航空发动机叶片加工过程动态检测实验平台研制
摘 要：航空发动机叶片是前沿制造工艺中极具代表性的零件，具有材料复杂、结构复杂、制造难度大等特点。为探究叶片工件多种加工工艺参数与其加工精度之间的映射关系，设计研制了航空发动机叶片加工过程动态检测实验平台。通过多种传感检测技术方案的综合运用，重点解决了叶片加工过程的三向切削力、工艺系统振动状态、零件结构变形及形位误差等多种参数的动态测量难题，实现了叶片加工过程与工件加工状态的量化表征。实验平台体现了前沿制造技术研究与基础制造工艺教学有机结合的教学改革思路，以叶片的精密加工难题为线索，统筹了涉及难加工材料去除机理与切削动力学理论、数控切削及传感检测技术、薄壁工件的装夹定位技术、加工精度(形位公差与表面完整性等)，以及有限元仿真建模工具应用等多方面知识点，让学生在专业课程学习中结合具体的实验操作和数据分析，发现问题、琢磨难点、思考解决方法，进而掌握课程重点知识，同时还能激发学生对先进制造技术的学习热情和学术研究兴趣。
关键词：制造工艺;实验测量;叶片加工;教学改革;传感检测
王辉; 梁嘉炜; 吴动波; 吕鸿儒， 实验技术与管理 发表时间：2021-11-25
机械制造业在我国国民经济中占有极其重要的地位。随着新一轮科技革命和产业变革的深化，国家正在大力推动制造业转型升级，提升核心竞争力，为我国国民经济快速发展提供基础性支撑。新时代的制造业发展，客观上也对机械专业高端技术人才培养提出了新的要求。制造工艺相关课程，无论是本科阶段还是研究生阶段，都是机械工程专业学科的主干课程，具有鲜明的理论与实践相结合的特色。因此，从课程所具有的知识综合性强、实践性强和教学内容灵活性高等特点出发，在教学改革过程中，充分考虑学生学习的兴趣点和认识问题的规律，突出兴趣牵引、互动学习和在联系实践的基础上渗透新知识点的创新性教学模式，具有极为重要的意义。笔者近几年承担了清华大学“制造技术”课程教学改革任务，同时长期从事航空发动机先进制造工艺科学研究工作，因此，围绕该课程的知识特点、内容设置、教学要求和目标，并结合当前高端装备制造业的技术发展趋势，研制了航空发动机叶片加工过程动态检测实验平台。该实验平台将制造技术科学研究与专业课程教学实践融合起来，在支撑前沿技术研究并取得一系列科研成果的同时，将前沿科研成果融入面向学生的专业教学实践，取得较好的教学效果。
航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”，是先进航空飞行器的“心脏”，也是“中国制造 2025”规划的国家重大技术发展方向之一。叶片是航空发动机制造工程中极具代表性的零件，具有材料复杂、结构复杂、制造难度大等特点[1-2]。航空发动机叶片的加工工艺过程涉及难加工材料去除机理与切削动力学理论、数控切削及传感检测技术、薄壁工件的装夹定位技术、加工精度(形位公差与表面完整性等)，以及有限元仿真建模工具应用等多方面知识，知识面广、专业性强、前沿性突出，无论是在基础教学还是专业科研上都具有非常鲜明的特色。研制航空发动机叶片加工过程动态检测实验平台，能够使学生在制造技术专业课程学习中结合具体的实验操作和数据分析，发现问题、琢磨难点、思考解决方法，进而掌握课程重点知识，同时还能够激发学生对先进制造技术的学习热情，培养他们对本学科进一步的研究兴趣。
1 实验平台总体设计
航空发动机叶片加工过程动态检测实验平台(见图 1)的研制是一个典型的复杂工程技术问题，涉及机械结构设计(“机械原理”课程)、机械制造工艺原理(“机械制造基础”课程)、传感检测技术(“机械测试工程基础”课程)等多学科的理论知识和工程技术。本实验平台为实现教学和科研双重功能，进行了航空发动机叶片加工过程动态检测实验平台总体方案设计、软硬件环境搭建、理论教学和实验的配套设计等工作。
首先，该实验平台支撑航空发动机叶片加工工艺学研究工作，包括检测叶片的装夹状态与加工过程中的动态响应、跟踪叶片加工过程中切削载荷与工艺系统动态响应、揭示叶片加工过程的动力学特性及其对叶片加工质量的影响规律。其次，该实验平台围绕机械工程专业本科生及硕士生教学体系，以薄壁异形零件精密铣削加工工艺系统为案例，阐述切削参数与零件的动态响应之间的关系，揭示工艺参数对加工质量(尺寸精度和表面质量)的影响，以及工件定位夹紧方法和定位误差对加工精度的影响，介绍加工工艺方案优化的基本原则等，将金属切削基本原理、机械加工精度及表面质量、工件定位夹紧原理、加工工艺优化设计等机械加工制造专业的关键知识点串联起来，增强理论和实验教学效果。
实验平台的软硬件环境如图 2 所示。硬件设备主要包括叶片实体零件、叶片加工工艺装备、模态试验专用设备、薄膜压力传感器、激光位移传感器、电涡流传感器、加速度传感器、平台式/旋转式测力计、数据采集调理设备以及数控五轴机床。平台的整体功能架构如图 3 所示。依托本实验平台，可以开展以航空发动机叶片加工工艺为专题的四项实验：叶片加工先进工装装配与工件定位夹紧实验、叶片装夹动力学特性测试实验、叶片加工过程切削力测试实验和叶片加工过程动态响应测试实验。
2 实验平台搭建
2.1 航空发动机叶片加工先进工装
在航空发动机叶片加工工艺中，叶片毛坯在精锻模具中锻造成型，且型面和榫头缘板内侧不需要机械加工，仅需要加工榫根、进排气边和叶尖部分。精锻叶片的结构特点决定了其毛坯上的几何特征不具备准确可靠的定位基准，因此需要设计专用夹具进行装夹。传统的多点定位夹紧硬工装会导致叶片-工装系统刚度下降，在切削加工过程中叶片会发生明显的弹性变形，并产生较大的“让刀”量，最终影响叶片的加工质量。本实验平台使用自主研发的多套变刚度、变阻尼、柔性化叶片加工工艺装备，采用叶片加工表面多点柔性夹持技术，通过多点柔性支撑动态调控单元，在保证夹紧力满足要求的前提下尽可能降低叶片的变形量，提高了叶片-工装系统的刚度，颠覆了传统的工装设计观念[3]。本实验平台使用的叶片加工工艺装备由底座部分、定位部分和夹紧部分组成，工装结构示意图如图 4 所示。
叶片定位点位置如图 5 所示。其中，叶片叶盆型面上包括 1#、2#、3#三个定位点，限制了叶片绕 X 轴与 Y 轴的转动以及沿 Z 轴的移动;进气边包括定位点 6#、7#，限制了叶片沿 Y 轴的移动以及绕 Z 轴的转动;内缘板处定位点为 5#，限制了叶片沿 X 轴方向的移动，实现了叶片完全定位。在六点定位的基础上，本定位方案还增加了排气边 8#(图中未标出)以及叶盆型面 4#为辅助支承点。其中，排气边 8#辅助支承点与叶片排气侧让开 0.1 mm 间隙，以保证叶片装夹过程中，不与工装发生干涉;叶盆型面 4#辅助支承点和 3#定位点一起固定在转动板上，转动板可以绕转轴旋转，转轴中心与叶片积叠轴平行，使型面定位块与叶型相吻合，实现随型定位，避免引起叶片叶身发生局部变形。通过叶片工装定位点实际案例教学与叶片定位夹紧操作实验，学生可以掌握工件定位中的六点定位原理，练习工件自由度的计算，理解欠定位和过定位的概念及辅助支承的作用，了解在具体的工程实践中如何通过工装设计来解决欠定位和过定位问题并提高系统刚度。
在叶片铣削加工过程中，叶片会受到切削力等外力的作用。为了保证在外力作用下，叶片仍能在夹具中保持原有的定位位置，而不致发生振动或位移，在夹具结构中需设置一定的夹紧装置，将叶片可靠地夹紧。本叶片工装的夹紧部分包括铰链板、弧形压块、转轴、球形压块、转块、螺杆等。铰链板一端通过转轴连接在夹具本体上，可以翻转实现叶片的快速装卸;另一端装有转块和弹簧，可以与夹具体锁紧;铰链板中间部位装有 M16 螺杆，螺杆前端连接弧形压块、球形压块、垫块，螺杆在拧紧力矩作用下，使垫块与叶背型面沿型浮动接触压紧。通过叶片工装夹紧装置原理教学与工件夹紧操作实验，学生可以掌握夹紧力作用点和作用方向的选择方法，以减小定位误差、工件的夹紧变形和切削力造成的翻转力矩，了解夹紧装置的机械结构原理与设计方法。
叶片加工先进工装是航空发动机叶片加工过程动态检测实验平台的基础硬件，是开展叶片切削加工实验的必要条件。依托叶片加工先进工装，可以开展工装夹具的设计教学、工装夹具装配与装夹实验等，能够直观地讲授夹具的结构组成、工件的定位夹紧原理、定位误差计算及工装夹具的优化设计等专业知识[4]，促进学生掌握扎实的工程知识和专业理论知识，拓展薄壁曲面加工质量控制思路，激发创新思维，鼓励他们对装夹定位结构进行创新性思考和结构创新设计。
2.2 叶片装夹动力学特性测试单元
在不同的工装装夹状态下，叶片-工装系统具有不同的动态特性。针对这一问题，本实验平台建立了叶片装夹动力学特性测试单元，可以实现工艺系统刚度测试与评估，如图 6 所示。本叶片装夹动力学特性测试单元在前述叶片加工工装的基础上安装了多种传感器，采用 LMS SCADAS 高性能高精度多通道数据采集系统，能够快速完成工艺系统夹紧力和振动的多源测试数据采集[5]。在叶片装夹动力学特性测试单元中， 4 个薄膜压力传感器分别贴于工装夹紧部分的垫块与叶片工件之间的 4 个夹紧力作用点上，用于测量夹紧力的大小。加速度位移传感器(型号：Dytran 3225M40，灵敏度：49.7 mV/g)安装在叶片的榫头部位，使用配套的力锤(型号：Dytran 5850B，灵敏度：2.5 mV/N)敲击榫头，可以获得叶片-工装工艺系统在该装夹状态下的动力学特性。LMS 数据采集系统具有 8 个数据采集(DAQ)模块槽，用于四通道动态信号输入，可以由薄膜压力传感器或加速度位移传感器采集叶片夹具系统的夹紧力信号或振动响应信号，具有足够的采样频率来获得振动响应信号。
使用本测试单元进行叶片装夹动力学特性测试实验的基本步骤为：
(1)将叶片安装在工装上，完成叶片工件的定位。
(2)利用扭矩扳手拧紧工装夹紧部分的螺栓，同时薄膜力传感器记录夹紧力。此过程可以反复调整，直到夹紧力达到特定值。
(3)用力锤对叶片-工装系统进行激振，同时锤头内置的力传感器和叶片榫头处的加速度位移传感器记录下脉冲激励和工艺系统的动态响应，经 LMS 数据采集系统采集处理，传入计算机做进一步的计算分析。
(4)使用模态分析软件对工艺系统进行建模，导入测量数据进行模态分析，根据振动理论得到工艺系统各阶模态的频率。
(5)改变设定的夹紧力，重复步骤(2)—(5)，得到不同夹紧力下工艺系统的模态频率，分析夹紧力与工艺系统模态频率的映射关系。叶片-工装工艺系统的模态频率是评价叶片加工工装性能的重要指标，可以反映叶片-工装系统的刚度。
使用叶片装夹动力学特性测试单元开展的教学实验，能够帮助学生学习模态试验的基本原理，掌握锤击法进行模态试验的实验方法，通过具体实验理解夹紧力对工艺系统刚度和阻尼的影响，了解夹紧力大小的确定方法，加深对工艺系统动力学特性相关理论知识的理解，培养工程实践能力。
2.3 叶片加工过程切削力测试单元
在叶片加工过程中，对加工所涉及的诸多状态参数进行实时监测、反馈，从而及时调整机床加工的状态参数，对于提高加工质量具有重要作用。而在叶片加工过程中，五轴数控铣床在复杂曲面加工过程中的应用特点则对测试系统提出了更高要求。为此，本实验平台结合图 7 所示的 KISTLER 多通道电荷放大器 5080A 构建了两种叶片切削过程中的切削力测试单元，分别使用图 8、图 9 所示的 KISTLER 平台式(9255C)和旋转式(9170A)切削力测试仪[6]。两种切削力测试单元能够实现复杂曲面结构、难加工材料、五轴机床工艺条件下的切削力动态测试，测量精度达到国际领先水平。
在平台式切削力测试单元中，平台式测力计安装在机床工作台上，叶片-工装系统安装在平台式测力计上。刀具与叶片之间产生的切削力传递到工装进而传递到测试平台，能够反映叶片-工装系统所受切削力的三维分量，此测试平台量程较宽，能够承受很大的切削载荷。在旋转式切削力测试单元中，旋转式测力计直接安装在机床主轴上，并随主轴旋转，借助刀具适配器与刀具相联，能够更加精确地反映刀具与工件之间的相互作用力。切削力测试单元的测量链[7-8]为：平台式或旋转式测力计测得的切削力信号通过无线近场传输到信号调理仪，信号调理仪自动根据测力计调整相关设置，然后通过 KISTLER 5080A 电荷放大器进行信号放大，通过 HBM 数据采集处理系统进行数据采集，最后利用 MATLAB 软件对切削力信号进行滤波和数值计算等处理。
使用本叶片加工过程切削力测试单元，通过改变工件材料、刀具参数、切削参数、工装参数等实验条件，测量不同实验条件下的切削力，可以开展一系列金属切削实验[7-11]，在科研和教学上均发挥了重要作用。在教学方面，学生通过切削实验可以直观地学习切削三要素对切削力的影响规律，验证经典的切削力指数模型，还可以了解工件材料、刀具角度、刀具类型、工装参数等多种影响切削力的因素，加深对金属切削原理等专业知识的理解。在科研上，研究者可以通过切削实验开展工件材料切削加工性探究[10]、切削力系数标定[8]、切削力模型建立[11]等研究工作，这些工作是许多切削加工领域研究的基础支撑性工作。
2.4 叶片加工过程动态响应测试单元
航空发动机叶片为薄壁异形零部件，系统刚度低，在切削载荷的作用下会发生明显的变形让刀和切削振动，因此需要对加工过程中叶片的动态响应进行检测，以优化调控工艺参数，提高叶片加工精度和表面质量。本实验平台设计了如图 10 所示的叶片加工过程动态响应测试单元[12]。以前述的叶片加工工装为硬件基础，在工装上搭建由激光位移传感器(灵敏度： 2500 mV/mm)、电涡流传感器和加速度传感器(灵敏度：0.531 mV/m·s–2)等组成的多元传感器测试单元，综合测量叶片加工过程的变形和振动响应。该测试单元具有高采集频率、环境要求低、高精度、防水、抗压等特点，可以很好地适应叶片复杂曲面铣削的工作条件。叶片加工过程动态响应测试单元的测量精度达到 0.001 mm，测试分辨率达到 2048 Hz，得到的测量结果如图 11、图 12、图 13 所示。
将叶片加工过程动态响应测试单元与切削力测试单元相结合，以切削参数为输入，叶片-工装工艺系统的动态响应为输出，可以研究切削参数与工艺系统动态响应之间的关系，阐述切削过程中的动力学特性(见表 1)。实验的基本步骤为：
(1)使用前述的叶片加工工装完成叶片工件的定位夹紧，并用电涡流传感器和激光位移传感器测量夹紧过程中叶片榫头的位移量。
(2)设定数控机床的切削参数和实验使用的刀具。
(3)开始铣削加工任务，在稳定的切削条件下用KISTLER 测力仪测量切削力，用电涡流传感器或激光位移传感器测量叶片榫头位移量，用加速度传感器测量叶片的振动加速度。
(4)用 MATLAB 对采集信号频率中高于和低于切削力信号的频率进行滤波处理。
(5)进行三次一致性试验，然后调整数控机床的切削参数，重复步骤(3)—(5)，分析切削力与工艺系统动态响应的关系。
通过叶片加工过程动态响应测试实验，学生可以直观感受叶片加工过程复杂的动态响应，深入了解切削过程中力与变形、振动的耦合关系。在此基础上，可开展一系列切削动力学研究工作，揭示工艺系统对切削载荷的动态响应规律，探究切削动力学行为对零件加工质量的影响机理，针对航空发动机叶片加工工艺参数进行优化适配，用以支撑叶片加工工艺科研攻关工作的核心实验内容。
3 结语
航空发动机叶片加工过程动态检测实验平台，以薄壁自由曲面叶片为具体对象，实现了叶片加工过程多种工艺参数的动态测量与状态表征，还设计了多项综合性分析实验任务。这一综合性实验平台具有专业科学研究和基础教学实验双重属性，能够使学生借助叶片的加工实验教学环境，深入理解材料加工、数控切削、工装夹具、加工精度等工艺知识点，学习传感检测与数据分析的具体方法，在实践中培养解决实际工程问题的思维和能力，同时也能够鼓励他们扩大知识面，建立对先进制造过程的整体理解和认知，培养对制造科学技术的学习和研究兴趣。这还是一次理论学习与实践教学相结合的教学改革尝试，围绕“问题牵引、任务驱动、学研结合”的模式组织课程教学，将知识学习、能力培养、素质开发三者紧密结合起来, 重在提高学生的参与度和主动学习能力，并能够学以致用，得到了较好的教学效果。