航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形因素分析及控制研究

陳亞莉 李翊萌

摘 ?要：葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，其加工質(zhì)量直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。但在葉片實(shí)際加工過(guò)程中，在多種加工因素的影響下，很容易出現(xiàn)加工精確度難以達(dá)到預(yù)設(shè)要求的現(xiàn)象，這種問(wèn)題勢(shì)必會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，削弱現(xiàn)實(shí)價(jià)值，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全。鑒于此，文章結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工現(xiàn)狀及誘發(fā)加工變形因素的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)控制措施作出研究與分析，以期與同行分享實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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

中圖分類號(hào)：V263.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）02-0097-02

Abstract： Blade is an important part of aero-engine， and its processing quality directly affects the comprehensive performance of aero-engine. However， in the actual machining process of the blade， under the influence of a variety of processing factors， it is easy to meet the preset requirements of machining accuracy. This problem is bound to affect the performance of the engine and weaken the practical value. In serious cases， it will affect the safety of the engine. In view of this， on the basis of the present situation of aero-engine blade processing and induced machining deformation factors， this paper studies and analyzes the relevant control measures in order to share practical experience with peers.

Keywords： aero-engine; blade processing; deformation factors; control measures

壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)件，壓氣機(jī)內(nèi)的葉片級(jí)數(shù)多，數(shù)量大。在以上數(shù)目龐大葉片的支撐下，發(fā)動(dòng)機(jī)才能更有效的將多種功能充分發(fā)揮出來(lái)。性能良好的葉片完成發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣的壓縮和膨脹，利于以上作用形成產(chǎn)生飛行動(dòng)力，在飛行動(dòng)力支撐下飛機(jī)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。鑒于葉片具有數(shù)量大、形狀多樣的特征，加工實(shí)踐中，造成葉片形體發(fā)生改變的因素也眾多。如何制造出質(zhì)量合格的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是加工中的重點(diǎn)，核心工作的是減少或規(guī)避影響因素。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工現(xiàn)狀

近些年，我國(guó)材料學(xué)、工程學(xué)相關(guān)技術(shù)有很大發(fā)展，很多高新基礎(chǔ)材料被用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域中，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)步入一個(gè)新臺(tái)階有較明顯的促進(jìn)作用，制造葉片的材料也有很大改觀，金屬基、陶瓷基復(fù)合材料逐漸將鈦合金、鎳基高溫合金取而代之[1]。還也拓展了葉片的扭角范圍，并朝著超薄方向“進(jìn)軍”，在這樣的工況下，對(duì)葉片外部輪廓加工精確度與表層加工質(zhì)量提出更高的要求，因?yàn)榇笈渴褂昧宋遢S聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床并且數(shù)控編程理論研究深度的拓展，有益于提升高剛性復(fù)雜曲面葉片加工的精確度。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形因素分析

2.1 切削力導(dǎo)致的“讓刀”變形

在機(jī)械加工進(jìn)程中，刀具與加工零件兩者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生切削力，故而加工零件形體改變的概率也會(huì)相應(yīng)增加，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工也亦如此，構(gòu)件變形問(wèn)題難以完全規(guī)避。并且目前葉片加工時(shí)采用薄壁的弱剛性材結(jié)構(gòu)，在切削力作用下，該種材料出現(xiàn)“讓刀”變形的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)相應(yīng)增加[2]。因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)葉片造型復(fù)雜，加工難度較大，這也造成在加工期間，不同位置承受的“讓刀”變形量大小有別，多數(shù)情況下葉片葉尖與進(jìn)排氣邊位置的變形量較大，而其他部位的變形程度相對(duì)輕微，這是造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工過(guò)程中易出現(xiàn)不勻稱性變形的主要原因，這種不均稱性變形最終會(huì)降低產(chǎn)品加工的精確度。

2.2 裝夾導(dǎo)致的變形

固定裝夾是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工的首要步驟，在這一過(guò)程中會(huì)使葉片形體發(fā)生不同程度的改變。從某種程度上分析，裝夾變形為葉片加工期間不能徹底規(guī)避的一種變形因素，在加工普通零件時(shí)，其形成的影響偏小，但對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片這一特殊零件而言，其形成的影響是不可忽視的。為提升葉片的剛性，通常會(huì)在確保葉片100%被定位夾緊的狀態(tài)下，增加對(duì)葉片的輔助支撐力，進(jìn)而間接性的增強(qiáng)其剛度，保證產(chǎn)品剛度、強(qiáng)度指標(biāo)符合航空事業(yè)發(fā)展需求。以上操作僅能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片最基本的加工精度要求，取得的加工效果也是可觀的。但是將以上裝夾固定方法導(dǎo)入生產(chǎn)制造實(shí)踐中，勢(shì)必會(huì)誘導(dǎo)新的裝夾誤差，特別是那些對(duì)精度提出嚴(yán)格要求的葉片，裝夾誤差形成的影響是顯而易見的，這是加工實(shí)踐中應(yīng)著重控制的因素之一[3]。

2.3 刀具磨損誘發(fā)的變形

刀具被磨損屬于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的常見現(xiàn)象之一，特別是對(duì)于鈦合金或鎳基高溫合金，磨損現(xiàn)象更為顯著，以上兩類材料是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)中大規(guī)模使用的材料類型。在切削期間若刀具變形，則固然會(huì)干擾到加工切削的常態(tài)，進(jìn)而造成加工中葉片型面與加工質(zhì)量整體偏低，也會(huì)降低葉片表面的硬度與殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力還會(huì)在葉片加工后出現(xiàn)較明顯的殘余應(yīng)力變形，此時(shí)型面加工精確度與質(zhì)量會(huì)同步降低。

3 控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形因素的有效方法

3.1 利用裝夾形式控制葉片變形

在葉片加工期間，由切削引起的“讓刀”變形情況難以完全規(guī)避，為了將其對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量形成的影響降至最低水平，最簡(jiǎn)潔、直接方法就是對(duì)葉片實(shí)施定位裝夾或輔助支撐，其能間接提升葉片的剛性指標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低葉片受力變形情況發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)下，在很多加工企業(yè)生產(chǎn)中，多采用以上兩種形式保證受力變形控制的有效性。通過(guò)深度分析在懸臂裝夾與雙端裝夾兩種不同狀態(tài)下葉片的變形與對(duì)應(yīng)的分布規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用雙端過(guò)定位輔助裝夾能更有效的增強(qiáng)葉片抗受力變形的能力，能夠使高溫合金葉片的銑削加工變形量<0.05mm。在長(zhǎng)期的實(shí)踐中指出，可以采用葉片根部裝夾，葉尖位置進(jìn)行頂尖支撐，并在數(shù)個(gè)支撐螺桿的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)對(duì)葉身型面的有效支撐，這是明顯提升葉片銑削加工剛度的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片“讓刀”變形問(wèn)題的有效規(guī)避。

為有效減少與規(guī)避由過(guò)定位裝夾或輔助支撐裝備誘導(dǎo)的加工偏差而降低產(chǎn)品的精確度，有研究人員建議采用低熔點(diǎn)合金對(duì)葉片行全面包裹支撐的方法，實(shí)質(zhì)上就是將融化的低熔點(diǎn)合金澆灌于葉片型面周邊，發(fā)揮輔助支撐的作用。低熔點(diǎn)合金的優(yōu)勢(shì)在于融化溫度低，可有效規(guī)避在受力因素作用下葉片發(fā)生變形，有益于提升加工的精確度。但低熔點(diǎn)合金易污染葉片表面，后續(xù)清洗階段流程復(fù)雜，且易對(duì)生態(tài)環(huán)境形成較明顯的污染，故而該種輔助支撐方法不易推廣。整體分析，采用夾具及輔助支撐法在控制葉片“讓刀”變形問(wèn)題方面體現(xiàn)出較好效能，但葉片過(guò)定位裝夾變形的情況難以完全規(guī)避，在具體實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合葉片加工精度的要求去設(shè)定夾具及輔助支撐對(duì)應(yīng)的精確度。定位裝夾與支撐在控制殘余應(yīng)力變形方面表現(xiàn)出力不從心，但其可以被用在殘余應(yīng)力變形較小的葉片產(chǎn)品加工領(lǐng)域中。

3.2 優(yōu)化工藝及加工參數(shù)去控制葉片變形

（1）采用加工余量配置調(diào)整產(chǎn)品加工工藝，有益于提升葉片加工的剛性：剛性偏低是誘導(dǎo)葉片出現(xiàn)加工變形的主要原因之一，以工藝手段為支撐，提高葉片剛性是規(guī)避形變的有效方法之一。以往采用的加工方法是逐層去除葉片余量，最近幾年中國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出提高加工余量補(bǔ)償?shù)男问綄?duì)控制變形問(wèn)題，并以葉片原始截面線為基礎(chǔ)，打造出精加工型工藝模型，這樣去保證精加工整體余量恒定狀況下，提升葉片產(chǎn)品的加工剛度水平，這在很大程度上能減少?gòu)澢团まD(zhuǎn)變形量。

（2）針對(duì)葉片殘余應(yīng)力變形，采用對(duì)稱加工工藝與自適應(yīng)夾具予以控制。面銑削加工是葉片的常規(guī)加工工藝，即對(duì)葉盆或葉背部位先行加工，繼而對(duì)另一側(cè)面進(jìn)行加工。在這種工藝條件下，葉盆、葉背型面的加工表面殘余應(yīng)力兩者并沒(méi)有形成“平衡杠桿”，對(duì)葉片型面彎扭變形情況的發(fā)生有顯著的促進(jìn)作用。

建議在葉片加工中采用雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)給葉片兩端的圓柱榫頭供應(yīng)六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其作用是保證加工期間形成（如圖1所示），實(shí)現(xiàn)葉片在加工過(guò)程殘余應(yīng)力變形情況后釋放的時(shí)效性，還能在短時(shí)間內(nèi)再次夾緊葉片，以此方式確保葉片加工期間始終維持內(nèi)部無(wú)應(yīng)力作用的裝夾狀態(tài)，即便是在加劇與輔助裝備移除后也能確保葉片產(chǎn)品加工精度和裝夾時(shí)無(wú)顯著差異，這是實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片殘余應(yīng)力變形問(wèn)題控制的有效方法之一。

（3）優(yōu)化工藝參數(shù)去減少葉片的形變。在葉片加工過(guò)程中，過(guò)定位裝夾和輔助支撐法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題的絕對(duì)控制，為彌補(bǔ)如上不足，并更有效提升葉片外部輪廓加工精度，有研究人員對(duì)其他變形控制輔助及加工工藝流程、參數(shù)優(yōu)化作出較深度分析。在他類加工條件和輔助工藝不變的工況下，優(yōu)化加工參數(shù)是他類變形控制辦法實(shí)施的基礎(chǔ)，若能從多個(gè)維度去優(yōu)化片加工參數(shù)及工藝條件，能從根本上保證葉片加工的精確度，并為后期加工變形問(wèn)題有效規(guī)避創(chuàng)造優(yōu)勢(shì)條件。在大量試驗(yàn)中，摸索刀具走刀軌跡、切削參數(shù)等對(duì)葉片加工變形的影響規(guī)律，進(jìn)而設(shè)定最優(yōu)良的葉片加工對(duì)應(yīng)的工藝條件與參數(shù)，其有益于進(jìn)一步提升葉片產(chǎn)品加工的精確度。

3.3 使用超硬磨料砂輪加工

針對(duì)一些對(duì)精確度提出較高要求的葉片，在加工時(shí)，可以使用超硬磨料砂輪將傳統(tǒng)切削加工法取而代之，其能較好回避由刀具磨損帶來(lái)的變形誤差。超硬磨料砂輪用于鈦合金、鎳基高溫合金加工領(lǐng)域中，其發(fā)揮自身效能的主要形式是連續(xù)性、微量化磨削加工葉片表層，減少被加工材料所承受的變形量，對(duì)提升產(chǎn)品加工精度是百利而無(wú)一害的。

4 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工實(shí)踐中，對(duì)加工質(zhì)量及精度均提出較嚴(yán)格的要求，因?yàn)槠浼庸べ|(zhì)量關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率與壽命。故而，應(yīng)立足于當(dāng)下葉片加工實(shí)際狀況，總結(jié)造成葉片變形的主要因素，加強(qiáng)控制力度，在先進(jìn)、科學(xué)加工方法的支撐下，持續(xù)完善加工形式，進(jìn)而真正提升產(chǎn)品加工精度，確保自身實(shí)用價(jià)值充分發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

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