渦輪軸內(nèi)壁積碳清理設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

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摘要:面向渦輪軸內(nèi)壁積碳的清理需求，針對(duì)現(xiàn)有人工清理工藝存在的去除效率低和一致性差等加工難題，提出了采用磨料刷恒壓力拋光清理大深徑比渦輪軸內(nèi)壁積碳的方法，設(shè)計(jì)了渦輪軸內(nèi)壁積碳清理設(shè)備。用于支撐磨料刷的拋光桿是典型大長(zhǎng)徑比弱剛性構(gòu)件，在重力和拋光壓力作下產(chǎn)生撓曲變形，導(dǎo)致拋光桿在不同伸長(zhǎng)量情況下拋光壓力變化，進(jìn)而造成積碳去除率發(fā)生變化。為了保證恒定的積碳去除率，分析了拋光桿撓曲變形量與拋光桿X向進(jìn)給量及磨料刷X向?qū)嶋H進(jìn)給量之間的關(guān)系，建立了恒壓力拋光模型，得出了拋光桿X向進(jìn)給量的補(bǔ)償量wx。結(jié)果表明:拋光壓力F=60N時(shí)，拋光桿在懸伸量l=300mm處的X向進(jìn)給量的補(bǔ)償量wx1=0．0119mm;l=1615mm處的X向進(jìn)給量的補(bǔ)償量為wx2=0．5407mm。

關(guān)鍵詞:渦輪軸;積碳清理;恒壓力;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

渦輪軸是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成零件，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳動(dòng)部件［1］。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸在高溫高壓環(huán)境下工作過(guò)程中，流經(jīng)渦輪軸表面的燃油焦化沉積形成積碳。積碳的產(chǎn)生會(huì)使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗增加，動(dòng)力性能下降［2-3］，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。因此，需要定期清理渦輪軸表面的積碳。目前，渦輪軸積碳清理方法主要有熱強(qiáng)堿液浸泡去除法、超聲波清理法和激光清理法［4-6］。熱強(qiáng)堿液浸泡去除法主要存在清洗效率低;積碳去除一致性差;浸泡前處理易對(duì)渦輪軸表面產(chǎn)生不同程度的劃痕;強(qiáng)堿廢液處理困難且易污染環(huán)境等問(wèn)題。超聲波清理法由于超聲波無(wú)法穿透渦輪軸壁對(duì)其內(nèi)壁積碳進(jìn)行清洗且成本較高等問(wèn)題;激光燒蝕易破壞渦輪軸表面組織結(jié)構(gòu)。因此，上述積碳清理方法已無(wú)法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸積碳清理的實(shí)際生產(chǎn)加工需求。本文針對(duì)大深徑比渦輪軸內(nèi)壁(深徑比超過(guò)13:1)積碳采用磨料刷恒壓力拋光清理。加工過(guò)程中隨著拋光桿懸伸量的增大，拋光桿在重力和外載荷作用下產(chǎn)生的撓曲變形量不斷增大，此時(shí)磨料刷若依舊沿著原先生成的加工軌跡進(jìn)行拋光加工，造成加工區(qū)拋光壓力不斷減小［7］，導(dǎo)致積碳清理去除率降低。因此，需要建立恒壓力拋光模型，確定拋光桿X向進(jìn)給量的補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)渦輪軸內(nèi)壁積碳恒壓力拋光清理。

1渦輪軸內(nèi)壁積碳清理設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1磨料刷拋光原理

磨料刷拋光是一種安全、高效的物理積碳清理工藝方法，如圖1所示。渦輪軸安裝在三爪卡盤上并以轉(zhuǎn)速n1回轉(zhuǎn)，含有磨料的拋光刷輪，通過(guò)氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)以轉(zhuǎn)速n2回轉(zhuǎn)，渦輪軸與磨料刷轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，磨料刷在拋光桿的帶動(dòng)下壓覆在渦輪軸內(nèi)壁上，并沿機(jī)床X向和Z向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪軸內(nèi)壁不同截面處的拋光加工，刷毛中攜帶的磨料在拋光過(guò)程中對(duì)渦輪軸內(nèi)壁表面作用，完成對(duì)內(nèi)壁積碳的清理加工。圖1磨料刷拋光原理

1．2總體結(jié)構(gòu)

渦輪軸內(nèi)壁積碳清理設(shè)備設(shè)計(jì)要求:適應(yīng)多型號(hào)渦輪軸內(nèi)壁積碳清理加工;渦輪軸內(nèi)壁積碳清理直徑范圍54～117mm;渦輪軸最大長(zhǎng)度為1553mm。根據(jù)磨料刷拋光原理及上述設(shè)計(jì)要求，對(duì)渦輪軸內(nèi)壁積碳清理設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備主要由床身、工件主軸系統(tǒng)、中心架和內(nèi)壁拋光裝置等組成，如圖2所示。圖2渦輪軸內(nèi)壁積碳清理設(shè)備工件主軸系統(tǒng)由安裝在床身左側(cè)的Z2模組、主軸箱支座、主軸箱組成。工作時(shí)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)Z2模組沿Z向移動(dòng)使主軸箱移至合適位置進(jìn)行不同型號(hào)渦輪軸裝夾。內(nèi)壁拋光裝置由支座、X1模組、直線軸承、拋光桿組件、掛架、Z1同步帶模組和連接板等組成。

1．3內(nèi)壁拋光裝置

如圖3所示，X1模組安裝在支座上，Z1同步帶模組通過(guò)兩滑塊倒置安裝在掛架上，掛架固定在X1模組滑臺(tái)左右兩側(cè);拋光桿組件穿過(guò)兩個(gè)固定在X1模組滑臺(tái)上的直線軸承，末端通過(guò)連接板與Z1同步帶模組連接。X1模組和Z1同步帶模組驅(qū)動(dòng)拋光桿組件沿X向和Z向往復(fù)移動(dòng)。拋光桿組件由前段、后段、氣動(dòng)馬達(dá)、磨料刷組成。為實(shí)現(xiàn)最小孔徑54mm處積碳的清理，同時(shí)使拋光桿具有更好的剛性，拋光桿采用兩段式結(jié)構(gòu)。前段外徑為50mm，長(zhǎng)250mm;后段外徑為70mm，長(zhǎng)2050mm。前、后段間采用螺紋連接，拋光桿長(zhǎng)徑比≥32，為弱剛性構(gòu)件。

2恒壓力拋光模型

2．1數(shù)學(xué)模型

拋光壓力的大小主要取決于磨料刷與渦輪軸內(nèi)壁之間的彈性變形壓縮量的大小［8］。渦輪軸內(nèi)壁積碳拋光清理過(guò)程中，拋光桿在外載荷作用下產(chǎn)生的撓曲變形量隨懸伸量的增大而增大，造成磨料刷X向?qū)嶋H進(jìn)給量小于拋光桿X向進(jìn)給量，拋光壓力因此不斷下降。因此，分析了拋光桿撓曲變形量與拋光桿X向進(jìn)給量及磨料刷X向?qū)嶋H進(jìn)給量之間的關(guān)系，建立恒壓力拋光模型。磨料刷彈性變形量為ap，渦輪軸以轉(zhuǎn)速n1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，磨料刷以轉(zhuǎn)速n2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)對(duì)磨料刷進(jìn)行的受力分析，如圖4所示。將磨料刷與渦輪軸接觸弧段S上所受的力平移至磨料刷中心O2處，如圖5所示。平移后產(chǎn)生的繞Z軸的扭矩對(duì)拋光桿在X向和Z向的撓曲變形無(wú)影響。因此，圖5中未畫出且下文不考慮繞Z軸的扭矩。磨料刷彈性變形量為ap時(shí)，其拋光加工狀態(tài)，如圖6所示。由恒壓力拋光數(shù)學(xué)模型式(12)可知，拋光桿X向進(jìn)給量xp的補(bǔ)償量為拋光桿X向撓度wx，因此必須建立拋光桿X向撓度方程。

2．2拋光桿X向撓度方程

為了便于拋光桿在力Fx作用下的X向撓度方程計(jì)算，將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁計(jì)算，如圖8所示。其中，G、K為兩直線軸承支撐點(diǎn)，EH段為拋光桿前段，GK段為拋光桿后段在直線軸承左側(cè)部分。在拋光桿X向撓度方程計(jì)算中將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，為保證撓度方程wx精確度，通過(guò)有限元仿真結(jié)果與撓度方程wx計(jì)算結(jié)果的比較對(duì)其進(jìn)行修正。拋光桿在拋光壓力F=40N時(shí)，對(duì)應(yīng)不同懸伸量l(其中，最大懸伸量lmax=1615mm;最小懸伸量lmin=300mm)處的變形量云圖，如圖9所示。在同等條件下根據(jù)式(18)計(jì)算得到拋光桿X向撓度，將兩種結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。

3結(jié)論

本文以渦輪軸內(nèi)壁積碳清理加工為研究對(duì)象，提出了采用磨料刷恒壓力拋光清理渦輪軸內(nèi)壁積碳的方法，設(shè)計(jì)渦輪軸內(nèi)壁積碳清理加工設(shè)備。建立了恒壓力拋光數(shù)學(xué)模型，并確定拋光桿X向進(jìn)給量的補(bǔ)償量wx的撓度方程。通過(guò)計(jì)算仿真得到拋光壓力F=60N的補(bǔ)償量曲線，結(jié)果表明，拋光桿在懸伸量l=300mm處的X向進(jìn)給量的補(bǔ)償量wx1=0．0119mm，l=1615mm處的X向進(jìn)給量的補(bǔ)償量為wx2=0．5407mm。

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作者：盧成 董志剛 康仁科 朱祥龍 徐會(huì) 劉麗娟 單位：大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司盤軸中心