航空發動機葉片加工過程動態檢測實驗平臺研制

　　摘 要：航空發動機葉片是前沿制造工藝中極具代表性的零件，具有材料復雜、結構復雜、制造難度大等特點。為探究葉片工件多種加工工藝參數與其加工精度之間的映射關系，設計研制了航空發動機葉片加工過程動態檢測實驗平臺。通過多種傳感檢測技術方案的綜合運用，重點解決了葉片加工過程的三向切削力、工藝系統振動狀態、零件結構變形及形位誤差等多種參數的動態測量難題，實現了葉片加工過程與工件加工狀態的量化表征。實驗平臺體現了前沿制造技術研究與基礎制造工藝教學有機結合的教學改革思路，以葉片的精密加工難題為線索，統籌了涉及難加工材料去除機理與切削動力學理論、數控切削及傳感檢測技術、薄壁工件的裝夾定位技術、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用等多方面知識點，讓學生在專業課程學習中結合具體的實驗操作和數據分析，發現問題、琢磨難點、思考解決方法，進而掌握課程重點知識，同時還能激發學生對先進制造技術的學習熱情和學術研究興趣。

　　關鍵詞：制造工藝;實驗測量;葉片加工;教學改革;傳感檢測

　　王輝; 梁嘉煒; 吳動波; 呂鴻儒， 實驗技術與管理 發表時間：2021-11-25

　　機械制造業在我國國民經濟中占有極其重要的地位。隨著新一輪科技革命和產業變革的深化，國家正在大力推動制造業轉型升級，提升核心競爭力，為我國國民經濟快速發展提供基礎性支撐。新時代的制造業發展，客觀上也對機械專業高端技術人才培養提出了新的要求。制造工藝相關課程，無論是本科階段還是研究生階段，都是機械工程專業學科的主干課程，具有鮮明的理論與實踐相結合的特色。因此，從課程所具有的知識綜合性強、實踐性強和教學內容靈活性高等特點出發，在教學改革過程中，充分考慮學生學習的興趣點和認識問題的規律，突出興趣牽引、互動學習和在聯系實踐的基礎上滲透新知識點的創新性教學模式，具有極為重要的意義。筆者近幾年承擔了清華大學“制造技術”課程教學改革任務，同時長期從事航空發動機先進制造工藝科學研究工作，因此，圍繞該課程的知識特點、內容設置、教學要求和目標，并結合當前高端裝備制造業的技術發展趨勢，研制了航空發動機葉片加工過程動態檢測實驗平臺。該實驗平臺將制造技術科學研究與專業課程教學實踐融合起來，在支撐前沿技術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學生的專業教學實踐，取得較好的教學效果。

　　航空發動機被譽為“現代工業皇冠上的明珠”，是先進航空飛行器的“心臟”，也是“中國制造 2025”規劃的國家重大技術發展方向之一。葉片是航空發動機制造工程中極具代表性的零件，具有材料復雜、結構復雜、制造難度大等特點[1-2]。航空發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理論、數控切削及傳感檢測技術、薄壁工件的裝夾定位技術、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用等多方面知識，知識面廣、專業性強、前沿性突出，無論是在基礎教學還是專業科研上都具有非常鮮明的特色。研制航空發動機葉片加工過程動態檢測實驗平臺，能夠使學生在制造技術專業課程學習中結合具體的實驗操作和數據分析，發現問題、琢磨難點、思考解決方法，進而掌握課程重點知識，同時還能夠激發學生對先進制造技術的學習熱情，培養他們對本學科進一步的研究興趣。

　　1 實驗平臺總體設計

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

　　首先，該實驗平臺支撐航空發動機葉片加工工藝學研究工作，包括檢測葉片的裝夾狀態與加工過程中的動態響應、跟蹤葉片加工過程中切削載荷與工藝系統動態響應、揭示葉片加工過程的動力學特性及其對葉片加工質量的影響規律。其次，該實驗平臺圍繞機械工程專業本科生及碩士生教學體系，以薄壁異形零件精密銑削加工工藝系統為案例，闡述切削參數與零件的動態響應之間的關系，揭示工藝參數對加工質量(尺寸精度和表面質量)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量、工件定位夾緊原理、加工工藝優化設計等機械加工制造專業的關鍵知識點串聯起來，增強理論和實驗教學效果。

　　實驗平臺的軟硬件環境如圖 2 所示。硬件設備主要包括葉片實體零件、葉片加工工藝裝備、模態試驗專用設備、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/旋轉式測力計、數據采集調理設備以及數控五軸機床。平臺的整體功能架構如圖 3 所示。依托本實驗平臺，可以開展以航空發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響應測試實驗。

　　2 實驗平臺搭建

　　2.1 航空發動機葉片加工先進工裝

　　在航空發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側不需要機械加工，僅需要加工榫根、進排氣邊和葉尖部分。精鍛葉片的結構特點決定了其毛坯上的幾何特征不具備準確可靠的定位基準，因此需要設計專用夾具進行裝夾。傳統的多點定位夾緊硬工裝會導致葉片-工裝系統剛度下降，在切削加工過程中葉片會發生明顯的彈性變形，并產生較大的“讓刀”量，最終影響葉片的加工質量。本實驗平臺使用自主研發的多套變剛度、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，通過多點柔性支撐動態調控單元，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-工裝系統的剛度，顛覆了傳統的工裝設計觀念[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，工裝結構示意圖如圖 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 軸的轉動;內緣板處定位點為 5#，限制了葉片沿 X 軸方向的移動，實現了葉片完全定位。在六點定位的基礎上，本定位方案還增加了排氣邊 8#(圖中未標出)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讓開 0.1 mm 間隙，以保證葉片裝夾過程中，不與工裝發生干涉;葉盆型面 4#輔助支承點和 3#定位點一起固定在轉動板上，轉動板可以繞轉軸旋轉，轉軸中心與葉片積疊軸平行，使型面定位塊與葉型相吻合，實現隨型定位，避免引起葉片葉身發生局部變形。通過葉片工裝定位點實際案例教學與葉片定位夾緊操作實驗，學生可以掌握工件定位中的六點定位原理，練習工件自由度的計算，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計來解決欠定位和過定位問題并提高系統剛度。

　　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，而不致發生振動或位移，在夾具結構中需設置一定的夾緊裝置，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、轉軸、球形壓塊、轉塊、螺桿等。鉸鏈板一端通過轉軸連接在夾具本體上，可以翻轉實現葉片的快速裝卸;另一端裝有轉塊和彈簧，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與工件夾緊操作實驗，學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力矩，了解夾緊裝置的機械結構原理與設計方法。

　　葉片加工先進工裝是航空發動機葉片加工過程動態檢測實驗平臺的基礎硬件，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計教學、工裝夾具裝配與裝夾實驗等，能夠直觀地講授夾具的結構組成、工件的定位夾緊原理、定位誤差計算及工裝夾具的優化設計等專業知識[4]，促進學生掌握扎實的工程知識和專業理論知識，拓展薄壁曲面加工質量控制思路，激發創新思維，鼓勵他們對裝夾定位結構進行創新性思考和結構創新設計。

　　2.2 葉片裝夾動力學特性測試單元

　　在不同的工裝裝夾狀態下，葉片-工裝系統具有不同的動態特性。針對這一問題，本實驗平臺建立了葉片裝夾動力學特性測試單元，可以實現工藝系統剛度測試與評估，如圖 6 所示。本葉片裝夾動力學特性測試單元在前述葉片加工工裝的基礎上安裝了多種傳感器，采用 LMS SCADAS 高性能高精度多通道數據采集系統，能夠快速完成工藝系統夾緊力和振動的多源測試數據采集[5]。在葉片裝夾動力學特性測試單元中， 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-工裝工藝系統在該裝夾狀態下的動力學特性。LMS 數據采集系統具有 8 個數據采集(DAQ)模塊槽，用于四通道動態信號輸入，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的夾緊力信號或振動響應信號，具有足夠的采樣頻率來獲得振動響應信號。

　　使用本測試單元進行葉片裝夾動力學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)利用扭矩扳手擰緊工裝夾緊部分的螺栓，同時薄膜力傳感器記錄夾緊力。此過程可以反復調整，直到夾緊力達到特定值。

　　(3)用力錘對葉片-工裝系統進行激振，同時錘頭內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的動態響應，經 LMS 數據采集系統采集處理，傳入計算機做進一步的計算分析。

　　(4)使用模態分析軟件對工藝系統進行建模，導入測量數據進行模態分析，根據振動理論得到工藝系統各階模態的頻率。

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

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

　　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參數進行實時監測、反饋，從而及時調整機床加工的狀態參數，對于提高加工質量具有重要作用。而在葉片加工過程中，五軸數控銑床在復雜曲面加工過程中的應用特點則對測試系統提出了更高要求。為此，本實驗平臺結合圖 7 所示的 KISTLER 多通道電荷放大器 5080A 構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)和旋轉式(9170A)切削力測試儀[6]。兩種切削力測試單元能夠實現復雜曲面結構、難加工材料、五軸機床工藝條件下的切削力動態測試，測量精度達到國際領先水平。

　　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-工裝系統安裝在平臺式測力計上。刀具與葉片之間產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。在旋轉式切削力測試單元中，旋轉式測力計直接安裝在機床主軸上，并隨主軸旋轉，借助刀具適配器與刀具相聯，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：平臺式或旋轉式測力計測得的切削力信號通過無線近場傳輸到信號調理儀，信號調理儀自動根據測力計調整相關設置，然后通過 KISTLER 5080A 電荷放大器進行信號放大，通過 HBM 數據采集處理系統進行數據采集，最后利用 MATLAB 軟件對切削力信號進行濾波和數值計算等處理。

　　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、切削參數、工裝參數等實驗條件，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]，在科研和教學上均發揮了重要作用。在教學方面，學生通過切削實驗可以直觀地學習切削三要素對切削力的影響規律，驗證經典的切削力指數模型，還可以了解工件材料、刀具角度、刀具類型、工裝參數等多種影響切削力的因素，加深對金屬切削原理等專業知識的理解。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]、切削力系數標定[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域研究的基礎支撐性工作。

　　2.4 葉片加工過程動態響應測試單元

　　航空發動機葉片為薄壁異形零部件，系統剛度低，在切削載荷的作用下會發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響應進行檢測，以優化調控工藝參數，提高葉片加工精度和表面質量。本實驗平臺設計了如圖 10 所示的葉片加工過程動態響應測試單元[12]。以前述的葉片加工工裝為硬件基礎，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。該測試單元具有高采集頻率、環境要求低、高精度、防水、抗壓等特點，可以很好地適應葉片復雜曲面銑削的工作條件。葉片加工過程動態響應測試單元的測量精度達到 0.001 mm，測試分辨率達到 2048 Hz，得到的測量結果如圖 11、圖 12、圖 13 所示。

　　將葉片加工過程動態響應測試單元與切削力測試單元相結合，以切削參數為輸入，葉片-工裝工藝系統的動態響應為輸出，可以研究切削參數與工藝系統動態響應之間的關系，闡述切削過程中的動力學特性(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)設定數控機床的切削參數和實驗使用的刀具。

　　(3)開始銑削加工任務，在穩定的切削條件下用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，然后調整數控機床的切削參數，重復步驟(3)—(5)，分析切削力與工藝系統動態響應的關系。

　　通過葉片加工過程動態響應測試實驗，學生可以直觀感受葉片加工過程復雜的動態響應，深入了解切削過程中力與變形、振動的耦合關系。在此基礎上，可開展一系列切削動力學研究工作，揭示工藝系統對切削載荷的動態響應規律，探究切削動力學行為對零件加工質量的影響機理，針對航空發動機葉片加工工藝參數進行優化適配，用以支撐葉片加工工藝科研攻關工作的核心實驗內容。

　　3 結語

　　航空發動機葉片加工過程動態檢測實驗平臺，以薄壁自由曲面葉片為具體對象，實現了葉片加工過程多種工藝參數的動態測量與狀態表征，還設計了多項綜合性分析實驗任務。這一綜合性實驗平臺具有專業科學研究和基礎教學實驗雙重屬性，能夠使學生借助葉片的加工實驗教學環境，深入理解材料加工、數控切削、工裝夾具、加工精度等工藝知識點，學習傳感檢測與數據分析的具體方法，在實踐中培養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，培養對制造科學技術的學習和研究興趣。這還是一次理論學習與實踐教學相結合的教學改革嘗試，圍繞“問題牽引、任務驅動、學研結合”的模式組織課程教學，將知識學習、能力培養、素質開發三者緊密結合起來, 重在提高學生的參與度和主動學習能力，并能夠學以致用，得到了較好的教學效果。