淺談航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪的加工方法

王宏睿

（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，整體葉輪的形狀也更趨復(fù)雜，其特點(diǎn)是：葉片薄，扭曲大，葉片間隔小。這給整體葉輪的制造加工帶來(lái)了極大的困難。20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，美國(guó)、歐洲按照IHPTET、UEET、ACME等航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)就是在開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)方面取得的成果。整體葉輪結(jié)構(gòu)與常規(guī)的機(jī)械連接式葉輪相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以省掉由葉片榫頭、鎖片和榫槽連接結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的額外重量。2）整體葉輪可消除常規(guī)葉輪中氣流在榫根與榫槽間縫隙中逸流造成的損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率增加，從而使整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比顯著提高。3）省去了安裝用的螺柱、螺母和鎖片等連接件，極大減少了零部件，也避免了榫槽損傷和斷裂等潛在故障。但是，由于整體葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，整體葉輪的機(jī)械制造加工面臨越來(lái)越強(qiáng)的挑戰(zhàn)。（1）整體葉輪加工困難。除了葉型復(fù)雜外，精度要求高，且葉型薄，受力后變形大，同時(shí)葉片數(shù)較多，其加工量很大。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，葉片常會(huì)遇到外物打擊而損傷或因振動(dòng)疲勞而出現(xiàn)裂紋。整體葉輪要更換葉片非常困難，有可能因?yàn)橐粋€(gè)葉片損壞，而報(bào)廢整個(gè)整體葉輪，因此整體葉輪葉片的制造技術(shù)，是整體葉輪擴(kuò)大應(yīng)用前必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)采用的加工整體葉輪的方法主要有精密鑄造、數(shù)控銑削、電解套料加工、仿形電解加工、數(shù)控電解加工和數(shù)控電火花加工。下面簡(jiǎn)單介紹幾種方法。

1 精密鑄造、鍛造技術(shù)

1.1 精密鑄造技術(shù)

采用精密鑄造工藝加工可以大大提高材料的利用率，節(jié)約大量貴金屬材料。由于精密鑄造工藝的新發(fā)展，特別是采用定向凝固（DS）、熱等靜壓（HIP）等先進(jìn)鑄造技術(shù)后，使得鑄造合金組織和性能大大改善，尤其是解決了葉片疲勞斷裂的裂紋沿垂直于葉片主應(yīng)力方向的晶粒邊界發(fā)生、熔模鑄造內(nèi)部存在疏松缺陷等問(wèn)題[1]，使葉片的抗疲勞性、應(yīng)力斷裂壽命大為提高，同時(shí)，鑄造工藝也有利于大量成批生產(chǎn)，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)各種葉片的大量需求。國(guó)外GeneralMotors，Allied Sig?nal，Howmet，F(xiàn)ord Motor，Allison Engine，Rolls Royce等公司都進(jìn)行了雙性能整體葉盤(pán)精密鑄造技術(shù)研究，并成功鑄造出葉片為定向柱晶或單晶，輪盤(pán)為等軸細(xì)晶的整體葉輪，并在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了應(yīng)用。但是精鑄技術(shù)難度大，成品率低，現(xiàn)在只能適用于可鑄合金，對(duì)于高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷的葉輪仍難以采用。

1.2 精密鍛造技術(shù)

隨著精密鍛造技術(shù)的發(fā)展使鍛壓工藝徹底突破了毛坯生產(chǎn)的范疇，可以加工出接近成品的零件。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)葉輪的半固態(tài)擠壓鍛造過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了葉輪成形的主要參數(shù)變化規(guī)律并利用等溫鍛模技術(shù)加工出鈦合金及鋁合金整體葉輪；寶山鋼鐵股份有限公司也采用等溫鍛造技術(shù)加工出鈦合金整體葉盤(pán)；美國(guó)GE公司已用等溫鍛造技術(shù)制造出了壓氣機(jī)整體葉盤(pán)轉(zhuǎn)子，材料利用率提高4倍[2]。通過(guò)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件、預(yù)測(cè)模型和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“實(shí)體造型”以及鑄、鍛過(guò)程用計(jì)算機(jī)模擬仿真，這些技術(shù)提高了金屬填充和凝固質(zhì)量，消除了疏松，避免了熱裂，從而提高了精密鑄造和精密鍛造的質(zhì)量與效率，降低了成本。雖然精密鍛造能節(jié)省貴重金屬材料，減少難切削材料的機(jī)械加工量，但由于葉輪固有的幾何復(fù)雜性，使其很難用于葉輪的最終精密加工，同時(shí)鈦合金、高溫高強(qiáng)度合金等高性能金屬材料的鍛造也是一個(gè)困難。精密鍛造生產(chǎn)效率高，精度可滿足要求，但生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、技術(shù)難度大，僅少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握該項(xiàng)技術(shù)，我國(guó)還沒(méi)有完全掌握該種技術(shù)。目前精密鍛造和精密鑄造一般都作為毛坯制作手段。

2 數(shù)控銑削

多軸數(shù)控銑削加工是最常規(guī)的整體葉輪的制造方法，通常需要在5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行?？杉庸?fù)雜輪廓和光潔表面，并保持較高的材料去除率，如BR715的第1級(jí)和第2級(jí)壓氣機(jī)整體葉輪是在五座標(biāo)數(shù)控銑床上加工的；美國(guó)休斯飛機(jī)公司已采用五座標(biāo)高速數(shù)控銑床加工第三代和第四代戰(zhàn)斗機(jī)的液壓、燃油和環(huán)控系統(tǒng)中的整體葉輪；還有美國(guó)GE公司和英國(guó)R.R公司等在研制整體葉輪時(shí)，均采用了五座標(biāo)數(shù)控銑削加工技術(shù)。對(duì)于整體葉輪數(shù)控銑削國(guó)外研究較多，國(guó)內(nèi)在這方面也做了許多工作，只是數(shù)控銑削加工所需的高精度機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、五軸聯(lián)動(dòng)編程、刀具等關(guān)鍵問(wèn)題并沒(méi)有完全解決[3,4]，大多還需要進(jìn)口，盡管如此但數(shù)控銑削方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻面臨一些主要問(wèn)題：1）對(duì)廣泛用于制造耐高溫整體葉輪的鈦合金和鎳基高溫合金進(jìn)行銑削仍很困難；2）對(duì)于帶葉冠的整體葉輪或葉片具有很大中弧線彎角的整體葉輪，采用數(shù)控銑削加工時(shí)，銑刀與葉盤(pán)可能干涉，或能使用的銑刀太過(guò)纖細(xì)，導(dǎo)致了刀具的剛性很差和加工可達(dá)性困難；3）對(duì)于直徑較小、葉片較多且葉間通道比較窄的整體葉輪，其通道結(jié)構(gòu)對(duì)于數(shù)控加工也是比較大的挑戰(zhàn)，因此數(shù)控銑削通常用于不銹鋼葉輪等具有開(kāi)放葉片（無(wú)葉冠）而且葉間通道較大的整體葉輪。

3 電火花加工

1943年蘇聯(lián)科學(xué)家利用電火花的蝕除作用開(kāi)發(fā)了電火花加工，由于其獨(dú)特的加工能力，電火花加工已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[5]。電火花加工是蝕除而非切削材料，被加工材料的機(jī)械性能對(duì)加工沒(méi)有影響，故電火花加工廣泛用于各種難加工材料，如鉻鎳鐵合金、蒙乃爾合金、哈斯特鎳合金等材料葉輪的復(fù)雜形體加工，其加工精度及加工穩(wěn)定性很高。特別是近年來(lái)，多軸數(shù)控系統(tǒng)與電火花加工技術(shù)的結(jié)合使得電火花加工技術(shù)成為一種高水平的特種精密加工工藝，可實(shí)現(xiàn)多自由度聯(lián)動(dòng)加工?，F(xiàn)代電火花加工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到高精度（微米級(jí)）、低表面粗糙度，不產(chǎn)生表面裂紋的水平。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于小型航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上整體葉輪的加工。英、美、俄等國(guó)家用于加工帶冠整體葉輪,我國(guó)也逐步掌握這項(xiàng)技術(shù)。但是由于在加工過(guò)程中電極損耗會(huì)影響成型精度，需經(jīng)常更換電極，導(dǎo)致加工成本高，加工速度慢，高性能機(jī)床還需要進(jìn)口，同時(shí)加工表面的再鑄層對(duì)零件疲勞強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響，這又限制了此種加工方法的大量使用。

4 電解加工

電解加工是利用金屬工件在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解的一種加工過(guò)程，在加工難切削材料及復(fù)雜形狀工件方面，相比其他加工方法具有明顯優(yōu)勢(shì)[6]。在葉輪加工過(guò)程中經(jīng)歷了以下幾種加工方法。

4.1 電解套料加工

電解套料加工生產(chǎn)率高，表面質(zhì)量好，陰極無(wú)損耗，可加工任何難切削材料，加工中無(wú)機(jī)械切削力，可加工薄壁件，無(wú)變形且加工過(guò)程穩(wěn)定，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多。我國(guó)采用小間隙電解套料加工葉片型面精度可達(dá)0.02 mm，位置精度高于±0.03 mm，表面粗糙度Ra達(dá)0.4~1 μm；德國(guó)AEG公司采用SMH-1-C單頭臥式機(jī)床電解套料加工的不銹鋼20Cr13整體葉輪，葉型精度達(dá)±0.05 mm。但是電解套料這種加工技術(shù)只能加工等截面葉片整體葉輪，并不能加工變截面的扭曲葉片整體葉輪。

4.2 仿型電解加工

傳統(tǒng)仿形電解加工是采用成型陰極按拷貝方式加工型腔、型面，加工速度快，加工精度可滿足生產(chǎn)要求，但由于一種葉輪需對(duì)應(yīng)一種仿形模具及夾具，其設(shè)計(jì)、制造、調(diào)整的工作量大，制造周期長(zhǎng)，影響因素多，并且對(duì)工人的技術(shù)水平要求也高，加工柔性低，生產(chǎn)準(zhǔn)備工作量大，使得拷貝式加工的復(fù)制精度、重復(fù)精度都不太高。目前我國(guó)已成功將此種技術(shù)應(yīng)用于加工變截面扭曲葉片整體葉輪。

4.3 數(shù)控電解加工

電解加工與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的數(shù)控電解加工技術(shù)，能綜合發(fā)揮計(jì)算機(jī)數(shù)控和電解加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能取長(zhǎng)補(bǔ)短。美國(guó)GE公司在電解加工先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤(pán)時(shí)，采用了以成形或近成形陰極進(jìn)行多坐標(biāo)數(shù)控送進(jìn)運(yùn)動(dòng)的加工方式。在制造為裝備“先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)ATF(即F22)”而研制的GE37/YE120發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦制整體葉盤(pán)及F414發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)時(shí)，與美國(guó)Lehr precision公司合作發(fā)展了五軸數(shù)控電解加工技術(shù)。與單用五坐標(biāo)數(shù)控銑削葉片相比，加工工時(shí)減少約85%（對(duì)于長(zhǎng)葉片省時(shí)更多），同時(shí)還避免了在葉片加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。電解加工分粗加工、半精加工和精加工。在粗加工時(shí)，是將ECM的專用工具置于GE公司專利的五座標(biāo)數(shù)控機(jī)床上，對(duì)坯料沿圓周進(jìn)行開(kāi)槽；在半精加工和精加工時(shí)，則采用具有葉型型面的電極對(duì)坯料進(jìn)行加工，加工出的葉片葉型厚度公差+0.01mm，型面公差+0.01 mm，可不需手工拋光。

而俄羅斯則采用機(jī)械仿形電火花與電解加工的組合工藝。電解加工既可以提高加工速度，又可以去除電火花加工后的表面變質(zhì)層，提高表面質(zhì)量。電火花——電解加工的組合工藝在新型發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)帶冠整體渦輪的研制中發(fā)揮了重要作用。

4.4 數(shù)控電火花

電解加工整體葉輪的方法與數(shù)控電解加工整體葉輪的方法相比，其基本特點(diǎn)是相同的，即工具陰極無(wú)損耗，無(wú)宏觀切削力，適宜加工各種難切削材料和長(zhǎng)、薄葉片及狹窄通道的整體葉輪，加工效率高，表面質(zhì)量好，這些優(yōu)點(diǎn)是數(shù)控銑削所不具備的；它又具有數(shù)控的優(yōu)點(diǎn)，能以計(jì)算機(jī)數(shù)控方式實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，可用于加工各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多品種、小批量零件，甚至單件試制的生產(chǎn)中，這些優(yōu)點(diǎn)又是一般拷貝式電解加工所不具備的。雖然數(shù)控電火花——電解加工的精度及加工穩(wěn)定性更高，但加工速度卻不及數(shù)控電解加工。數(shù)控電火花——電解加工這種工藝具有電解加工的優(yōu)點(diǎn)，因此，非常適合于加工用數(shù)控銑削、精密鍛（鑄）造難加工或不能加工的零件，如小直徑、多葉片、小葉間通道（1.5～3 mm）零件，難切削材料變截面扭曲葉片整體葉輪以及數(shù)控銑無(wú)法加工的帶冠整體葉輪等。數(shù)控電火花—電解加工整體葉輪的方法與數(shù)控電解加工整體葉輪都是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本，且具有快速響應(yīng)能力的新加工技術(shù)。

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