航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片加工成型關(guān)鍵技術(shù)研究

陳亞莉

摘? 要：航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇及壓氣機(jī)葉片是發(fā)動機(jī)中最為重要的零部件，其加工成型的最終質(zhì)量直接關(guān)系著航空發(fā)動機(jī)的使用性能及飛機(jī)的飛行安全。伴隨著近年來我國航空領(lǐng)域科技的不斷進(jìn)步，航空發(fā)動機(jī)的涵道比、推重比及預(yù)期使用壽命等指標(biāo)持續(xù)提升，從而帶來了葉片結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的結(jié)果，并且材質(zhì)加工難度也隨之提高。更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、更難加工的材質(zhì)對葉片加工成型提出更加嚴(yán)苛的需求。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);風(fēng)扇葉片;加工成型;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：V263? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0133-02

Abstract： Aero-engine fans and compressor blades are the most important parts of the engine， and the final quality of their processing is directly related to the performance of the aero-engine and the flight safety of the aircraft. With the continuous progress of science and technology in the aviation field of China in recent years， the indexes such as culvert ratio， thrust-to-weight ratio and expected service life of aero-engine continue to improve， which brings the result that the blade structure is more complex， and the difficulty of material processing is also increased. The more complex structure and more difficult materials have posed more stringent requirements for blade processing and molding.

Keywords： aero-engine; fan and blade; processing and molding; key technology

引言

當(dāng)今各國的知名航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)均對發(fā)動機(jī)葉片加工成型相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量的人力、物力投入，用來開發(fā)成本更加低廉、污染程度更低、加工效率更高、品質(zhì)更高的航空發(fā)動機(jī)葉片相關(guān)的先進(jìn)加工解決方案，以此滿足發(fā)動機(jī)對于葉片加工方面的要求。國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)相關(guān)制造企業(yè)目前在葉片加工裝夾模式、先進(jìn)切削手段、加工相關(guān)軟件程序開發(fā)、拋光解決方案等層面還有許多棘手的難題亟待攻克。本文結(jié)合整個行業(yè)內(nèi)航空發(fā)動機(jī)葉片加工成型過程中的重要難點(diǎn)，全方位針對航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片加工成型中的核心技術(shù)的現(xiàn)狀實施研究及探討。

1 發(fā)動機(jī)葉片精密制造特定工裝夾具的研究與加工

發(fā)動機(jī)中的葉片部件是一種非常典型的薄壁類構(gòu)件，此類零件在進(jìn)行機(jī)械加工成型過程中針對零件的裝夾固定歷來非常困難。假如沒能科學(xué)合理地將零件裝夾固定妥當(dāng)，成型的加工過程容易使零件發(fā)生形變，使得操作者很難精確把控待加工零件的表面品質(zhì)。常規(guī)的工裝夾具的加工平穩(wěn)性較差，處在零件剛度最薄弱的葉片尖端的位置采用的是頂尖方式固定零件，這類方式對較大切削力的承受能力不足;并且常規(guī)的工裝夾具針對待加工的葉片實施有預(yù)緊的壓力載荷，這樣使得葉片產(chǎn)生更大的“讓刀”形變。由于此類薄壁類型的葉片的構(gòu)造特性，相關(guān)工程技術(shù)人員必須針對常規(guī)夾具實施結(jié)構(gòu)改進(jìn)的優(yōu)化操作，讓改良之后的特定工裝夾具可以達(dá)到薄壁型葉片零件的精準(zhǔn)固定，而且需要顯著提升整個切削結(jié)構(gòu)的總體剛度，從而保證葉片零件的最終成型后的實際精度[1]。

薄壁型結(jié)構(gòu)葉片銑削加工的工裝夾具設(shè)計過程中需要符合如下的根本需要：

（1）固定位置須精確：定位精準(zhǔn)是航空發(fā)動機(jī)葉片銑削成型工裝夾具的最根本要求，葉片的榫根位置即為葉片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)定位面，所以固定榫根位置的部位精度及位置度均要符合嚴(yán)格的尺寸規(guī)定。

（2）工裝夾具的構(gòu)造必須盡可能簡單，體積要盡可能小，以便加工過程中的實際操作。

（3）平穩(wěn)性要好，零件在成型過程中，葉片尖端位置的剛度最差，所以在此處需要盡最大可能限制更多的零件的自由度，提升整個結(jié)構(gòu)的安全性。

2 航空發(fā)動機(jī)葉片加工成型中的自適應(yīng)成型解決方案

伴隨著數(shù)控加工成型解決方案在現(xiàn)代加工制造類企業(yè)中的大面積推行，自適應(yīng)加工成型的有關(guān)原理也取得了快速進(jìn)步?，F(xiàn)階段，廣義來講的自適應(yīng)加工成型方案根據(jù)所需的時長不同主要可以歸結(jié)為如下三類：一是在編程過程時刀具運(yùn)行軌跡進(jìn)行自適應(yīng)設(shè)計運(yùn)行模式;二是結(jié)合數(shù)字型監(jiān)測設(shè)備的自適應(yīng)型加工成型運(yùn)行模式;三是切削過程中數(shù)字操控裝置本身的自適應(yīng)運(yùn)行模式。

上述三類自適應(yīng)加工成型模式屬于緊密相連，相互滲透的關(guān)系。這當(dāng)中，刀具運(yùn)行軌跡的預(yù)先設(shè)定模式是后面兩類自適應(yīng)加工成型解決方案的基礎(chǔ)形式;自適應(yīng)數(shù)字控制裝置是把自適應(yīng)操控解決方案實際應(yīng)用在相關(guān)零件切削成型進(jìn)程中，實現(xiàn)數(shù)控加工機(jī)床具備實時依據(jù)加工成型現(xiàn)場的情況進(jìn)行第一時間的自動適應(yīng)形式的調(diào)節(jié)切削運(yùn)動相關(guān)參數(shù)的功能，且在該系統(tǒng)平穩(wěn)工作的前提下，最大限度地發(fā)揮該設(shè)備的工作潛能，切實提升加工效率，盡可能地減輕刀具的磨損;另一方面，結(jié)合數(shù)字型監(jiān)測設(shè)備的自適應(yīng)模式也必須在工作中借助數(shù)字控制系統(tǒng)中的某些特定的組件。

自適應(yīng)模式的加工成型解決方案在航空發(fā)用動機(jī)精密鍛造及輥軋成型壓氣機(jī)葉片過程中的實際應(yīng)用比較普遍。首先，航空發(fā)動機(jī)精密鍛造及輥軋成型壓氣機(jī)葉片過程中易受工藝產(chǎn)生的形變的制約，該部件初始設(shè)計模型不能直接導(dǎo)入數(shù)字控制加工成型模式的程序編制過程?，F(xiàn)階段的模式多數(shù)都是使用逆向工程的編程及搭建數(shù)字模型的模式，直接采用相關(guān)零件的特定部位的參數(shù)進(jìn)行數(shù)字模型的建立。不過通過直接數(shù)字建立模型的模式精度通常不能滿足成品的精度規(guī)定。所以，相關(guān)技術(shù)人員需要妥善使用初始的設(shè)計參數(shù)，開發(fā)以初始模型為基礎(chǔ)的工藝尺寸自適應(yīng)數(shù)字模型建立的解決方案。其次，精密鍛造及輥軋成型壓氣機(jī)葉片的毛坯件的初始狀態(tài)形狀各異、切削余量的分布也不均衡。目前普遍使用的常規(guī)工裝夾具一般很難滿足帶余量的相關(guān)毛坯件的裝配及定位的尺寸精度，然而專門設(shè)計特定的非標(biāo)準(zhǔn)化工裝夾具就會產(chǎn)生高成本、周期長的弊端。基于數(shù)字化檢測的葉片加工余量優(yōu)化不失為一種有效的處理方法。

3 發(fā)動機(jī)葉片表層完整性相關(guān)解決方案

伴隨著國家針對航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇及壓氣機(jī)葉片最終品質(zhì)要求的持續(xù)提升，相關(guān)零件表層完整性的要求得到了相關(guān)工程技術(shù)人員及專家的進(jìn)一步關(guān)注。葉片加工成型過程表層完整性把控解決方案一般包含兩個層面的內(nèi)容：第一是對于航空發(fā)用動機(jī)葉片零件的曲面特性、進(jìn)氣邊和排氣邊及櫞板等等部分的特征參數(shù)，借助于調(diào)控成型過程中的刀具相關(guān)參數(shù)、切削模式及銑削加工中的各類數(shù)值等等一系列操作，完成葉片銑削加工的表層完整性的良好把控的過程;第二是對于航空用發(fā)動機(jī)葉片的拋光工序，經(jīng)過調(diào)整拋光用的磨具和磨料及拋光設(shè)備的相關(guān)參數(shù)等操作，用以實現(xiàn)拋光后的航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇及壓氣機(jī)葉片的表層完整性的良好把控。

4 發(fā)動機(jī)葉片成型過程的加工過程測量解決方案

葉片精密成型制造設(shè)備和加工過程測量方案相配合，使得常規(guī)的發(fā)動機(jī)葉片成型工藝方法實現(xiàn)了質(zhì)的提升?，F(xiàn)階段，相關(guān)技術(shù)人員借助加工過程測量方案對整個制造進(jìn)程實施監(jiān)測，由此獲取到大量的加工過程的信息，依據(jù)上述信息可以讓工藝參數(shù)優(yōu)化更加便利，對于新產(chǎn)品的開發(fā)效果更佳。如圖1所示，機(jī)床配備工件轉(zhuǎn)換模塊，配合大容量的刀具庫及對刀設(shè)備，實現(xiàn)零件的定位到完成成品[2]。

加工過程測量一般運(yùn)用于成型設(shè)備上的現(xiàn)場實時監(jiān)測，具備如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在相關(guān)零件的監(jiān)測進(jìn)程中最大限度地減少測量時拆卸、移動及安裝工裝夾具等動作，優(yōu)化了加工流程，達(dá)到了成型進(jìn)程中的自動化監(jiān)測，減少物料及工時的損耗，提升操作過程中的檢測水平及效率。

（2）為相關(guān)零件的高速檢測帶來了一類合理的方案，

為相關(guān)零件制造品質(zhì)的評估和監(jiān)測誤差的研究和改善提供了更大的便利。

5 葉片高速切削技術(shù)

現(xiàn)階段航空發(fā)動機(jī)葉片多數(shù)使用鈦合金材料、耐高溫合金等加工難度非常大的材料來進(jìn)行制造，此類材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、高溫耐受性好、疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)良的性能。民品航空發(fā)動機(jī)及軍品航空發(fā)動機(jī)里面鈦合金的組成成分分別為其總質(zhì)量的35%～45%。因為發(fā)動機(jī)葉片獨(dú)有的薄壁型構(gòu)造，這樣的情況就需要將毛坯件的絕大多數(shù)材料作為加工余量去除，進(jìn)而需要較高的切削效率。針對鈦合金這類公認(rèn)的加工難度極大的材質(zhì)，用傳統(tǒng)的加工方法很難或者需要很高的成本才能達(dá)到上述要求，因此，高速切削技術(shù)成為提高葉片加工效率和加工質(zhì)量的有力武器。

發(fā)動機(jī)葉片高速切削解決方案是在表面完整性得到良好的把控的基礎(chǔ)上來講的，經(jīng)過針對制造進(jìn)程中參數(shù)、加工方法、檢測方案等要素的把控及改善，不但能夠提升零件的加工效率、減少制造時間，而且還重點(diǎn)把控零件表層粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面顯微層面的硬度等表面完整性指標(biāo)的航空發(fā)動機(jī)葉片成型制造的新方案。所以需要最大限度地發(fā)揮相關(guān)生產(chǎn)加工企業(yè)配備的數(shù)控銑削加工中心的功能，研究高速切削參數(shù)優(yōu)化、加工余量優(yōu)化設(shè)計、高速切削刀軌規(guī)劃與優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)的葉片數(shù)控加工效率和加工質(zhì)量。

6 結(jié)束語

本文綜合研究了航空發(fā)動機(jī)葉片加工成型過程中的核心技術(shù)。綜合考慮航空工業(yè)的發(fā)展歷程，推重比等指標(biāo)的持續(xù)提升促進(jìn)發(fā)動機(jī)的葉片為了滿足其更高的要求而不斷進(jìn)步。所以航空發(fā)動機(jī)立項開發(fā)研制以前，需要提前實施發(fā)動機(jī)葉片新材料、新工藝方法等要素的基礎(chǔ)性研究及工程實際的應(yīng)用探索，為葉片加工方面的先進(jìn)制造技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)研制過程中的快速發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李勛，于建華，趙鵬.航空發(fā)動機(jī)葉片加工變形控制技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù)，2016，516（21）：41-49.

[2]劉維偉，張定華.航空發(fā)動機(jī)薄壁葉片精密數(shù)控加工技術(shù)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（3）：329-331.