航空發(fā)動機(jī)葉片加工變形控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

李 勛，于建華，趙 鵬

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

李 勛

博士，副教授，主要研究方向?yàn)楦咝阅懿牧锨邢?磨削技術(shù)及其表面完整性。

葉片是航空發(fā)動機(jī)的“心臟”，如圖1所示，葉片的加工精度和質(zhì)量對航空發(fā)動機(jī)的效率和性能以及安全可靠性都有直接的影響，而占整個發(fā)動機(jī)機(jī)械加工總量30%以上的葉片加工一直是我國航空發(fā)動機(jī)整體水平提高的“瓶頸”[1-4]。美國NASA-Lewis研究中心的研究結(jié)果表明，當(dāng)葉片的輪廓精度在0.025mm左右時，如果葉片表面粗糙度Ra由3.1μm降低到0.51μm后，發(fā)動機(jī)的效率將在設(shè)計(jì)值附近提高3%～6%；如果發(fā)動機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速工作在設(shè)計(jì)值60%的低速狀態(tài)時，效率也會提高1%～3%；當(dāng)葉片的表面粗糙度為0.51μm時，其輪廓誤差由0.025mm降低到0.0125mm時，發(fā)動機(jī)的壓氣比將再提高1%以上，尤其是進(jìn)氣邊緣占葉片型面10%的輪廓誤差對效率的影響最大[5-7]。以上研究結(jié)果說明葉片型面的加工精度和質(zhì)量對發(fā)動機(jī)性能有直接的影響，特別是對超音速飛機(jī)來說，其影響更為明顯[8]。另一方面，葉片型面的高精度和高質(zhì)量制造對降低發(fā)動機(jī)的燃油消耗也有明顯的貢獻(xiàn)，美國第六代軍用發(fā)動機(jī)研究項(xiàng)目ADVENT將實(shí)現(xiàn)燃油消耗下降25%，其中壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造大約占其中的5%～7%。民用發(fā)動機(jī)LEAP-X型號中，將通過優(yōu)化壓氣機(jī)設(shè)計(jì)和制造降低燃油消耗7%左右[9]。

在我國，隨著新型戰(zhàn)斗機(jī)型號的不斷涌現(xiàn)，為了滿足新型發(fā)動機(jī)的高性能需求，葉盤、葉片的制造對材料、精度和質(zhì)量都提出了更高的要求。材料從鈦合金、鎳基高溫合金逐漸向金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等過渡[10]；葉片向大扭角、厚度更?。ㄗ詈裉幖s0.8mm）、型面輪廓精度和表面質(zhì)量及其一致性要求更高的方向發(fā)展；尤其是對進(jìn)排氣邊緣的質(zhì)量要求更高，尺寸也向更?。≧0.05 mm左右）的方向發(fā)展[11]，圖2所示為某級壓氣機(jī)葉片主要尺寸?？梢?，提高葉片的加工精度和加工表面質(zhì)量對于先進(jìn)高性能航空發(fā)動機(jī)研制具有重要意義。

圖1 商用航空發(fā)動機(jī)葉片分布Fig.1 Blades distribution of commercial aeroengine

圖2 航空發(fā)動機(jī)某級壓氣機(jī)葉片F(xiàn)ig.2 A compressor blade of aeroengine

隨著多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床運(yùn)動精度以及數(shù)控編程理論水平的不斷提高，高剛性復(fù)雜自由曲面的加工精度質(zhì)量已經(jīng)能夠達(dá)到很高的水平[12-13]。而弱剛性葉片在加工過程中的自身變形是制約發(fā)動機(jī)葉片加工精度進(jìn)一步提高的主要因素之一。按照變形的形成機(jī)理可以將葉片的加工變形分為3種類型：（1）葉片受切削力作用而導(dǎo)致的變形，也稱為“讓刀”變形；（2）因過定位支撐和裝夾誤差引起的變形；（3）因加工表面殘余應(yīng)力而引起的變形。葉片的最終變形是由幾種變形綜合作用的結(jié)果，不同變形機(jī)理引起的葉片變形要采用不同的變形控制方法。

目前，數(shù)控銑削是葉片型面的主要加工方式，其變形控制機(jī)理和方法能夠基本滿足葉片型面輪廓精度在 0.05～0.07mm 的加工需要[1,13-14]。但是，隨著航空發(fā)動機(jī)性能的提升，對葉片的材料性能和加工精度都有更高要求，要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)20μm級葉片（型面輪廓誤差在0.02mm以內(nèi)）型面的精密加工還存在較大的差距，尤其是針對高溫合金渦輪葉片進(jìn)行精密加工時，與其他兩種葉片變形類型相比，殘余應(yīng)力變形更為突出。如果不從根本上對此進(jìn)行控制，很難實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)渦輪葉片的精密、高效加工。為此，國內(nèi)外研究者對航空發(fā)動機(jī)葉片的變形控制原理及方法進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的探索和研究。

葉片型面的主要變形及形成機(jī)理

1 葉片受切削力形成的“讓刀”變形

航空發(fā)動機(jī)葉片是典型薄壁的弱剛性零件，在銑削加工中易受切削力作用而產(chǎn)生“讓刀”變形；同時，葉片常采用高溫不銹鋼、高溫鈦合金、鎳基高溫合金或金屬基復(fù)合材料等性能優(yōu)良的材料，這些材料的切削加工性較差，切削加工過程中切削力相對較大，而且刀具磨損較快，切削力也會隨之增大，加劇了“讓刀”變形的程度，尤其是在葉片的葉尖和進(jìn)排氣邊緣等剛性較差的部位，變形更為嚴(yán)重。

針對葉片在加工過程中因切削力產(chǎn)生的變形，研究者進(jìn)行了許多分析和研究。西北工業(yè)大學(xué)的單晨偉等[15]和西安工業(yè)大學(xué)的賈立偉[16]等利用有限元分析和具體試驗(yàn)的方法對仿真葉片模型進(jìn)行受力變形分析，研究了不同切削力狀態(tài)下葉片各部位的變形情況，充分說明了弱剛性葉片在加工過程中存在明顯的“讓刀”變形。北京航空航天大學(xué)的陳嬋娟等[17]對高溫合金葉片在超硬砂輪磨削加工中的受力變形進(jìn)行分析，也得到了同樣的結(jié)論，如圖3所示。

葉片因切削力而形成的“讓刀”變形主要集中在葉尖和進(jìn)排氣邊等剛性較差的部位。由于葉身型面的復(fù)雜性使得葉片各部位的剛度分布不均勻，從而導(dǎo)致受力變形的規(guī)律性很差，葉盆、葉背的變形集中區(qū)并不嚴(yán)格對應(yīng)，這些特點(diǎn)為控制葉片的加工增加了難度。

2 因過定位支撐或裝夾誤差形成的葉片變形

圖3 葉片“讓刀”變形的規(guī)律曲線Fig.3 Cutter back-off deformation of aeroengine blade

為了增強(qiáng)葉片在加工過程中的剛性，最簡單且直接的方法就是在葉片完全定位且夾緊的情況下，再對葉片增加輔助支撐，間接提高葉片的剛性。如圖4所示，在葉身型面上增加支撐柱等[1,18-19]。在輔助支撐的作用下，葉片處于過定位狀態(tài)，輔助支撐的精度將直接影響葉片的加工精度。

圖4 過定位支撐方案示意圖Fig.4 Fixation of aeroengine blade with over-positioning

通過提高夾具及輔助支撐裝置的加工和安裝精度可以滿足一般精度葉片的加工需要，并且這種方法已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，取得很好的效果。但是，輔助支撐和過定位裝夾必然會引入新的裝夾誤差，當(dāng)葉片加工精度要求提高以后，輔助支撐引入的誤差對葉片的變形影響變得尤為突出。輔助支撐與葉片之間的微小間隙會使葉片在一定變形范圍內(nèi)的剛性得不到提高，而且兩者之間微小的過盈或相互作用力會使葉片預(yù)先產(chǎn)生變形，當(dāng)夾具和輔助支撐移除后，變形得到恢復(fù)，直接影響已加工完成的葉片型面精度。

西安航空發(fā)動機(jī)廠的李海寧等[20]采用葉尖輔助支撐并施加一定的預(yù)拉力，提高了葉片抵抗“讓刀”變形的能力，并在一定程度上抑制了葉片銑削加工時的顫振，提高了葉片的加工精度。北京航空航天大學(xué)陳志同等[21]采用自適應(yīng)夾具和輔助支撐，通過自適應(yīng)夾具和優(yōu)化裝夾順序，降低了夾具精度對葉片裝夾變形的影響，取得了較好的效果。西北工業(yè)大學(xué)藺小軍等[22]提出葉片整體加工再分割技術(shù)，主要目的是避免工裝和裝夾精度、裝夾內(nèi)應(yīng)力對葉片加工精度的影響。以上研究成果均說明，葉片的過定位裝夾或者裝夾精度，對葉片加工后的精度有直接的影響。

3 加工表面殘余應(yīng)力引起的葉片變形

目前，高溫鈦合金和鎳基高溫合金是制造航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片和葉輪的主要材料，而這兩類材料在熱處理后切削加工性能很差，切削加工過程中刀具極易磨損，在葉片型面不同位置瞬間切削參數(shù)和切削狀態(tài)并不一致，從而導(dǎo)致在葉片型面的不同位置上形成的表面完整性指標(biāo)相差較大[23]。同時，加工表面的顯微硬度和表面殘余應(yīng)力與基體材料也相差較大。因此，在葉片因材料去除而產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放和因加工而產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力的共同作用下，就會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力變形，并且加工表面殘余應(yīng)力的方向和大小受材料熱處理狀態(tài)、加工方式、條件和參數(shù)等許多因素的影響都較大，因此，葉片因加工表面殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的變形規(guī)律性很差。

沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的金秀杰等[24]和西北工業(yè)大學(xué)的姚倡鋒等[25]針對葉片的殘余應(yīng)力變形及其控制方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，針對高溫合金靜子葉片進(jìn)行銑削加工時，葉片型面因加工表面殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的變形較大，而且規(guī)律性很差，極易導(dǎo)致葉片報(bào)廢。北京航空航天大學(xué)的Meng等[19]也對高溫合金葉片在高速磨削加工過程中的殘余應(yīng)力變形及其影響因素進(jìn)行了研究，通過具體的加工試驗(yàn)充分證明了高溫合金仿真葉片在高速磨削加工條件下極易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力變形，而且變形的規(guī)律性與加工條件及工藝參數(shù)有直接的關(guān)系。在試驗(yàn)條件下，GH4169薄壁試件因加工表面殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的變形可達(dá)0.5mm。

葉片加工變形控制方法

國內(nèi)外研究者主要通過裝夾方式、工藝及加工參數(shù)優(yōu)化、變形預(yù)測與誤差補(bǔ)償、電解加工及超硬磨料砂輪高速磨削等方式對航空發(fā)動機(jī)葉片變形控制方法展開探索和研究。

1 利用裝夾方式控制葉片變形

控制葉片因受到切削力作用而產(chǎn)生的變形，最簡單且直接的方法就是對葉片進(jìn)行過定位裝夾或輔助支撐，間接提高葉片的剛性，從而達(dá)到減小葉片受力變形的目的。目前葉片實(shí)際生產(chǎn)加工中，絕大多數(shù)采用這種方法來控制葉片的受力變形。北京航空航天大學(xué)的陳嬋娟[17]深入分析了葉片在懸臂裝夾與雙端裝夾狀態(tài)下的變形及其分布規(guī)律，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，利用雙端過定位輔助裝夾能夠大幅度提高葉片抵抗受力變形的能力，可以將高溫合金葉片的銑削加工變形控制在0.05 mm以內(nèi)。Wang等[26-29]提出一種渦輪葉片裝夾定位誤差和加工誤差測量、計(jì)算方法，為葉片的夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。西北工業(yè)大學(xué)劉維偉等[1,30]在葉片加工中采用葉尖工藝凸臺輔助支撐，但在軸向上不對葉片施加力的作用，使葉片內(nèi)部不產(chǎn)生預(yù)拉力或壓力，在控制葉片受力變形的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了葉片因裝夾預(yù)應(yīng)力而產(chǎn)生的變形。西北工業(yè)大學(xué)張定華等[31]提出利用葉片根部裝夾，葉尖處頂尖支撐，同時在葉身型面上利用多個支撐螺桿進(jìn)行支撐，大幅度提高了葉片在銑削加工時的剛度，控制了葉片的“讓刀”變形。王廣林[32]提出將葉片末端采用尾頂尖施加壓力的方式改為氣動力可調(diào)的拉力，可以減小葉片在加工中受到切削力而產(chǎn)生的彎曲變形。北京航空航天大學(xué)陳志同等[33]提出一種柔性且能夠自適應(yīng)葉片型面的搖籃式葉片加工夾具，提高葉片在加工過程中的“讓刀”變形。在葉片長度較大時，葉尖輔助支撐提高加工精度的效果更為明顯[32]。在生產(chǎn)應(yīng)用中，國內(nèi)的航空發(fā)動機(jī)葉片的主要生產(chǎn)單位沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司和南方航空工業(yè)有限公司等，在葉片的加工中均采用了雙端裝夾的方式來保證葉片的加工精度[20,24]。

為了最大限度地降低因過定位裝夾或輔助支撐裝置的制造誤差對葉片加工精度的影響，國內(nèi)外研究者提出利用低熔點(diǎn)合金對葉片整體包裹支撐的方式，將融化的低熔點(diǎn)合金澆灌在葉片型面的四周，對其進(jìn)行輔助支撐[1]。低熔點(diǎn)合金較低的融化溫度也有效地避免了葉片的受熱變形，從而使葉片的過定位輔助支撐具有極高的精度。但是，低熔點(diǎn)合金極易污染葉片表面，后期清洗工藝繁瑣，而且低熔點(diǎn)合金的后期處理也會造成較大的環(huán)境污染[4]，因此，在不能有效解決上述問題之前，這種輔助支撐方式將逐漸被淘汰。

以上研究成果通過優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)及輔助支撐來提高葉片在加工過程中抵抗切削力變形的能力，從而減小葉片型面的“讓刀”變形。但是，這種方法就使葉片不可避免地引入了過定位裝夾變形，無論是葉尖處頂尖或輔助基準(zhǔn)凸臺支撐，還是葉身型面的輔助支撐等，都要求裝置有很高的精度及其穩(wěn)定性。一般情況下，葉片的裝夾基準(zhǔn)比較小且位于葉片的兩端，在一端定位夾緊后，其裝夾誤差容易在離基準(zhǔn)較遠(yuǎn)的葉身處和葉片另一端形成誤差放大，這就進(jìn)一步提高了對夾具和支撐裝置自身制造精度的要求。另一方面，葉片在過定位裝夾的情況下，葉片型面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力變形在兩端裝夾的情況下得不到釋放，在葉片內(nèi)部形成應(yīng)力，隨著加工的不斷進(jìn)行，內(nèi)部應(yīng)力也隨之不斷變化。當(dāng)葉片加工完成移除所有約束裝置后，葉片內(nèi)部應(yīng)力釋放，就會產(chǎn)生較大的變形。

總地來說，利用夾具及輔助支撐的方式能夠有效地控制葉片的“讓刀”變形，但不可避免地使葉片產(chǎn)生過定位裝夾變形，需要根據(jù)葉片的加工精度來決定夾具及輔助支撐的精度。同時，葉片的殘余應(yīng)力變形不能通過過定位裝夾和支撐進(jìn)行控制，此方法適用于殘余應(yīng)力變形較小的葉片加工。

2 利用工藝及加工參數(shù)優(yōu)化控制葉片的變形

（1）利用加工余量分配調(diào)整加工工藝，增強(qiáng)葉片加工剛性。

葉片之所以產(chǎn)生加工變形，最主要原因就是其剛性較差，通過工藝手段使剛性增強(qiáng)也是控制葉片加工變形的有效手段之一。傳統(tǒng)加工方法都是逐層去除葉片余量，西北工業(yè)大學(xué)的單晨偉等[15]提出一種葉片型面的非均勻余量剛度補(bǔ)償方法，根據(jù)葉片不同部位在集中切削力作用下的變形規(guī)律，對葉片徑向和截面線方向分別采用線性變化和正弦函數(shù)變化兩種方法進(jìn)行葉片曲面非均勻余量剛度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，并且基于葉片原始截面線，構(gòu)造出精加工時的工藝模型，從而在精加工總體余量不變的情況下，增強(qiáng)了葉片的加工剛度，在一定程度上減少了彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。

（2）利用對稱加工工藝和自適應(yīng)夾具控制葉片殘余應(yīng)力變形。

一般情況下，葉片均采用單面銑削加工工藝，即在半精加工和精加工工序中，先加工葉盆或葉背，之后再進(jìn)行另一面的加工。采用這種加工工藝，由于葉盆、葉背型面的加工表面殘余應(yīng)力處于非平衡狀態(tài)，極易導(dǎo)致葉片型面產(chǎn)生彎扭變形。由西北工業(yè)大學(xué)姚倡鋒等[25]利用分區(qū)域?qū)ΨQ刀具軌跡進(jìn)行葉片加工的方法來控制變形。將葉盆、葉背型面劃分為若干個對稱的區(qū)域，在加工過程中，葉盆、葉背交替完成各區(qū)域的半精加工和精加工，使葉盆、葉背型面銑削表面殘余應(yīng)力處于相對平衡的狀態(tài)，從而減小了葉片型面因殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的彎曲變形。但是，在葉片邊緣和型面曲率變化較為劇烈的部位，在相同的加工條件下，產(chǎn)生的加工表面殘余應(yīng)力相差較大，從而使對稱加工工藝對這些局部位置的殘余應(yīng)力變形控制能力受到影響。

北京航空航天大學(xué)于建華等[34-36]提出了利用雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為葉片兩端的圓柱榫頭提供6個運(yùn)動自由度（如圖5所示)，實(shí)現(xiàn)葉片在加工過程產(chǎn)生殘余應(yīng)力變形后能夠快速釋放，并能夠快速重新夾緊葉片，從而保證葉片在加工過程中能夠保持內(nèi)部無應(yīng)力的裝夾狀態(tài)，葉片在夾具和輔助裝置移除后也能保證加工精度與裝夾時相差不大，從而達(dá)到控制葉片殘余應(yīng)力變形的目的。

（3）通過工藝參數(shù)優(yōu)化減小葉片的變形。

圖5 無應(yīng)力裝夾原理Fig.5 Principle of stress free clamping

為了彌補(bǔ)葉片過定位裝夾和輔助支撐對葉片變形控制的不足，并進(jìn)一步降低葉片輪廓的加工誤差，研究人員對其他變形控制輔助工藝以及加工工藝過程和參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化，在葉片加工剛性相對不變的情況下，進(jìn)一步控制葉片的變形。在其他加工條件和輔助工藝既定的情況下，加工參數(shù)優(yōu)化是其他變形控制手段的基礎(chǔ)，只有對葉片加工參數(shù)及工藝條件進(jìn)行較為充分的優(yōu)化，才能使葉片的加工精度得到基本的保證，并為后續(xù)的變形控制奠定良好的基礎(chǔ)。例如，Lim等[37]通過試驗(yàn)得到不同刀具走刀軌跡、刀具傾角和切削參數(shù)對葉片加工變形的影響規(guī)律，從而得到最佳的葉片加工工藝條件和參數(shù)，改善葉片的加工精度。而國內(nèi)針對不同葉片材料進(jìn)行刀具、加工參數(shù)及工藝條件優(yōu)化的研究也較多，這些研究成果都為葉片的精密加工提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（4）利用后續(xù)輔助工藝控制葉片的變形。

在輔助工藝研究方面，中國航發(fā)西安航空動力股份有限公司的吳娟利等[38]通過熱校正的方式使葉片發(fā)生塑性變形，從而將葉片在鍛造冷卻過程中的變形，以及固溶處理和中間處理工序中產(chǎn)生的變形糾正過來。通過熱校形不僅能夠均化材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，而且使葉片的型面精度能夠得到大幅的提高。這種方式對于糾正低速運(yùn)轉(zhuǎn)葉片的大變形有一定的優(yōu)勢。但是熱處理校正需要特定夾具或工裝，其加工精度及工作原理限制了此種方式能夠達(dá)到的精度，而且在校形過程中葉片已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，材料內(nèi)部必然存在屈服現(xiàn)象，對于低速工作葉片的安全性影響不大，而對于承受高溫高壓、載荷復(fù)雜的發(fā)動機(jī)渦輪和高壓壓氣機(jī)葉片來說，如果在裝機(jī)前葉片內(nèi)部就存在屈服變形，這對發(fā)動機(jī)的疲勞壽命和可靠性有致命的影響。

3 利用變形預(yù)測與誤差補(bǔ)償控制葉片的變形

葉片綜合誤差補(bǔ)償是目前應(yīng)用較為廣泛的葉片綜合變形控制方式，其主要思路是利用理論分析及有限元模擬仿真、變形測量等手段得到葉片在穩(wěn)定的加工工藝下的變形規(guī)律及分布情況，然后通過適當(dāng)修改葉片的三維模型或刀具加工軌跡來實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償（如圖6所示），這種變形控制方式非常適合葉片的大批量生產(chǎn)。北京航空航天大學(xué)的王軍偉[39]等以測量數(shù)據(jù)分析法研究了葉片類薄壁件的變形規(guī)律，然后基于反變形理論重構(gòu)葉片的三維模型，再次進(jìn)行數(shù)控加工，從而達(dá)到減小葉片加工變形的目的。Ratchev等[23]建立了考慮刀具傾角和刀齒角度的切削力有限元模型，預(yù)測了加工變形量，通過多層自適應(yīng)補(bǔ)償減小了葉片等薄壁件的加工變形。陳嬋娟[17]針對葉片類弱剛性零件，分別對其懸臂裝夾、雙端固定裝夾時的加工變形進(jìn)行了分析，然后修改原刀軌各刀位點(diǎn)的位置，最終實(shí)現(xiàn)葉片加工誤差的補(bǔ)償，使葉片型面的最終加工誤差在±0.03mm左右。

圖6 反變形誤差補(bǔ)償示意圖Fig.6 Diagram of anti-deformation error compensation

西北工業(yè)大學(xué)郝煒等[40]針對加工精度要求較高的葉片進(jìn)排氣邊緣的誤差補(bǔ)償進(jìn)行深入的研究，在得到前后緣加工誤差分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，再通過誤差補(bǔ)償方法對葉片設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修正，生成新的數(shù)控加工程序，從而使葉片加工誤差滿足設(shè)計(jì)要求。李昊[41]運(yùn)用有限元軟件對葉片加工變形進(jìn)行了模擬，將變形量補(bǔ)償?shù)匠绦蛑?，?shí)現(xiàn)了葉片加工誤差的離線補(bǔ)償。西南科技大學(xué)董久虎等[42]通過構(gòu)建切削力的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用力學(xué)理論和有限元分析得到葉片的變形量，根據(jù)鏡像對稱補(bǔ)償方法對葉片進(jìn)行誤差補(bǔ)償加工，從而提高葉片的加工精度。

葉片加工變形綜合補(bǔ)償技術(shù)對于控制葉片的綜合變形、提高葉片的加工精度具有明顯的作用。理論上來說，只要能夠精確地測量到葉片的變形量，且葉片在既定的加工工藝條件下變形非常穩(wěn)定，在進(jìn)行多次誤差補(bǔ)償試驗(yàn)后，那么總能得到高精度的合格葉片；而且通過誤差補(bǔ)償進(jìn)行葉片綜合變形控制的技術(shù)通用性很強(qiáng)，無論是對葉片受力而產(chǎn)生的“讓刀”變形，還是殘余應(yīng)力變形都能起到很好的作用。分析眾多的研究成果，也發(fā)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的一些不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）葉片變形的穩(wěn)定性和精確測量是變形綜合補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)和難點(diǎn)，也是影響最終補(bǔ)償效果的關(guān)鍵。葉片變形綜合補(bǔ)償技術(shù)要求葉片的變形必須穩(wěn)定且測量準(zhǔn)確，如果變形的分散性太大，就使得變形的補(bǔ)償值無法準(zhǔn)確給定，補(bǔ)償?shù)男Ч厝皇艿接绊?。理論上來說，在加工工藝條件、參數(shù)和葉片材料及熱處理狀態(tài)等都不改變的情況，葉片加工后的變形就應(yīng)該保持不變。但是，材料的切削加工過程非常復(fù)雜，葉片材料性能的穩(wěn)定性、刀具的磨損狀態(tài)、裝夾的精度及穩(wěn)定性、葉片毛坯的初始狀態(tài)等都可能使葉片最后的加工變形存在不同，使葉片變形的離散性變大。另外，葉片變形的測量也是行業(yè)難題，而且變形測量過程中的各項(xiàng)誤差也會使葉片變形量的穩(wěn)定性變差。

（2）葉片的變形復(fù)雜，不但有整體扭轉(zhuǎn)、彎曲，還有局部的過切、欠切等，變形規(guī)律性極差，很難通過少數(shù)幾次的加工試驗(yàn)就能準(zhǔn)確得到葉片各部分的變形規(guī)律并且進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償[43]。這需要在葉片加工工藝和條件既定的情況下，進(jìn)行多次葉片加工、測量、補(bǔ)償、再測量的反復(fù)過程，直到葉片的加工精度滿足要求為止，同時還要嚴(yán)格保證裝夾和加工工藝的穩(wěn)定性，最終確定誤差補(bǔ)償?shù)墓に嚵鞒?。整個變形補(bǔ)償?shù)牧鞒屉m然簡單，但是涉及到的因素較多，變形的規(guī)律很難通過模擬仿真和解析計(jì)算獲得，必須通過具體的加工試驗(yàn)和測量才能獲得，而且依照測量出的變形規(guī)律進(jìn)行反變形補(bǔ)償加工時，葉片還會產(chǎn)生新的未知變形，這就需要經(jīng)過較長時間的工藝準(zhǔn)備和大量的測量、加工試驗(yàn)才能完成。

（3）工藝知識性較差。不同的葉片及材料、不同的夾具、工藝流程，甚至采用不同的機(jī)床、刀具及參數(shù)等，都會使葉片產(chǎn)生不同的變形，需要修改補(bǔ)償?shù)臄?shù)值及刀具軌跡，且它們相互之間的規(guī)律性、關(guān)聯(lián)性較差，相互借鑒的價值和工藝知識性較差。

4 采用電解加工控制葉片的變形

改變?nèi)~片的加工方式和加工原理也是控制葉片變形的有效方法。對于葉片加工來說，剛性弱是限制其精度提高的重要因素。因此，國內(nèi)外研究者將化學(xué)銑削、電解加工等無應(yīng)力材料去除加工技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)葉輪葉片型面的加工領(lǐng)域[44-48]?；瘜W(xué)銑削加工是利用化學(xué)腐蝕液對零件表面進(jìn)行均勻腐蝕去除的一種無應(yīng)力材料加工方法。在航空發(fā)動機(jī)葉片的加工領(lǐng)域內(nèi)，主要應(yīng)用于精密鍛造后鈦合金或高溫不銹鋼葉片表面“硬皮”的去除加工，提高葉片后期的機(jī)械加工性能，也可作為葉片型面的最終加工工序，提高加工表面質(zhì)量。但是，化銑只是均勻去除葉片表面（或者局部表面）的一層材料，并不是通過控制葉片型面的變形來提高其輪廓精度。另一方面，化銑容易在鈦合金葉片表面形成氫污染和晶間腐蝕現(xiàn)象，造成葉片不合格，航空企業(yè)目前也逐漸將化銑用于葉片鍛造毛坯后的粗加工。葉片全型面精密電解加工能夠在加工過程中徹底避免葉片型面受到力的作用，從加工機(jī)理出發(fā)，徹底摒除了葉片弱剛性對其加工精度的影響[3]；同時，加工表面不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和加工硬化，也避免了葉片因加工表面殘余應(yīng)力而形成的無規(guī)律變形；另外，電解加工的材料去除率較高，尤其是針對切削性能較差的高性能材料來說，其加工效率高于銑削加工。因此，國內(nèi)外對于葉片全型面的電解加工進(jìn)行了許多研究。葉身全方位電解加工技術(shù)于20世紀(jì)80年代成功地運(yùn)用于美國GE和英國Rolls-Royce公司鎳基渦輪葉片和鈦合金壓氣機(jī)葉片的加工領(lǐng)域。德國MTU、Leistritz公司也采用拷貝式電解加工工藝進(jìn)行葉輪型面的整體加工，如圖7所示。英國的Amchem公司已經(jīng)生產(chǎn)出陰極斜向進(jìn)給、軸向供液的葉片電解加工專用機(jī)床。

國內(nèi)南京航空航天大學(xué)趙建社等[49]采用數(shù)控展成與成形陰極拷貝成形組合的電解加工方法對GH4169整體葉輪進(jìn)行加工，使葉片型面的精度達(dá)到±0.1mm，表面粗糙度1.6μm。朱棟等[44]利用變間隙陰極修正方法，結(jié)合驗(yàn)證性試驗(yàn)的加工結(jié)果對電解陰極進(jìn)行修正，提高葉片型面的加工精度。

圖7 Leistritz 公司葉片和整體葉盤電解加工Fig.7 ECM for blade and blisk of Leistritz

雖然葉片電解加工有許多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些問題，限制了電解加工技術(shù)在葉片加工中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在：（1）精密電解加工的過程較為復(fù)雜，工藝難度極大，調(diào)試時間較長，工藝靈活性較差，不能滿足新型發(fā)動機(jī)葉片快速研制的需要。同時，電解工藝的影響因素很多，工藝自身的加工精度相對較低，尤其是進(jìn)排氣邊的電解加工精度及一致性不能滿足設(shè)計(jì)要求。目前，從已公開的研究成果來看，電解加工能夠使葉片輪廓精度達(dá)到 0.05～0.08mm 左右[45,48,50-52]。（2）葉片精密電解加工設(shè)備非常昂貴，而且電解加工的污染較大，需要有配套設(shè)施和后期的持續(xù)投資來妥善解決三廢處理問題，不利于電解加工工藝的可持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

5 采用超硬磨料砂輪高速磨削加工控制葉片的變形

針對現(xiàn)在航空發(fā)動機(jī)普遍采用的高性能難加工材料高溫鈦合金和鎳基高溫合金加工，超硬磨料砂輪的高速磨削加工方式磨削力小，其優(yōu)勢更為明顯[53-55]。超硬磨料的硬砂輪磨削加工方式以微量去除、磨削力連續(xù)、難加工材料加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)很好地適應(yīng)了發(fā)動機(jī)高性能葉片精密加工的需要[56]。多軸聯(lián)動硬砂輪磨削加工已經(jīng)在國際上多家重要的發(fā)動機(jī)制造公司得到了應(yīng)用，如美國Pratt & Whitney、德國MTU、英國Rolls-Royce等。

在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)的陳志同等[13,57]首先提出利用超硬磨料的砂輪對航空發(fā)動機(jī)葉片全型面進(jìn)行高速磨削加工，利用高速磨削加工方式的微量去除能力，大幅度降低加工過程中葉片的受力。同時，與銑削加工相比，磨削力連續(xù)且穩(wěn)定，在一定程度上抑制了葉片在加工時的顫振。在該方法中，選用北京航空航天大學(xué)與秦川集團(tuán)聯(lián)合研制的五軸聯(lián)動葉片磨床3MK5030磨削葉片，其平動軸定位精度是5μm，重復(fù)定位精度是2μm，旋轉(zhuǎn)軸定位精度是10"，重復(fù)定位精度是5"。在此基礎(chǔ)上，李勛和孟凡軍等進(jìn)一步研究了高性能難加工材料葉片的變形機(jī)理，指出在利用高速磨削加工方法對葉片進(jìn)行全型面加工時，因?yàn)榭梢钥刂颇ハ髁Γ蛊鋵θ~片變形的影響很小，而裝夾變形和殘余應(yīng)力變形才是導(dǎo)致葉片輪廓精度變差的主要因素，因此提出了葉片懸臂高速磨削加工控制葉片變形的新方法。通過將過定位的裝夾改為單端懸臂裝夾，并通過葉片雙面對稱刀軌的加工方法抑制殘余應(yīng)力變形，從而大幅度提高了葉片的加工精度，使中小型葉片的輪廓誤差在±0.02mm以內(nèi)[19]，并將懸臂高速磨削加工控制葉片型面變形的方法成功應(yīng)用于發(fā)動機(jī)葉輪型面的高精度加工領(lǐng)域，使其型面的整體加工誤差在±0.03mm以內(nèi)[58]。加工過程中切削參數(shù)如下：葉片材料為GH4169，砂輪線速度為 25～45m/s，進(jìn)給速度為 600～1000mm/min，切深為0.005～0.04mm之間，徑向磨削力可以控制在3N以內(nèi)，如圖8所示，這是目前國內(nèi)已報(bào)道的研究成果中，利用自動化機(jī)械加工方法使航空發(fā)動機(jī)葉片和葉輪型面所能達(dá)到的最高精度，充分說明利用葉片懸臂高速磨削加工方法及其相應(yīng)的工藝流程可以有效地控制葉片型面的綜合變形。

圖8 超硬磨料懸臂磨削加工葉片F(xiàn)ig.8 Blade in grinding utilizing super abrasive wheels

結(jié)論

航空發(fā)動機(jī)葉輪葉片型面在以銑削加工方式為主，超硬磨料砂輪高速磨削、精密電解及其他精密成形方式并存的情況下，葉片型面的變形控制方法主要有以下幾類：

（1）利用過定位裝夾或輔助支撐裝置控制葉片變形，這種方式能夠有效地提高葉片在加工過程中抵抗切削力變形的能力，從而減小葉片型面的“讓刀”變形。但是，過定位夾具或過定位輔助支撐裝置必然存在制造和裝夾誤差，從而不可避免地使葉片產(chǎn)生一定的裝夾變形，而且這種變形控制方式對于以殘余應(yīng)力變形為主的葉片來說，控制變形的效果較差，只適用于對殘余應(yīng)力變形不敏感的葉片。

（2）利用工藝過程及參數(shù)優(yōu)化控制葉片的變形，具體的實(shí)現(xiàn)方式有多種，比如優(yōu)化葉片型面加工過程中的余量分配、采用對稱加工工藝和自適應(yīng)夾具、優(yōu)選刀具及其切削工藝條件等，這是目前結(jié)合葉片型面銑削加工方式應(yīng)用最廣泛、針對不同葉片特點(diǎn)應(yīng)用最靈活的變形控制手段。同時，其變形控制的機(jī)理具有普遍性，能夠?yàn)槿~片在其他機(jī)械加工方法下的變形控制提供參考。但是，此類葉片變形控制方法的效果受葉片主體加工方式的影響較大，不同的加工方法需要進(jìn)行有針對性的研究和調(diào)整，才能達(dá)到較佳的變形控制效果。

（3）葉片型面綜合誤差補(bǔ)償是一種適應(yīng)性極廣的葉片變形控制方式，在準(zhǔn)確得到葉片型面加工后的變形量及分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過多次適當(dāng)修改葉片的三維模型或刀具加工軌跡來補(bǔ)償葉片的加工誤差，直到加工精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止，最后將整個加工和補(bǔ)償過程規(guī)范化并用于生產(chǎn)。這種變形控制方式適合葉片的大批量生產(chǎn)，但是前期工藝研究時間長，工藝靈活性和知識借鑒性較差，而且對葉片加工的整個工藝流程的穩(wěn)定性和型面精度的測量準(zhǔn)確性要求很高。

（4）通過改變加工方式及原理控制葉片的變形，利用新的加工方法從改變形成葉片變形的本質(zhì)出發(fā)去控制變形。目前主要的方法有兩種：葉片精密電解加工和超硬磨料砂輪高速磨削加工。葉片精密電解加工方式能夠使葉片型面在加工過程中不受到力的作用，同時加工表面不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和加工硬化，從加工機(jī)理上徹底避免了葉片因加工而產(chǎn)生的變形。但是，精密電解因加工機(jī)理的特殊性，其加工精度目前只能達(dá)到0.05～0.08mm左右。超硬磨料砂輪高速磨削加工方式以微量去除、磨削力連續(xù)等特點(diǎn)大幅降低了磨削力，并很好地抑制加工過程中的顫振現(xiàn)象，很好地控制了葉片因受力而形成的“讓刀”變形；同時，結(jié)合砂輪磨削加工軌跡優(yōu)化，利用葉片懸臂高速對稱磨削加工工藝方法將過定位的裝夾改為單端懸臂裝夾，并通過葉片雙面對稱刀軌的加工方法抑制殘余應(yīng)力變形，從而大幅度提高了葉片的加工精度，為中小型葉片型面的綜合變形控制提供了一條行之有效的工藝方法。但是，進(jìn)行大批量的生產(chǎn)應(yīng)用，其相應(yīng)的設(shè)備和磨削工藝還需進(jìn)一步研究。

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