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摘要:面向渦輪軸內壁積碳的清理需求，針對現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壁積碳的方法，設計了渦輪軸內壁積碳清理設備。用于支撐磨料刷的拋光桿是典型大長徑比弱剛性構件，在重力和拋光壓力作下產生撓曲變形，導致拋光桿在不同伸長量情況下拋光壓力變化，進而造成積碳去除率發生變化。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向進給量及磨料刷X向實際進給量之間的關系，建立了恒壓力拋光模型，得出了拋光桿X向進給量的補償量wx。結果表明:拋光壓力F=60N時，拋光桿在懸伸量l=300mm處的X向進給量的補償量wx1=0．0119mm;l=1615mm處的X向進給量的補償量為wx2=0．5407mm。

關鍵詞:渦輪軸;積碳清理;恒壓力;結構設計

渦輪軸是航空發動機的重要組成零件，也是航空發動機的重要傳動部件［1］。航空發動機渦輪軸在高溫高壓環境下工作過程中，流經渦輪軸表面的燃油焦化沉積形成積碳。積碳的產生會使航空發動機的油耗增加，動力性能下降［2-3］，并降低發動機的使用壽命。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堿液浸泡去除法、超聲波清理法和激光清理法［4-6］。熱強堿液浸泡去除法主要存在清洗效率低;積碳去除一致性差;浸泡前處理易對渦輪軸表面產生不同程度的劃痕;強堿廢液處理困難且易污染環境等問題。超聲波清理法由于超聲波無法穿透渦輪軸壁對其內壁積碳進行清洗且成本較高等問題;激光燒蝕易破壞渦輪軸表面組織結構。因此，上述積碳清理方法已無法滿足航空發動機渦輪軸積碳清理的實際生產加工需求。本文針對大深徑比渦輪軸內壁(深徑比超過13:1)積碳采用磨料刷恒壓力拋光清理。加工過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生的撓曲變形量不斷增大，此時磨料刷若依舊沿著原先生成的加工軌跡進行拋光加工，造成加工區拋光壓力不斷減小［7］，導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向進給量的補償量，實現渦輪軸內壁積碳恒壓力拋光清理。

1渦輪軸內壁積碳清理設備結構設計

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速n1回轉，含有磨料的拋光刷輪，通過氣動馬達驅動以轉速n2回轉，渦輪軸與磨料刷轉動方向相反，磨料刷在拋光桿的帶動下壓覆在渦輪軸內壁上，并沿機床X向和Z向移動，實現對渦輪軸內壁不同截面處的拋光加工，刷毛中攜帶的磨料在拋光過程中對渦輪軸內壁表面作用，完成對內壁積碳的清理加工。圖1磨料刷拋光原理

1．2總體結構

渦輪軸內壁積碳清理設備設計要求:適應多型號渦輪軸內壁積碳清理加工;渦輪軸內壁積碳清理直徑范圍54～117mm;渦輪軸最大長度為1553mm。根據磨料刷拋光原理及上述設計要求，對渦輪軸內壁積碳清理設備進行模塊化設計，設備主要由床身、工件主軸系統、中心架和內壁拋光裝置等組成，如圖2所示。圖2渦輪軸內壁積碳清理設備工件主軸系統由安裝在床身左側的Z2模組、主軸箱支座、主軸箱組成。工作時，直流電機驅動Z2模組沿Z向移動使主軸箱移至合適位置進行不同型號渦輪軸裝夾。內壁拋光裝置由支座、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同步帶模組通過兩滑塊倒置安裝在掛架上，掛架固定在X1模組滑臺左右兩側;拋光桿組件穿過兩個固定在X1模組滑臺上的直線軸承，末端通過連接板與Z1同步帶模組連接。X1模組和Z1同步帶模組驅動拋光桿組件沿X向和Z向往復移動。拋光桿組件由前段、后段、氣動馬達、磨料刷組成。為實現最小孔徑54mm處積碳的清理，同時使拋光桿具有更好的剛性，拋光桿采用兩段式結構。前段外徑為50mm，長250mm;后段外徑為70mm，長2050mm。前、后段間采用螺紋連接，拋光桿長徑比≥32，為弱剛性構件。

2恒壓力拋光模型

2．1數學模型

拋光壓力的大小主要取決于磨料刷與渦輪軸內壁之間的彈性變形壓縮量的大小［8］。渦輪軸內壁積碳拋光清理過程中，拋光桿在外載荷作用下產生的撓曲變形量隨懸伸量的增大而增大，造成磨料刷X向實際進給量小于拋光桿X向進給量，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向進給量及磨料刷X向實際進給量之間的關系，建立恒壓力拋光模型。磨料刷彈性變形量為ap，渦輪軸以轉速n1逆時針轉動，磨料刷以轉速n2順時針轉動，此時對磨料刷進行的受力分析，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。平移后產生的繞Z軸的扭矩對拋光桿在X向和Z向的撓曲變形無影響。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，其拋光加工狀態，如圖6所示。由恒壓力拋光數學模型式(12)可知，拋光桿X向進給量xp的補償量為拋光桿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向撓度方程計算，將其簡化為簡支梁計算，如圖8所示。其中，G、K為兩直線軸承支撐點，EH段為拋光桿前段，GK段為拋光桿后段在直線軸承左側部分。在拋光桿X向撓度方程計算中將其簡化為簡支梁，為保證撓度方程wx精確度，通過有限元仿真結果與撓度方程wx計算結果的比較對其進行修正。拋光桿在拋光壓力F=40N時，對應不同懸伸量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。在同等條件下根據式(18)計算得到拋光桿X向撓度，將兩種結果進行統計分析，如表1所示。

3結論

本文以渦輪軸內壁積碳清理加工為研究對象，提出了采用磨料刷恒壓力拋光清理渦輪軸內壁積碳的方法，設計渦輪軸內壁積碳清理加工設備。建立了恒壓力拋光數學模型，并確定拋光桿X向進給量的補償量wx的撓度方程。通過計算仿真得到拋光壓力F=60N的補償量曲線，結果表明，拋光桿在懸伸量l=300mm處的X向進給量的補償量wx1=0．0119mm，l=1615mm處的X向進給量的補償量為wx2=0．5407mm。

［參考文獻］

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作者：盧成 董志剛 康仁科 朱祥龍 徐會 劉麗娟 單位：大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室 中國航發西安航空發動機有限公司盤軸中心