航空發(fā)動機葉片的生產(chǎn)制造技術

董艇艦，倪振飛

（中國民航大學，天津 300300）

航空發(fā)動機葉片的生產(chǎn)制造技術

董艇艦，倪振飛

（中國民航大學，天津 300300）

航空發(fā)動機葉片是飛機的主要承力部件，對發(fā)動機的性能起著關鍵的作用。航空發(fā)動機的性能很大程度上取決于葉片質(zhì)量，葉片的質(zhì)量對發(fā)動機的安全性和可靠性有著直接影響。葉片最終成形一直是航空發(fā)動機制造中的瓶頸技術，本文從葉片使用材料、葉片的加工與拋光以及葉片的檢測三個方面來介紹發(fā)動機葉片的生產(chǎn)過程。對比了國內(nèi)外發(fā)動機的生產(chǎn)水平。

發(fā)動機葉片；材料；葉片加工與拋光；葉片檢測

1 航空發(fā)動機葉片的使用材料

1.1 渦輪葉片材料的發(fā)展

發(fā)動機葉片材料的第一次革命開始于高溫合金的成功研制，憑借其優(yōu)異的高溫使用性能全面代替了高溫不銹鋼，極大的提高了葉片的使用溫度，達到了800 ℃ 水平。發(fā)動機葉片材料的第二次革命開始于定向凝固高溫合金的成功研制，定向凝固高溫合金通過控制結晶生長速度，使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長，改善了合金的強度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，使葉片的使用溫度達到了 1000 ℃水平。定向凝固技術發(fā)展為單晶合金，進一步提高了發(fā)動機葉片的耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性。以第一代單晶合金為基礎，又研發(fā)出了第二代單晶合金，使其工作溫度提高了30 ℃。第三代單晶合金，使得葉片的高溫蠕變強度得到極大提高，高溫使用壽命也大大提高，其高溫使用壽命可達到150小時，是第一代單晶合金壽命的十幾倍。第四代單晶合金進一步提高了葉片的使用溫度，可達到了1200 ℃，高溫下的持久壽命相比于前幾代單晶合金也有了很大提高。各代的單晶成分如表1所示。

1.2 我國航空發(fā)動機鑄造渦輪葉片發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀

我國航空產(chǎn)業(yè)起步較晚，發(fā)動機葉片的研制也長期處于落后水平，從20世紀70年代開始，以我國的資源條件和技術水平為基礎，仿制和研制了一系列的鎳基鑄造高溫合金，其性能基本達到了我國的使用要求。經(jīng)過多年發(fā)展，目前的鎳基高溫合金已制成多種渦輪葉片，并且在1173～1223K的溫度下，能夠持久穩(wěn)定地工作。為進一步提高葉片的使用溫度，在現(xiàn)有鎳基高溫合金的基礎上，成功研制了強制空冷的空心鑄造渦輪葉片，經(jīng)過不斷的試驗改進，葉片的使用溫度顯著提高 ，提高了發(fā)動機性能，特別是發(fā)動機的推力得到顯著提高。近年來，我國的單晶合金葉片的研制也取得了巨大進展。

2 航空發(fā)動機葉片的加工制造

2.1 葉片的數(shù)控加工方法

葉片的葉身部分由復雜曲面組成，這極大的增加了葉片的加工難度。按照曲面的成形原理可將曲面分為直紋面和非直紋面。其中直紋面又可分為可展直紋面和不可展直紋面。葉片數(shù)控加工方法可分為點銑法和側銑法。點銑法的銑削原理是由點匯成線，由線組成面，其加工要點是在切削過程中刀刃與被加工曲面始終保持一點相切。點銑法主要適用于自由曲面的葉片加工。點銑法加工有精度高、葉片設計型面的一致性高、氣動性能好的優(yōu)點。也有加工效率低下、刀具磨損嚴重的不足之處。

側銑法的銑削原理是利用銑刀刀刃的母線在加工中形成的包絡面來逼近曲面成形，其加工要點是切削過程中刀具的側刃與被加工曲面始終保持接觸。側銑法主要適用于直紋面型葉片。側銑法具有葉片的表面粗糙度好，葉片的加工效率高,生產(chǎn)成本低的優(yōu)點。

2.2 航空發(fā)動機葉片的拋光技術

葉片形狀、表面粗糙度對整個發(fā)動機的效率產(chǎn)生很大影響，我國目前的發(fā)動機葉片拋光工作主要是由手工完成，由于拋光操作人員的操作技巧和熟練程度不同，葉片的型面精度、 表面質(zhì)量必然會產(chǎn)生誤差，給葉片拋光精度的控制造成了較大困難。因而，開展葉片自動化拋光技術的研究，對我國的航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義。

表1 四代單晶合金成分變化

目前， 航空發(fā)動機葉片拋光的技術主要存在以下幾個難點：

（1）葉片的加工余量不均勻。

（2）葉片邊緣曲率半徑很小。

（3）轉接圓弧的形狀復雜且半徑很小。葉片拋光技術主要包括砂輪磨削和砂帶磨削兩類。當前，磨削加工精度和加工效率都很高，這得益于超硬磨料立方氮化硼和人造金剛石砂輪的應用。超硬磨料砂輪具有加工的優(yōu)點有：工件表面質(zhì)量高、發(fā)熱小、不易燒傷工件等，適用于葉片等精密件的高效加工。

砂帶磨削技術作為一種新型磨削技術，也是不斷發(fā)展的，它的發(fā)展過程可分為三個階段：手工打磨、半機械化、機械化磨削。由于砂帶磨削的機械機構比較靈活，能夠實現(xiàn)各類復雜自由曲面的精密或超精密加工。其磨削結構如圖1所示。

圖1 砂帶磨削結構示意圖

3 航空發(fā)動機葉片的質(zhì)量檢測

葉型檢測難點具體表現(xiàn)為 ：

（1）對測 量的 精 度 和 效 率 要 求 高。一般會達到微米級。

（2）對測量的可靠性要求高。

（3）測量數(shù)據(jù)處理過程復雜。

測量數(shù)據(jù)的采集、模型配準方法和誤差評定模型的不同，對葉片測量的精度和可靠性會產(chǎn)生很大影響。

①數(shù)據(jù)采集。提高葉片表面數(shù)據(jù)采集的精度，是確保檢測質(zhì)量的前提。

②模型匹配是確保檢測質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)。找到測量數(shù)據(jù)與曲面造型的對照點， 使測量點的坐標系與模型坐標系對齊是模型匹配的要點。

③誤差評定。誤差評定的內(nèi)容包括葉型參數(shù)誤差和形位誤差兩種， 其中形位誤差是誤差評定的關鍵參數(shù)。

目前，我國多數(shù)葉片生產(chǎn)單位仍然采用傳統(tǒng)的標準樣板測量， 該法具有精度差，效率低等問題，嚴重制約了航空發(fā)動機的發(fā)展。我們應該學習西方先進的檢測技術，大力推廣三坐標測量檢測技術。葉片制造過程中檢測周期長、檢測結果不準確的問題可以通過三坐標測量檢測技術得到很好的解決。

4 結語

隨著航空業(yè)的不斷發(fā)展，對發(fā)動機葉片的使用壽命提出了更高的要求，這無疑會增加葉片的加工制造的難度。本文的目的在于給參與發(fā)動機葉片制造的科研工作者們提供一個新的思路。

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1671-0711（2016）11（下）-0176-02

“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項課題，課題編號：2013ZX04001071。