航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形因素分析及控制

李碩

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)國(guó)家工業(yè)實(shí)力的重要體現(xiàn)，同時(shí)也是科學(xué)技術(shù)的結(jié)晶。做好航空發(fā)動(dòng)機(jī)的加工制造對(duì)于提升一個(gè)國(guó)家的航空實(shí)力有著極為重要的意義。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過(guò)程中，葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中極為重要的一環(huán)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)于加工精度和葉片的穩(wěn)定性要求極高，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的曲面較大且對(duì)于葉片的型面輪廓精度要求較高，從而使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造速度和表面加工質(zhì)量很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為做好航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工，應(yīng)當(dāng)在總結(jié)分析造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形因素的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的控制方法，確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工效率和加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；葉片；變形；控制措施

中圖分類號(hào)：V225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，其對(duì)應(yīng)加工的精度和質(zhì)量有著極高的要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的加工量占據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工量的約3成左右，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)由于受加工設(shè)備、工藝等多方因素的影響致使航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工長(zhǎng)期受阻嚴(yán)重影響了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量和制造效率。通過(guò)相關(guān)研究表明，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工過(guò)程中在0.025mm的輪廓精度時(shí)如將航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面粗糙度降低將能夠使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率得到提升?？傮w來(lái)說(shuō)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過(guò)程中，需要采取合理的措施來(lái)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的型面加工精度和加工質(zhì)量，從而使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率得到提升并降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。

1.現(xiàn)階段我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工現(xiàn)狀及葉片加工變形因素分析

新時(shí)期以來(lái)我國(guó)的航空事業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展期，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求也在不斷地增加。尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的基礎(chǔ)材料的進(jìn)步使得我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所使用的材料逐漸地由鈦合金、鎳基高溫合金逐漸向著金屬基復(fù)合材料及陶瓷基復(fù)合材料等方面進(jìn)行過(guò)渡。同時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的扭角更大、厚度更薄從而對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的輪廓加工精度和表面加工質(zhì)量提出了更高的要求?，F(xiàn)今在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造中，由于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的大量應(yīng)用及數(shù)控編程理論的不斷深入，從而使得在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造中對(duì)于高剛性復(fù)雜曲面自由度的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片已經(jīng)能夠達(dá)到較高的加工精度，而弱剛性葉片則是未來(lái)一段時(shí)間航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工質(zhì)量提升的發(fā)展方向。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面的變形影響因素主要有以下幾個(gè)方面：（1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在加工制造的過(guò)程中受到切削力的影響而導(dǎo)致的變形。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造中由于葉片屬于典型的薄壁弱剛性零件，其在加工制造的過(guò)程中容易受到數(shù)控機(jī)床切削力的作用而使得葉片加工時(shí)產(chǎn)生“讓刀”變形。此外，現(xiàn)今航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工中所使用的高溫不銹鋼、高溫鈦合金等材料在切削加工性方面較大也會(huì)在機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生“讓刀”變形問(wèn)題。其中變形性較大的位置多發(fā)生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的葉尖和進(jìn)排氣邊緣等剛性較差的位置。此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片本身所具有的復(fù)雜型面將會(huì)使得各部之間的剛度分布不均，從而使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在加工過(guò)程中受力變形未能呈現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性，從而為控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工中的變形帶來(lái)了不小的困難。（2）在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工過(guò)程中，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的過(guò)定位支撐，或是裝夾誤差所導(dǎo)致的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形的重要因素之一。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工過(guò)程中為了增加葉片的剛性多采用的是在完全對(duì)葉片進(jìn)行定位夾緊的情況下增加對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的輔助支撐從而間接地對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的剛性進(jìn)行提升。通過(guò)這一方式能夠滿足一般精度航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工需求，并在實(shí)際的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工中取得了較為良好的加工效果。但是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工中應(yīng)用這一裝夾方式必然會(huì)引入新的裝夾誤差，尤其是對(duì)于較高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工精度要求時(shí)這一影響將變得尤為突出。（3）除了上述兩項(xiàng)影響因素外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造過(guò)程中由于加工表面殘余應(yīng)力也是影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形的重要因素?，F(xiàn)今在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造過(guò)程中，高溫鈦合金和鎳基高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片渦輪葉片葉輪的主要材料，盡管上述兩種材料有著很好的耐高溫性，但是在實(shí)際的加工中上述兩種材料在熱處理后將會(huì)導(dǎo)致其切削加工的性能極差，從而使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)械加工中葉片的型面和加工質(zhì)量較差，并影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面的硬度和殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工后將會(huì)導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力變形，從而影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的型面加工精度和質(zhì)量。

2.控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形的方法

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工過(guò)程中為較好的控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在加工中的變形可以通過(guò)采用改變裝夾方式、工藝以及優(yōu)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的數(shù)控加工參數(shù)或是估計(jì)變形誤差并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)鹊姆绞絹?lái)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工質(zhì)量。

2.1提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工時(shí)的裝夾方式控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工變形量

為降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工受力所引起的切削變形最直接的方法是通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行過(guò)定位裝夾或是輔助支撐的方式來(lái)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的剛性，從而減小航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工時(shí)所產(chǎn)生的受力變形。這一方式也是現(xiàn)今航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工中應(yīng)用最為廣泛的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形控制方式。通過(guò)研究表明在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工裝夾中采用雙端過(guò)定位輔助裝夾能夠使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的抵抗受力變形能力得到大幅的提升。此外還可以采用在葉尖工藝臺(tái)輔助支撐，軸向不向葉片施加作用力的裝夾方式。此外，國(guó)內(nèi)外都對(duì)改進(jìn)裝夾方式來(lái)減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的裝夾變形?？傮w來(lái)說(shuō)，盡“讓刀”變形，但是在這一過(guò)程中會(huì)使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片產(chǎn)生一定程度的過(guò)定位裝夾變形。此外，采用輔助裝夾的方式無(wú)法對(duì)葉片殘余應(yīng)力變形進(jìn)行控制。因此，此種方法多應(yīng)用于殘余應(yīng)力變形較小的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工。

2.2改進(jìn)工藝優(yōu)化加工參數(shù)控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工變形

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工中葉片加工“讓刀”變形的最主要原因是由于葉片的剛性較差，在優(yōu)化加工參數(shù)的方式下，傳統(tǒng)的加工方式采用的是逐層去除葉片余量的加工方式，國(guó)內(nèi)提出了一種葉片型面非均勻余量剛度補(bǔ)償方法用以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工精度進(jìn)行控制。此外，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工過(guò)程中還可以通過(guò)利用對(duì)稱加工工藝和自適應(yīng)夾具的加工方式來(lái)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工時(shí)的殘余應(yīng)力變形加以控制。一般來(lái)說(shuō)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工中所采用的單面銑削加工工藝會(huì)使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工表面處于非平衡狀態(tài)，從而使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在加工時(shí)極易產(chǎn)生彎扭變形，而通過(guò)采用對(duì)稱加工的方式將能夠有效地對(duì)單面加工所引起的加工變形進(jìn)行規(guī)避，減小航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在加工時(shí)所產(chǎn)生的彎曲變形量，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工精度。除了上述加工方式外，通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化也能夠提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的型面加工質(zhì)量，減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工中因變形對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工精度所造成的影響。此外， 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工過(guò)程中還可以通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工精度。

結(jié)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工進(jìn)度對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率和使用壽命有著極為重要的影響。本文在分析影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面加工精度因素的基礎(chǔ)上對(duì)如何采取合理的措施來(lái)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工質(zhì)量進(jìn)行了介紹。

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