商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤通道加工方法分析

中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 閆 雪 韓秀峰

整體葉盤最初用于軍用低壓壓氣機(jī)，而后發(fā)展用于高壓壓氣機(jī)，目前商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)也越來越多采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。圖1[1]所示為整體葉盤在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。整體葉盤結(jié)構(gòu)可以降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)重量，同時(shí)增加發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。同時(shí)，整體葉盤結(jié)構(gòu)避免了榫頭、榫槽間的微動(dòng)磨損、微觀裂紋、鎖片損壞等意外故障，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命和安全可靠性。

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤主要應(yīng)用于風(fēng)扇及壓氣機(jī)，材料多為鈦合金和高溫合金鍛件，均屬于難切削材料，如圖2所示。

圖1 整體葉盤在軍用及民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用發(fā)展

整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片型面為自由曲面，且壁薄、剛性差，加工過程中易發(fā)生變形，通道開敞性差，加工過程中極易發(fā)生干涉。與傳統(tǒng)的盤片分離結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤的加工及維修難度更大，因此，加工及維修成本也相應(yīng)提高。發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的制造工藝和維修的復(fù)雜性是目前影響其應(yīng)用與推廣的兩大主要因素。

整體葉盤從結(jié)構(gòu)形式上分為整體式和焊接式兩類。焊接式是將復(fù)雜困難的葉形加工成單個(gè)葉片進(jìn)行葉型加工，焊接精度和焊縫質(zhì)量與整體葉盤的性能和工作可靠性密切相關(guān)，對(duì)焊接工藝的要求很高，一般采用電子束焊、線性摩擦焊、真空固態(tài)擴(kuò)散連結(jié)等[2]。

目前，整體式是整體葉盤的主要形式，即從整體的鍛造或鑄造毛坯加工出葉型。根據(jù)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求，一般采用鍛造工藝制造毛坯，加工方式主要有銑削加工及電化學(xué)加工，如圖3所示。整體葉盤的加工程序主要包括毛坯的粗/精車、通道粗加工、葉片型面半精加工和精加工等，其中材料去除余量大部分是通過通道粗加工完成。因此，實(shí)現(xiàn)通道高效粗加工，對(duì)于縮短整體葉盤制造周期、降低加工成本具有重要意義[3]。

圖2 典型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的整體葉盤

圖3 整體葉盤加工方式發(fā)展

整體葉盤通道加工工藝方法

對(duì)于整體葉盤通道加工，可采用銑削加工、電火花加工、電化學(xué)加工等方法。下面對(duì)幾種工藝方法及其研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

1 銑削加工（Milling）

銑削加工是目前最普遍的整體式葉盤加工工藝，對(duì)于通道加工，主要有側(cè)銑、插銑和擺線銑幾種不同的銑削方式。

1.1 側(cè)銑（Flank Milling）

傳統(tǒng)的整體葉盤通道粗加工采用分層側(cè)銑方式。圖4為側(cè)銑加工整體葉盤的示意圖，側(cè)銑加工時(shí)，刀具主要受徑向力作用，隨著通道銑削深度的逐步加深，刀具剛性變差，在徑向力的作用下刀具容易變形、產(chǎn)生顫振，導(dǎo)致刀具磨損加劇，加工效率低，嚴(yán)重時(shí)，刀具發(fā)生斷損，對(duì)保證生產(chǎn)安全和提高加工效率不利。

圖4 側(cè)銑加工整體葉盤示意圖

1.2 插銑（Plunge Milling）

(4)運(yùn)用儀表控制，在各車間及生活區(qū)總閘處安設(shè)總電度表及分電度表，通過數(shù)據(jù)找出合理耗電量，制定嚴(yán)格耗電考核措施。

插銑是一種高效粗加工方法，被越來越廣泛地應(yīng)用于大余量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的粗加工過程。插銑又稱Z軸銑削法，加工過程中，刀具沿刀軸方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，利用底部切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削。如圖5[4]所示，ae為徑向切深，S為插銑側(cè)向步距。整體葉盤插銑粗加工采用直紋面逼近自由曲面，具有切削力相對(duì)穩(wěn)定、刀具振動(dòng)小等特點(diǎn)。試驗(yàn)研究證明，在增大側(cè)向步距的情況下，插銑仍能保持平穩(wěn)切削，而且刀具和零件的接觸面切削溫度低，十分適合進(jìn)行鈦合金、高溫合金等難切削材料的高速切削，實(shí)現(xiàn)提高切削速度，降低刀具磨損，進(jìn)而降低加工成本的目的。

圖5 插銑加工示意圖

1.3 擺線銑（Trochoidal Milling）

擺線銑加工過程中，刀具在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿著由圓弧運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)合成的擺線軌跡進(jìn)行走刀。擺線銑過程中刀具軌跡的參數(shù)方程為：

其中，v是刀具沿直線運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給速度，ω是刀具進(jìn)行圓弧運(yùn)動(dòng)的角速度，R是刀具圓弧運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑，t為切削時(shí)間。

實(shí)際刀具的開槽切削寬度L=2R+D（D為銑刀的有效切削半徑）。

采用擺線形走刀方式，可以減小刀具與工件的接觸角，在實(shí)現(xiàn)相對(duì)較低的刀具磨損量的同時(shí)，得到較高的材料去除率。圖6為擺線銑與傳統(tǒng)銑削開槽加工時(shí)的接觸角對(duì)比[5]。

2 電火花加工（EDM）

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工領(lǐng)域，電火花加工一般用于加工渦輪葉片的氣膜冷卻孔，但是隨著加工設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展，電火花加工已經(jīng)逐漸擴(kuò)展到其他加工領(lǐng)域。電火花加工整體葉盤主要有電火花成形加工（Sinking-EDM）和線切割開槽加工（Wire-EDM）。電火花加工過程中存在電極損耗，會(huì)影響成型精度，需要經(jīng)常更換電極，導(dǎo)致加工成本高，效率低下。同時(shí)加工表面的再鑄層對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響，限制了此加工方法的推廣使用。

圖6 擺線銑削與傳統(tǒng)銑削方法開槽加工時(shí)的接觸角對(duì)比

3 電化學(xué)加工（ECM）

電化學(xué)加工是利用金屬工件在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解的一種加工過程，如圖7所示。電化學(xué)加工具有工具陰極無損耗、無宏觀切削力、無熱影響區(qū)等特點(diǎn)，在加工難切削材料工件方面，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在整體葉盤電化學(xué)加工方面，目前主要有電解套料、仿形電解加工和數(shù)控電解加工等技術(shù)。

圖7 電化學(xué)加工示意圖

3.1 電解套料粗加工

電解套料加工最大的優(yōu)點(diǎn)是加工效率高，且加工過程穩(wěn)定，質(zhì)量一致性好。在英、美、俄等國(guó)家已有成熟應(yīng)用，國(guó)內(nèi)航天企業(yè)也已普遍采用電解套料方法加工航天發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪[5]。采用電解套料進(jìn)行整體葉盤通道加工，尤其是鎳基高溫合金整體葉盤，能夠充分發(fā)揮電解高效復(fù)制加工的優(yōu)勢(shì)。電解套料的局限在于只能加工等截面葉片整體葉盤，不能加工變截面扭曲葉片的整體葉盤。

3.2 仿形電解加工

仿形電解加工采用成形陰極，以拷貝的方式加工復(fù)雜型面，針對(duì)不同形狀和尺寸的型面設(shè)計(jì)不同的陰極。仿形電解加工可加工變截面扭曲葉片的整體葉盤，加工速度快，加工精度較電解套料加工高，但是由于工具陰極與工裝夾具的設(shè)計(jì)制造難度大，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，加工柔性低，一般不適合單件小批量生產(chǎn)，適用于批量生產(chǎn)。

3.3 數(shù)控電解加工

數(shù)控電解加工技術(shù)綜合了數(shù)控加工和電解加工技術(shù)的特點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)控制簡(jiǎn)單形狀的陰極完成電解加工，在工具陰極無損、無宏觀切削力的情況下，以數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜葉片型面的加工，是一種優(yōu)質(zhì)、高效、具有快速響應(yīng)能力的新加工技術(shù)，圖8所示為數(shù)控電解加工曲面的示意圖[6]。

電化學(xué)加工目前的局限性在于加工精度還不夠高，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，而且由于加工附屬設(shè)備較多，對(duì)設(shè)備的剛性和防腐蝕性要求較高，并且需要解決環(huán)境污染等問題[7]。

圖8 數(shù)控電解加工曲面示意圖

整體葉盤通道粗加工工藝性分析

1 加工效率分析

相比側(cè)銑，插銑具有更好的加工精度，同時(shí)可以提高切削速度，并增長(zhǎng)刀具壽命。在國(guó)內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)針對(duì)整體葉盤插銑加工做了大量研究，驗(yàn)證了插銑工藝的優(yōu)越性，并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用[3-4]。通過直紋包絡(luò)面逼近整體葉盤葉片的自由曲面，采用插銑工藝進(jìn)行整體葉盤通道粗加工，與傳統(tǒng)側(cè)銑加工通道相比，插銑工藝徑向切削力?。ń档图s60%），且分布比較均勻，能有效避免機(jī)床-刀具系統(tǒng)的振動(dòng)，加工效率提升1倍以上，特別是對(duì)于刀具伸長(zhǎng)量大的情況，效果尤其顯著。插銑能夠有效降低切削溫度，在加工鈦合金、高溫合金等難加工材料時(shí)，可大幅提高刀具耐用度，進(jìn)而降低加工成本。

在擺線銑加工葉片通道的過程中，刀具的進(jìn)給速度以及瞬時(shí)切屑厚度較小，在不同的圓弧運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，切削力穩(wěn)定，刀具不存在沖擊，因此，擺線銑能夠得到較好的加工質(zhì)量，可以用于對(duì)質(zhì)量要求較高的情況。擺線銑和插銑的共同特點(diǎn)是切削過程不連續(xù)，針對(duì)整體葉盤通道加工，擺線銑中刀具與零件接觸角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于插銑加工，也能夠大大降低刀具磨損率。但在相同加工工況要求下，擺線銑的加工軌跡與插銑相比要長(zhǎng)很多，而且加工程序編制難度較插銑高，目前國(guó)內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

直流電化學(xué)加工或脈沖電化學(xué)加工的材料去除率在給定電解液和電流密度的情況下，只與材料的電化學(xué)加工性能相關(guān)。Klocke[8]通過試驗(yàn)采用圓柱工具電極和外沖刷方式，研究了多種鈦合金及鎳基合金的電化學(xué)可加工性。Ti-6Al-4V等鈦合金的電化學(xué)有效材料去除率約為1.78mm3/(A·min)。對(duì)于鎳基合金，晶粒尺寸越細(xì)小，電化學(xué)的可加工性越好，Inconel 718等鎳基合金的電化學(xué)材料去除率約為1.51mm3/(A·min)。Klocke的研究顯示，粉末合金具有較好的電化學(xué)加工性，材料去除率范圍在 1.77～2.13mm3/(A·min)。

對(duì)于整體葉盤常見的兩種材料，Ti-6Al-4V和Inconel 718，不同加工工藝進(jìn)行簡(jiǎn)化通道粗加工的加工效率對(duì)比如表1所示[9]?？梢钥闯觯瑢?duì)于Ti-6Al-4V材料，銑削加工材料去除率最高，而對(duì)于Inconel 718材料，電化學(xué)加工材料去除率較高。

表1 整體葉盤通道加工不同工藝的平均材料去除率

2 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，制造成本是衡量工藝性的一個(gè)重要因素。整體葉盤的制造成本中，與原材料成本相比，加工成本占有很大比重，因此降低加工成本是降低整體葉盤成本的主要途徑。Klocke基于簡(jiǎn)化的整體葉盤通道幾何模型，分析了擺線銑、電火花線切割、電化學(xué)加工Inconel 718和Ti-6Al-4V兩種材料整體葉盤通道的經(jīng)濟(jì)性，該研究針對(duì)批量生產(chǎn)的整體葉盤加工成本進(jìn)行分析，認(rèn)為對(duì)于Ti-6Al-4V的整體葉盤，銑削加工和電化學(xué)加工經(jīng)濟(jì)性最高，對(duì)于年產(chǎn)量超過400的Inconel 718材料整體葉盤加工來說，電化學(xué)加工是經(jīng)濟(jì)性最高的工藝，雖然電化學(xué)加工工具電極的設(shè)計(jì)制造成本較高，但在加工過程中損耗少，因此十分適合批產(chǎn)加工。

結(jié)束語(yǔ)

高性能商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展越來越依賴于先進(jìn)材料和工藝的進(jìn)步。在保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件的關(guān)鍵加工工藝提出了更高的要求。實(shí)現(xiàn)整體葉盤通道高效粗加工對(duì)于縮短整體葉盤制造周期，降低加工成本具有很重要的意義。本文分析了國(guó)內(nèi)外整體葉盤通道加工工藝方法的技術(shù)特點(diǎn)、研究進(jìn)展以及工藝特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。通過分析可以看出，對(duì)于鈦合金整體葉盤，從工藝性及經(jīng)濟(jì)性考慮，銑削加工是適合的加工方法，并且插銑加工及擺線銑加工均可以用于通道加工。對(duì)于鎳基高溫合金材料的整體葉盤，電化學(xué)加工可以實(shí)現(xiàn)較高的材料去除率，對(duì)于批量生產(chǎn)的鎳基高溫合金材料的整體葉盤，電化學(xué)加工的經(jīng)濟(jì)性更好。

國(guó)內(nèi)針對(duì)整體葉盤通道粗加工進(jìn)行了大量研究，其中插銑加工已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，在刀軸控制、加工路徑設(shè)計(jì)和加工參數(shù)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)方面都取得了一定的進(jìn)展。對(duì)于電化學(xué)加工，目前國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，電極的設(shè)計(jì)技術(shù)、加工參數(shù)優(yōu)化技術(shù)以及加工質(zhì)量的控制技術(shù)等，與國(guó)外仍存在較大的差距。

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