航空發(fā)動機整體葉盤加工工藝分析

齊躍舉 蘇寶華 鄭玉成

摘 要：航空發(fā)動機制造是一個國家高端制造業(yè)的集中體現(xiàn)，當(dāng)前我國航空產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展對于航空發(fā)動機的需求大幅增加，積極研發(fā)與應(yīng)用航空發(fā)動機機械加工新技術(shù)，在保障航空發(fā)動機機械加工質(zhì)量的同時有效地提高航空發(fā)動機機械加工效率對于保障航空發(fā)動機的供應(yīng)有著極為重要的意義。葉盤是航空發(fā)動機中的重要組件，整體葉盤機械加工能夠有效地避免榫頭、榫槽間的微動磨損、微觀裂紋等缺陷，對于提高航空發(fā)動機的使用性能和使用壽命有著極為重要的意義。本文在分析航空發(fā)動機整體葉盤機械加工特點的基礎(chǔ)上對航空發(fā)動機整體葉盤常用的加工技術(shù)進行分析闡述。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；整體葉盤；機械加工

中圖分類號：V23 文獻標(biāo)志碼：A

0 前言

整體葉盤應(yīng)用于航空發(fā)動機中能夠有效地提高航空發(fā)動機的使用性能和使用的可靠性。但是相對的航空發(fā)動機整體葉盤機械加工也面臨著較大的困難和挑戰(zhàn)，航空發(fā)動機整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是航空發(fā)動機整體葉盤的葉片型面為自由曲面，葉片厚度薄帶來的是航空發(fā)動機整體葉盤葉片的整體剛性較差，航空發(fā)動機整體葉盤葉片容易在機械加工中產(chǎn)生變形進而影響航空發(fā)動機整體葉盤的機械加工質(zhì)量。此外，受航空發(fā)動機整體葉盤結(jié)構(gòu)限制在機械加工中發(fā)生干涉現(xiàn)象較為嚴(yán)重，相較于普通的盤片分離結(jié)構(gòu)航空發(fā)動機整體葉盤機械加工所面臨的困難更大，應(yīng)當(dāng)積極做好航空發(fā)動機整體葉盤加工技術(shù)的研究與應(yīng)用，提高航空發(fā)動機整體葉盤的加工質(zhì)量與加工效率。

1 航空發(fā)動機整體葉盤的結(jié)構(gòu)與加工特性

航空發(fā)動機整體葉盤從結(jié)構(gòu)形式上主要分為整體式和焊接式兩大類，焊接式采用的是對葉片進行單獨加工并在后期采用電子束焊、線性摩擦焊或是真空固態(tài)擴散聯(lián)結(jié)等的焊接技術(shù)將前期加工的葉片焊接至葉盤。采用焊接式加工時對于葉片焊接質(zhì)量要求較高，其直接影響著航空發(fā)動機整體葉盤的使用性能和可靠性。整體式葉盤是航空發(fā)動機整體葉盤的主要結(jié)構(gòu)形式，在對整體式葉盤加工制造主要依靠的是機械加工，加工時采用整體材料或是鍛造的毛坯件進行加工，在這一過程中材料去除余量主要是依靠通道粗加工完成的，通道粗加工與航空發(fā)動機整體葉盤的加工效率密切相關(guān)，應(yīng)當(dāng)積極做好航空發(fā)動機整體葉盤通道粗加工技術(shù)的研究與應(yīng)用，以便有效地提高航空發(fā)動機整體葉盤的加工效率，縮短加工周期。

2 航空發(fā)動機整體葉盤通道加工工藝

航空發(fā)動機整體葉盤通道加工可以采用多種加工工藝與加工方法，不同的加工方法有其應(yīng)用的特點與缺陷，本文將就航空發(fā)動機整體葉盤通道加工中所能夠采用的加工工藝方法等進行介紹。

（1）機械銑削加工

機械銑削加工是航空發(fā)動機整體葉盤通道加工所采用的最普遍也是最主要的加工技術(shù)，在對航空發(fā)動機整體葉盤通道進行機械銑削加工中可以分為側(cè)銑、插銑和擺線銑等銑削方式。側(cè)銑是普遍采用的銑削方法，側(cè)銑中采用分層銑削的方式，側(cè)銑加工中銑刀側(cè)刃與材料相接處，銑刀將主要承受來自于側(cè)刃的徑向切削力，隨著銑削深度的增加刀具所承受徑向力的加大銑刀將在徑向力的作用下發(fā)生變形、震顫，這一問題的產(chǎn)生不僅僅會影響刀具的使用壽命，同時也會對航空發(fā)動機整體葉盤通道的銑削質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。插銑是一種應(yīng)用于航空發(fā)動機整體葉盤通道粗加工的高效粗加工方式，現(xiàn)今正越來越多地應(yīng)用于大余量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的粗加工中并取得了較為良好的粗加工效果。

插銑是Z軸銑削法的另一種叫法。在航空發(fā)動機整體葉盤通道粗加工中應(yīng)用插銑時，銑刀將主要在Z軸方向進行進給利用銑刀底刃在工件表面進行鉆銑的組合切削，插銑加工方法在航空發(fā)動機整體葉盤通道粗加工中應(yīng)用時主要采用的是直紋面逼近自由曲面，通過這一方式銑刀所受到的切削力相對較為穩(wěn)定刀具受到的變形較小可以保持較為穩(wěn)定的切削。

不論是采用小幅進給還是在增大側(cè)向步距的情況下插銑都能夠保持較為穩(wěn)定的切削，尤其是在插銑的過程中銑刀于零部件的接觸面較小進而使得切削表面溫度較低，對于航空發(fā)動機整體葉盤通道所使用的鈦合金、高溫合金等材料的金屬部件插銑加工方式所取得的效果更好且切削效率更高。擺線銑指的是銑削加工時銑刀在高速自轉(zhuǎn)的同時將沿著由圓弧和直線所組成的擺線運動軌跡進行進刀。擺線銑在航空發(fā)動機整體葉盤通道機械加工中應(yīng)用時可以使得銑刀與工件的接觸角減小，在使得銑刀的切削效率進一步提高的同時對于刀具的磨損量大幅減少。

（2）電火花加工

電火花加工相對于機械銑削加工能夠獲得更好的復(fù)雜曲面加工效果，但是相對于銑削加工電火花加工的加工效率較低，尤其是在加工的過程中，由于電極損耗會使得電火花加工的精度降低，在加工中需要經(jīng)常更換加工電極，從而進一步提高了航空發(fā)動機整體葉盤通道的加工成本。此外，電火花加工會在航空發(fā)動機整體葉盤通道表面形成再鑄層影響航空發(fā)動機整體葉盤通道加工后的疲勞壽命。受制于上述影響因素電火花加工技術(shù)在航空發(fā)動機整體葉盤通道加工中應(yīng)用極少。

（3）電化學(xué)加工

電化學(xué)加工主要利用的是金屬在電解液中陽極溶解的特性，在應(yīng)用電化學(xué)加工技術(shù)時，陰極部分并不會產(chǎn)生損耗，且加工中工件不會受到切削力、加工熱等的影響，降低了航空發(fā)動機整體葉盤通道加工后的殘余應(yīng)力。因此，電化學(xué)加工法是一種優(yōu)秀的航空發(fā)動機整體葉盤通道加工方法，在電化學(xué)加工中主要有電解套料、仿形電解加工以及數(shù)控電解加工等幾種加工技術(shù)。上述幾種技術(shù)各有特點，其中數(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，利用數(shù)控控制能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動機整體葉盤通道復(fù)雜曲面的加工，是航空發(fā)動機整體葉盤通道加工重要的發(fā)展方向之一，但是現(xiàn)今在電化學(xué)加工技術(shù)應(yīng)用中最大的不足是電化學(xué)加工技術(shù)的加工精度仍然較低，限制了其在航空發(fā)動機整體葉盤通道加工中的應(yīng)用。

3 插銑和擺線銑在航空發(fā)動機整體葉盤通道加工中的工藝性分析

插銑相比于側(cè)銑在加工精度、加工效率以及刀具磨損量控制方面都有著較大的優(yōu)勢。在現(xiàn)今的航空發(fā)動機整體葉盤通道機械加工中，插銑得到了較為廣泛的應(yīng)用。插銑加工技術(shù)應(yīng)用中通過直紋包絡(luò)面逼近整體葉盤葉片的自由曲面，采用插銑工藝進行航空發(fā)動機整體葉盤通道的粗加工，插銑工藝應(yīng)用時刀具受到的徑向力更加均勻，從而有效地避免了刀具在加工中因徑向切削力而導(dǎo)致的刀具震顫，且加工效率最大能夠提升約100%，尤其是對于采用長伸長量的銑刀進行插銑加工時插銑相對于側(cè)銑這一優(yōu)勢更加明顯。擺線銑加工技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機整體葉盤通道機械加工時，由于擺線銑的進給特點其在進給時刀具的進給速度以及瞬時切削厚度都較低，由于采用的是圓弧運動，其相較于側(cè)銑和插銑受到的徑向切削力更小，刀具受到的沖擊更低，能夠?qū)娇瞻l(fā)動機整體葉盤通道進行更高質(zhì)量的表面加工。

4 對稱螺旋銑在航空發(fā)動機整體葉盤葉片銑削精加工中的應(yīng)用

對稱螺旋銑削加工利用螺旋線刀具在航空發(fā)動機整體葉盤葉片兩側(cè)以一個螺旋周期為基準(zhǔn)對航空發(fā)動機整體葉盤葉片進行“對稱”加工，從而實現(xiàn)均勻地從航空發(fā)動機整體葉盤葉片兩側(cè)完成材料切除加工，對稱的加工力可以有效地減少機械加工所形成的機械加工殘余應(yīng)力，并減少或是避免因機械加工殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的變形。在對航空發(fā)動機整體葉盤葉片進行機械加工時，還可以采用高速銑削機械加工技術(shù)，利用高速銑削技術(shù)將能夠有效地減小銑削力以及工藝系統(tǒng)的被迫振動，提高薄壁葉片加工精度。

5 航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣加工誤差補償技術(shù)

航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣的加工精度對航空發(fā)動葉盤工作時的氣動性能會產(chǎn)生直接而重要的影響。當(dāng)前，航空發(fā)動機在氣動性能方面有著更高的要求，航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣的厚度在設(shè)計時越來越薄，航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣圓弧半徑甚至于在0.1mm以內(nèi)，而一些航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣在設(shè)計時為了滿足高氣動性能，其還采用了橢圓形的航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣結(jié)構(gòu)，而這一結(jié)構(gòu)將會對航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣機械加工帶來極大的難度，非規(guī)則機械加工將會加大加工中所產(chǎn)生的誤差。

由于航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣厚度較薄，在對航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣進行加工的過程中航空發(fā)動機整體葉盤葉片及刀具均會發(fā)生形變，刀具觸點的實際位置與理論位置之間存在一定的偏差，致使加工后的航空發(fā)動機整體葉盤葉片尺寸超差。在實際的加工中，可以利用航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣補償技術(shù)，通過反復(fù)試驗和計算確定航空發(fā)動機整體葉盤葉片加工后誤差變化規(guī)律，并以此規(guī)律為基準(zhǔn)重新對航空發(fā)動機整體葉盤葉片加工程序進行編程，通過在航空發(fā)動機整體葉盤葉片加工程序中預(yù)留補償量來提高航空發(fā)動機整體葉盤葉片前后緣的加工精度。

在完成了對于航空發(fā)動機整體葉盤的機械加工后，需要對加工后的航空發(fā)動機整體葉盤進行光飾處理，用以消除航空發(fā)動機整體葉盤機械加工刀痕或是走刀痕跡的反光現(xiàn)象，提高航空發(fā)動機整體葉盤加工后的表面光潔度。

結(jié)語

航空發(fā)動機整體葉盤是航空發(fā)動機中的重要組成部件，做好航空發(fā)動機整體葉盤的機械加工對于提升航空發(fā)動機的推重比與燃油效率有著極為重要的意義。尤其是當(dāng)前對于航空發(fā)動機的需求量大幅增加需要積極做好航空發(fā)動機整體葉盤通道加工技術(shù)的研究與應(yīng)用。航空發(fā)動機整體葉盤通道加工難度大、復(fù)雜度較高。本文在分析航空發(fā)動機整體葉盤通道加工特點的基礎(chǔ)上對航空發(fā)動機整體葉盤通道常用的加工方法進行了對比分析。

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