。為探究葉片工件多種加工工藝參數(shù)與其加工精度之間的映射關(guān)系，設(shè)計研制了航空發(fā)動機葉片加工過程動態(tài)檢測實驗平臺。通過多種傳感檢測技術(shù)方案的綜合運用，重點解決了葉片加工過程的三向切削力、工藝系統(tǒng)振動狀態(tài)、零件結(jié)構(gòu)變形及形位誤差等多種參數(shù)的動態(tài)測量難題，實現(xiàn)了葉片加工過程與工件加工狀態(tài)的量化表征。實驗平臺體現(xiàn)了前沿制造技術(shù)研究與基礎(chǔ)制造工藝教學(xué)有機結(jié)合的教學(xué)改革思路，以葉片的精密加工難題為線索，統(tǒng)籌了涉及難加工材料去除機理與切削動力學(xué)理論、數(shù)控切削及傳感檢測技術(shù)、薄壁工件的裝夾定位技術(shù)、加工精度(形位公差與表面完整性等)，以及有限元仿真建模工具應(yīng)用等多方面知識點，讓學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中結(jié)合具體的實驗操作和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)問題、琢磨難點、思考解決方法，進而掌握課程重點知識，同時還能激發(fā)學(xué)生對先進制造技術(shù)的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)術(shù)研究興趣。

　　關(guān)鍵詞：制造工藝;實驗測量;葉片加工;教學(xué)改革;傳感檢測

　　王輝; 梁嘉煒; 吳動波; 呂鴻儒， 實驗技術(shù)與管理 發(fā)表時間：2021-11-25

　　機械制造業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的深化，國家正在大力推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升核心競爭力，為我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展提供基礎(chǔ)性支撐。新時代的制造業(yè)發(fā)展，客觀上也對機械專業(yè)高端技術(shù)人才培養(yǎng)提出了新的要求。制造工藝相關(guān)課程，無論是本科階段還是研究生階段，都是機械工程專業(yè)學(xué)科的主干課程，具有鮮明的理論與實踐相結(jié)合的特色。因此，從課程所具有的知識綜合性強、實踐性強和教學(xué)內(nèi)容靈活性高等特點出發(fā)，在教學(xué)改革過程中，充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣點和認識問題的規(guī)律，突出興趣牽引、互動學(xué)習(xí)和在聯(lián)系實踐的基礎(chǔ)上滲透新知識點的創(chuàng)新性教學(xué)模式，具有極為重要的意義。筆者近幾年承擔(dān)了清華大學(xué)“制造技術(shù)”課程教學(xué)改革任務(wù)，同時長期從事航空發(fā)動機先進制造工藝科學(xué)研究工作，因此，圍繞該課程的知識特點、內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)要求和目標(biāo)，并結(jié)合當(dāng)前高端裝備制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢，研制了航空發(fā)動機葉片加工過程動態(tài)檢測實驗平臺。該實驗平臺將制造技術(shù)科學(xué)研究與專業(yè)課程教學(xué)實踐融合起來，在支撐前沿技術(shù)研究并取得一系列科研成果的同時，將前沿科研成果融入面向?qū)W生的專業(yè)教學(xué)實踐，取得較好的教學(xué)效果。

　　航空發(fā)動機被譽為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”，是先進航空飛行器的“心臟”，也是“中國制造 2025”規(guī)劃的國家重大技術(shù)發(fā)展方向之一。葉片是航空發(fā)動機制造工程中極具代表性的零件，具有材料復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大等特點[1-2]。航空發(fā)動機葉片的加工工藝過程涉及難加工材料去除機理與切削動力學(xué)理論、數(shù)控切削及傳感檢測技術(shù)、薄壁工件的裝夾定位技術(shù)、加工精度(形位公差與表面完整性等)，以及有限元仿真建模工具應(yīng)用等多方面知識，知識面廣、專業(yè)性強、前沿性突出，無論是在基礎(chǔ)教學(xué)還是專業(yè)科研上都具有非常鮮明的特色。研制航空發(fā)動機葉片加工過程動態(tài)檢測實驗平臺，能夠使學(xué)生在制造技術(shù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)中結(jié)合具體的實驗操作和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)問題、琢磨難點、思考解決方法，進而掌握課程重點知識，同時還能夠激發(fā)學(xué)生對先進制造技術(shù)的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)他們對本學(xué)科進一步的研究興趣。

　　1 實驗平臺總體設(shè)計

　　航空發(fā)動機葉片加工過程動態(tài)檢測實驗平臺(見圖 1)的研制是一個典型的復(fù)雜工程技術(shù)問題，涉及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計(“機械原理”課程)、機械制造工藝原理(“機械制造基礎(chǔ)”課程)、傳感檢測技術(shù)(“機械測試工程基礎(chǔ)”課程)等多學(xué)科的理論知識和工程技術(shù)。本實驗平臺為實現(xiàn)教學(xué)和科研雙重功能，進行了航空發(fā)動機葉片加工過程動態(tài)檢測實驗平臺總體方案設(shè)計、軟硬件環(huán)境搭建、理論教學(xué)和實驗的配套設(shè)計等工作。

　　首先，該實驗平臺支撐航空發(fā)動機葉片加工工藝學(xué)研究工作，包括檢測葉片的裝夾狀態(tài)與加工過程中的動態(tài)響應(yīng)、跟蹤葉片加工過程中切削載荷與工藝系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)、揭示葉片加工過程的動力學(xué)特性及其對葉片加工質(zhì)量的影響規(guī)律。其次，該實驗平臺圍繞機械工程專業(yè)本科生及碩士生教學(xué)體系，以薄壁異形零件精密銑削加工工藝系統(tǒng)為案例，闡述切削參數(shù)與零件的動態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系，揭示工藝參數(shù)對加工質(zhì)量(尺寸精度和表面質(zhì)量)的影響，以及工件定位夾緊方法和定位誤差對加工精度的影響，介紹加工工藝方案優(yōu)化的基本原則等，將金屬切削基本原理、機械加工精度及表面質(zhì)量、工件定位夾緊原理、加工工藝優(yōu)化設(shè)計等機械加工制造專業(yè)的關(guān)鍵知識點串聯(lián)起來，增強理論和實驗教學(xué)效果。

　　實驗平臺的軟硬件環(huán)境如圖 2 所示。硬件設(shè)備主要包括葉片實體零件、葉片加工工藝裝備、模態(tài)試驗專用設(shè)備、薄膜壓力傳感器、激光位移傳感器、電渦流傳感器、加速度傳感器、平臺式/旋轉(zhuǎn)式測力計、數(shù)據(jù)采集調(diào)理設(shè)備以及數(shù)控五軸機床。平臺的整體功能架構(gòu)如圖 3 所示。依托本實驗平臺，可以開展以航空發(fā)動機葉片加工工藝為專題的四項實驗：葉片加工先進工裝裝配與工件定位夾緊實驗、葉片裝夾動力學(xué)特性測試實驗、葉片加工過程切削力測試實驗和葉片加工過程動態(tài)響應(yīng)測試實驗。

　　2 實驗平臺搭建

　　2.1 航空發(fā)動機葉片加工先進工裝

　　在航空發(fā)動機葉片加工工藝中，葉片毛坯在精鍛模具中鍛造成型，且型面和榫頭緣板內(nèi)側(cè)不需要機械加工，僅需要加工榫根、進排氣邊和葉尖部分。精鍛葉片的結(jié)構(gòu)特點決定了其毛坯上的幾何特征不具備準(zhǔn)確可靠的定位基準(zhǔn)，因此需要設(shè)計專用夾具進行裝夾。傳統(tǒng)的多點定位夾緊硬工裝會導(dǎo)致葉片-工裝系統(tǒng)剛度下降，在切削加工過程中葉片會發(fā)生明顯的彈性變形，并產(chǎn)生較大的“讓刀”量，最終影響葉片的加工質(zhì)量。本實驗平臺使用自主研發(fā)的多套變剛度、變阻尼、柔性化葉片加工工藝裝備，采用葉片加工表面多點柔性夾持技術(shù)，通過多點柔性支撐動態(tài)調(diào)控單元，在保證夾緊力滿足要求的前提下盡可能降低葉片的變形量，提高了葉片-工裝系統(tǒng)的剛度，顛覆了傳統(tǒng)的工裝設(shè)計觀念[3]。本實驗平臺使用的葉片加工工藝裝備由底座部分、定位部分和夾緊部分組成，工裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示。

　　葉片定位點位置如圖 5 所示。其中，葉片葉盆型面上包括 1#、2#、3#三個定位點，限制了葉片繞 X 軸與 Y 軸的轉(zhuǎn)動以及沿 Z 軸的移動;進氣邊包括定位點 6#、7#，限制了葉片沿 Y 軸的移動以及繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動;內(nèi)緣板處定位點為 5#，限制了葉片沿 X 軸方向的移動，實現(xiàn)了葉片完全定位。在六點定位的基礎(chǔ)上，本定位方案還增加了排氣邊 8#(圖中未標(biāo)出)以及葉盆型面 4#為輔助支承點。其中，排氣邊 8#輔助支承點與葉片排氣側(cè)讓開 0.1 mm 間隙，以保證葉片裝夾過程中，不與工裝發(fā)生干涉;葉盆型面 4#輔助支承點和 3#定位點一起固定在轉(zhuǎn)動板上，轉(zhuǎn)動板可以繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸中心與葉片積疊軸平行，使型面定位塊與葉型相吻合，實現(xiàn)隨型定位，避免引起葉片葉身發(fā)生局部變形。通過葉片工裝定位點實際案例教學(xué)與葉片定位夾緊操作實驗，學(xué)生可以掌握工件定位中的六點定位原理，練習(xí)工件自由度的計算，理解欠定位和過定位的概念及輔助支承的作用，了解在具體的工程實踐中如何通過工裝設(shè)計來解決欠定位和過定位問題并提高系統(tǒng)剛度。

　　在葉片銑削加工過程中，葉片會受到切削力等外力的作用。為了保證在外力作用下，葉片仍能在夾具中保持原有的定位位置，而不致發(fā)生振動或位移，在夾具結(jié)構(gòu)中需設(shè)置一定的夾緊裝置，將葉片可靠地夾緊。本葉片工裝的夾緊部分包括鉸鏈板、弧形壓塊、轉(zhuǎn)軸、球形壓塊、轉(zhuǎn)塊、螺桿等。鉸鏈板一端通過轉(zhuǎn)軸連接在夾具本體上，可以翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)葉片的快速裝卸;另一端裝有轉(zhuǎn)塊和彈簧，可以與夾具體鎖緊;鉸鏈板中間部位裝有 M16 螺桿，螺桿前端連接弧形壓塊、球形壓塊、墊塊，螺桿在擰緊力矩作用下，使墊塊與葉背型面沿型浮動接觸壓緊。通過葉片工裝夾緊裝置原理教學(xué)與工件夾緊操作實驗，學(xué)生可以掌握夾緊力作用點和作用方向的選擇方法，以減小定位誤差、工件的夾緊變形和切削力造成的翻轉(zhuǎn)力矩，了解夾緊裝置的機械結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計方法。

　　葉片加工先進工裝是航空發(fā)動機葉片加工過程動態(tài)檢測實驗平臺的基礎(chǔ)硬件，是開展葉片切削加工實驗的必要條件。依托葉片加工先進工裝，可以開展工裝夾具的設(shè)計教學(xué)、工裝夾具裝配與裝夾實驗等，能夠直觀地講授夾具的結(jié)構(gòu)組成、工件的定位夾緊原理、定位誤差計算及工裝夾具的優(yōu)化設(shè)計等專業(yè)知識[4]，促進學(xué)生掌握扎實的工程知識和專業(yè)理論知識，拓展薄壁曲面加工質(zhì)量控制思路，激發(fā)創(chuàng)新思維，鼓勵他們對裝夾定位結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新性思考和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。

　　2.2 葉片裝夾動力學(xué)特性測試單元

　　在不同的工裝裝夾狀態(tài)下，葉片-工裝系統(tǒng)具有不同的動態(tài)特性。針對這一問題，本實驗平臺建立了葉片裝夾動力學(xué)特性測試單元，可以實現(xiàn)工藝系統(tǒng)剛度測試與評估，如圖 6 所示。本葉片裝夾動力學(xué)特性測試單元在前述葉片加工工裝的基礎(chǔ)上安裝了多種傳感器，采用 LMS SCADAS 高性能高精度多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠快速完成工藝系統(tǒng)夾緊力和振動的多源測試數(shù)據(jù)采集[5]。在葉片裝夾動力學(xué)特性測試單元中， 4 個薄膜壓力傳感器分別貼于工裝夾緊部分的墊塊與葉片工件之間的 4 個夾緊力作用點上，用于測量夾緊力的大小。加速度位移傳感器(型號：Dytran 3225M40，靈敏度：49.7 mV/g)安裝在葉片的榫頭部位，使用配套的力錘(型號：Dytran 5850B，靈敏度：2.5 mV/N)敲擊榫頭，可以獲得葉片-工裝工藝系統(tǒng)在該裝夾狀態(tài)下的動力學(xué)特性。LMS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有 8 個數(shù)據(jù)采集(DAQ)模塊槽，用于四通道動態(tài)信號輸入，可以由薄膜壓力傳感器或加速度位移傳感器采集葉片夾具系統(tǒng)的夾緊力信號或振動響應(yīng)信號，具有足夠的采樣頻率來獲得振動響應(yīng)信號。

　　使用本測試單元進行葉片裝夾動力學(xué)特性測試實驗的基本步驟為：

　　(1)將葉片安裝在工裝上，完成葉片工件的定位。

　　(2)利用扭矩扳手?jǐn)Q緊工裝夾緊部分的螺栓，同時薄膜力傳感器記錄夾緊力。此過程可以反復(fù)調(diào)整，直到夾緊力達到特定值。

　　(3)用力錘對葉片-工裝系統(tǒng)進行激振，同時錘頭內(nèi)置的力傳感器和葉片榫頭處的加速度位移傳感器記錄下脈沖激勵和工藝系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，經(jīng) LMS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理，傳入計算機做進一步的計算分析。

　　(4)使用模態(tài)分析軟件對工藝系統(tǒng)進行建模，導(dǎo)入測量數(shù)據(jù)進行模態(tài)分析，根據(jù)振動理論得到工藝系統(tǒng)各階模態(tài)的頻率。

　　(5)改變設(shè)定的夾緊力，重復(fù)步驟(2)—(5)，得到不同夾緊力下工藝系統(tǒng)的模態(tài)頻率，分析夾緊力與工藝系統(tǒng)模態(tài)頻率的映射關(guān)系。葉片-工裝工藝系統(tǒng)的模態(tài)頻率是評價葉片加工工裝性能的重要指標(biāo)，可以反映葉片-工裝系統(tǒng)的剛度。

　　使用葉片裝夾動力學(xué)特性測試單元開展的教學(xué)實驗，能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)模態(tài)試驗的基本原理，掌握錘擊法進行模態(tài)試驗的實驗方法，通過具體實驗理解夾緊力對工藝系統(tǒng)剛度和阻尼的影響，了解夾緊力大小的確定方法，加深對工藝系統(tǒng)動力學(xué)特性相關(guān)理論知識的理解，培養(yǎng)工程實踐能力。

　　2.3 葉片加工過程切削力測試單元

　　在葉片加工過程中，對加工所涉及的諸多狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測、反饋，從而及時調(diào)整機床加工的狀態(tài)參數(shù)，對于提高加工質(zhì)量具有重要作用。而在葉片加工過程中，五軸數(shù)控銑床在復(fù)雜曲面加工過程中的應(yīng)用特點則對測試系統(tǒng)提出了更高要求。為此，本實驗平臺結(jié)合圖 7 所示的 KISTLER 多通道電荷放大器 5080A 構(gòu)建了兩種葉片切削過程中的切削力測試單元，分別使用圖 8、圖 9 所示的 KISTLER 平臺式(9255C)和旋轉(zhuǎn)式(9170A)切削力測試儀[6]。兩種切削力測試單元能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)、難加工材料、五軸機床工藝條件下的切削力動態(tài)測試，測量精度達到國際領(lǐng)先水平。

　　在平臺式切削力測試單元中，平臺式測力計安裝在機床工作臺上，葉片-工裝系統(tǒng)安裝在平臺式測力計上。刀具與葉片之間產(chǎn)生的切削力傳遞到工裝進而傳遞到測試平臺，能夠反映葉片-工裝系統(tǒng)所受切削力的三維分量，此測試平臺量程較寬，能夠承受很大的切削載荷。在旋轉(zhuǎn)式切削力測試單元中，旋轉(zhuǎn)式測力計直接安裝在機床主軸上，并隨主軸旋轉(zhuǎn)，借助刀具適配器與刀具相聯(lián)，能夠更加精確地反映刀具與工件之間的相互作用力。切削力測試單元的測量鏈[7-8]為：平臺式或旋轉(zhuǎn)式測力計測得的切削力信號通過無線近場傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理儀，信號調(diào)理儀自動根據(jù)測力計調(diào)整相關(guān)設(shè)置，然后通過 KISTLER 5080A 電荷放大器進行信號放大，通過 HBM 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，最后利用 MATLAB 軟件對切削力信號進行濾波和數(shù)值計算等處理。

　　使用本葉片加工過程切削力測試單元，通過改變工件材料、刀具參數(shù)、切削參數(shù)、工裝參數(shù)等實驗條件，測量不同實驗條件下的切削力，可以開展一系列金屬切削實驗[7-11]，在科研和教學(xué)上均發(fā)揮了重要作用。在教學(xué)方面，學(xué)生通過切削實驗可以直觀地學(xué)習(xí)切削三要素對切削力的影響規(guī)律，驗證經(jīng)典的切削力指數(shù)模型，還可以了解工件材料、刀具角度、刀具類型、工裝參數(shù)等多種影響切削力的因素，加深對金屬切削原理等專業(yè)知識的理解。在科研上，研究者可以通過切削實驗開展工件材料切削加工性探究[10]、切削力系數(shù)標(biāo)定[8]、切削力模型建立[11]等研究工作，這些工作是許多切削加工領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)支撐性工作。

　　2.4 葉片加工過程動態(tài)響應(yīng)測試單元

　　航空發(fā)動機葉片為薄壁異形零部件，系統(tǒng)剛度低，在切削載荷的作用下會發(fā)生明顯的變形讓刀和切削振動，因此需要對加工過程中葉片的動態(tài)響應(yīng)進行檢測，以優(yōu)化調(diào)控工藝參數(shù)，提高葉片加工精度和表面質(zhì)量。本實驗平臺設(shè)計了如圖 10 所示的葉片加工過程動態(tài)響應(yīng)測試單元[12]。以前述的葉片加工工裝為硬件基礎(chǔ)，在工裝上搭建由激光位移傳感器(靈敏度： 2500 mV/mm)、電渦流傳感器和加速度傳感器(靈敏度：0.531 mV/m·s–2)等組成的多元傳感器測試單元，綜合測量葉片加工過程的變形和振動響應(yīng)。該測試單元具有高采集頻率、環(huán)境要求低、高精度、防水、抗壓等特點，可以很好地適應(yīng)葉片復(fù)雜曲面銑削的工作條件。葉片加工過程動態(tài)響應(yīng)測試單元的測量精度達到 0.001 mm，測試分辨率達到 2048 Hz，得到的測量結(jié)果如圖 11、圖 12、圖 13 所示。

　　將葉片加工過程動態(tài)響應(yīng)測試單元與切削力測試單元相結(jié)合，以切削參數(shù)為輸入，葉片-工裝工藝系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)為輸出，可以研究切削參數(shù)與工藝系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系，闡述切削過程中的動力學(xué)特性(見表 1)。實驗的基本步驟為：

　　(1)使用前述的葉片加工工裝完成葉片工件的定位夾緊，并用電渦流傳感器和激光位移傳感器測量夾緊過程中葉片榫頭的位移量。

　　(2)設(shè)定數(shù)控機床的切削參數(shù)和實驗使用的刀具。

　　(3)開始銑削加工任務(wù)，在穩(wěn)定的切削條件下用KISTLER 測力儀測量切削力，用電渦流傳感器或激光位移傳感器測量葉片榫頭位移量，用加速度傳感器測量葉片的振動加速度。

　　(4)用 MATLAB 對采集信號頻率中高于和低于切削力信號的頻率進行濾波處理。

　　(5)進行三次一致性試驗，然后調(diào)整數(shù)控機床的切削參數(shù)，重復(fù)步驟(3)—(5)，分析切削力與工藝系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系。

　　通過葉片加工過程動態(tài)響應(yīng)測試實驗，學(xué)生可以直觀感受葉片加工過程復(fù)雜的動態(tài)響應(yīng)，深入了解切削過程中力與變形、振動的耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，可開展一系列切削動力學(xué)研究工作，揭示工藝系統(tǒng)對切削載荷的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，探究切削動力學(xué)行為對零件加工質(zhì)量的影響機理，針對航空發(fā)動機葉片加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化適配，用以支撐葉片加工工藝科研攻關(guān)工作的核心實驗內(nèi)容。

　　3 結(jié)語

　　航空發(fā)動機葉片加工過程動態(tài)檢測實驗平臺，以薄壁自由曲面葉片為具體對象，實現(xiàn)了葉片加工過程多種工藝參數(shù)的動態(tài)測量與狀態(tài)表征，還設(shè)計了多項綜合性分析實驗任務(wù)。這一綜合性實驗平臺具有專業(yè)科學(xué)研究和基礎(chǔ)教學(xué)實驗雙重屬性，能夠使學(xué)生借助葉片的加工實驗教學(xué)環(huán)境，深入理解材料加工、數(shù)控切削、工裝夾具、加工精度等工藝知識點，學(xué)習(xí)傳感檢測與數(shù)據(jù)分析的具體方法，在實踐中培養(yǎng)解決實際工程問題的思維和能力，同時也能夠鼓勵他們擴大知識面，建立對先進制造過程的整體理解和認知，培養(yǎng)對制造科學(xué)技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究興趣。這還是一次理論學(xué)習(xí)與實踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)改革嘗試，圍繞“問題牽引、任務(wù)驅(qū)動、學(xué)研結(jié)合”的模式組織課程教學(xué)，將知識學(xué)習(xí)、能力培養(yǎng)、素質(zhì)開發(fā)三者緊密結(jié)合起來, 重在提高學(xué)生的參與度和主動學(xué)習(xí)能力，并能夠?qū)W以致用，得到了較好的教學(xué)效果。