葉片銑削變形控制填充物澆鑄變形研究

楊騫，劉翔宇，王小東，宋旭

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

1 葉片特點(diǎn)及變形概述

1.1 葉片的類(lèi)型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片按照氣動(dòng)作用區(qū)分，可分為轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片。按照使用功能可分為壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片兩大類(lèi)，并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)的增多，不同級(jí)的渦輪、壓氣機(jī)，又包括結(jié)構(gòu)不同的各級(jí)葉片。

發(fā)動(dòng)機(jī)性能越高，壓氣機(jī)與渦輪的葉片級(jí)數(shù)越多。葉身型面可分為進(jìn)氣邊和排氣邊、壓氣面和吸氣面。葉片進(jìn)、排氣邊組成著氣體流道的首尾，直接影響著這一級(jí)的氣動(dòng)性能。

一般情況下，風(fēng)扇及高壓壓氣機(jī)前端的葉片尺寸較大，工作壓力和溫度都相對(duì)比較低，公差要求也相對(duì)較大；而后端的葉片尺寸較小，工作壓力大、溫度高，其精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響更為顯著，因此公差要求極高。小葉片比大葉片尺寸小，而且更薄，公差要求又高，是加工變形控制中最難的葉片。

1.2 葉片的加工變形

葉片的加工質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和質(zhì)量有直接的影響，如輪廓度、粗糙度、波紋度、轉(zhuǎn)接質(zhì)量不好，將會(huì)嚴(yán)重降低發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。葉片作為弱剛性薄壁件，厚壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基準(zhǔn)遠(yuǎn)離葉身、材料切削性能差，輪廓度、表面質(zhì)量要求高，對(duì)加工工藝的精度和質(zhì)量提出了極高的要求。并且隨著這些關(guān)鍵零件形狀復(fù)雜程度、材料加工難度、精度指標(biāo)要求的不斷提升，葉片的加工難度也在逐步提升。

學(xué)術(shù)界對(duì)變形的機(jī)理研究各有特點(diǎn)和側(cè)重，但主要還是集中在對(duì)“力—變形”這一系統(tǒng)進(jìn)行研究，銑削過(guò)程中，直接影響銑削工件變形的切削力理論公式為式 1所示。

式中，cp為工件材料對(duì)切削力影響系數(shù)，ap為銑削深度，fz為每齒進(jìn)給量，B為銑削寬度，z為刃數(shù)，d0為刀具切削刃直徑，K為刀具前角對(duì)削力的影響系數(shù)，K1為速度對(duì)切削力的經(jīng)驗(yàn)影響系數(shù)。薄壁結(jié)構(gòu)造成工件的弱剛性，在切削力、熱及振動(dòng)等綜合因素的耦合作用下變形問(wèn)題尤為凸顯，因此，葉片制造過(guò)程中的兩大主要難題就是“控形”和“控性”。

而控制技術(shù)的難點(diǎn)問(wèn)題主要在于：葉片加工變形形成機(jī)理復(fù)雜，加工過(guò)程中存在多種變形，包括彈性讓刀變形、熱變形及殘余應(yīng)力變形等，變形原理的多樣性和變形過(guò)程的動(dòng)態(tài)性與復(fù)雜性使得弱剛性零件的變形控制和準(zhǔn)確加工成為航空工業(yè)中最難解決的技術(shù)難題之一。同時(shí)，由于葉片工作在高速、高溫、高壓、高強(qiáng)度等極端、重載、多場(chǎng)耦合場(chǎng)合，其工作壽命及可靠性受到極大的挑戰(zhàn)。大量的事故表明，很多零件的破壞是從零件表面開(kāi)始的，因此，這些重要零件的疲勞強(qiáng)度和壽命及其穩(wěn)定性不僅是由零件的內(nèi)部材料性能決定的，也是由加工表面質(zhì)量或表面完整性指標(biāo)的好壞決定的。

2 填充物澆鑄變形研究

2.1 研究意義

低熔點(diǎn)合金、石蠟等材料作為填充物為工件提供輔助鑲嵌支持的工藝方法得到了大量采用，在很大程度上改善工件加工環(huán)境，減弱了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，大幅增加了工件剛度，降低了工藝難度，為合理控制參數(shù)，提高加工精度，滿(mǎn)足工件表面質(zhì)量起到了重要作用。

澆鑄工藝在增強(qiáng)葉片剛度的同時(shí)，無(wú)論是冷鑲法、熱鑲法還是機(jī)械夾持法，都會(huì)為葉片加工系統(tǒng)引入溫度和外力的干擾，填充物鑲嵌過(guò)程中，為葉片和夾具帶來(lái)溫度的變化ΔT，并且在冷卻過(guò)程中，葉片、澆鑄盒、填充物的膨脹系數(shù)和換熱系數(shù)的差異，會(huì)造成填充物對(duì)澆鑄盒和葉片的擠壓，由于葉片是弱剛性薄壁件，此時(shí)，澆鑄變形不可避免的發(fā)生。

為了更好地控制葉片加工的變形程度，需要對(duì)鑲嵌系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，區(qū)分澆鑄變形和葉片切削變形，避免引入過(guò)大的澆鑄變形，控制加工輪廓度及表面完整性，驗(yàn)證填充物澆鑄工對(duì)葉片變形控制過(guò)程中輔助優(yōu)化的可行性，為下一步葉片變形控制選用填充物種類(lèi)和裝置提供可行的參考對(duì)象。

2.2 填充物澆鑄問(wèn)題

（1）澆鑄表面質(zhì)量。澆鑄填充物至澆鑄腔后，填充物熱量通過(guò)自身表面與空氣之間的熱傳導(dǎo)、底部與澆鑄腔底板之間熱傳導(dǎo)以及澆鑄腔側(cè)面金屬及與葉片間的熱傳導(dǎo)而散失。

式中，φ為熱流量，λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，A為傳熱面積，ΔT為溫差。通常情況下，金屬的最大，固體非金屬較小。

填充物與鋼制澆鑄盒、表面與空氣的換熱能力要顯著大于填充物內(nèi)部換熱，因此，表面和四周最先冷卻固化，葉片中心位置凝固較慢，造成了填充物在澆鑄腔四周的鼓包現(xiàn)象。再加上澆鑄過(guò)程往往會(huì)裹挾氣體，氣體隨著填充物固化逐漸向外界逃逸，在逃逸過(guò)程中，造成填充物表面的塌陷，由于葉片周?chē)梯^慢，氣泡容易在葉片兩側(cè)逃逸，從而加劇了葉片兩側(cè)的縫隙產(chǎn)生。

因此，在填充物澆鑄過(guò)程中，如果換熱情況不平衡加劇溫度場(chǎng)的不均勻，就會(huì)造成填充物在澆鑄盒壁面的鼓包現(xiàn)象、葉片兩側(cè)的縫隙和澆鑄表面的凹陷，液體狀態(tài)流動(dòng)性不好時(shí)，裹挾氣體現(xiàn)象加劇，自身填充澆鑄腔充盈效果變差，造成表面大量縮孔，進(jìn)一步增大表面粗糙度。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）實(shí)驗(yàn)件。材料：45#鋼平板壁厚2.5mm，高度為80mm，實(shí)驗(yàn)前已用平面磨床進(jìn)行過(guò)磨削上下兩面取平。

某輥軋葉片材料為GH4169，該葉片弦寬18～26mm，葉身懸長(zhǎng)60mm，截面最大厚度1.6mm。榫頭與榫頭連接區(qū)域只有2mm厚、8mm寬。

（2）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。澆鑄盒通過(guò)虎口鉗夾持固定在水平臺(tái)子上，并且通過(guò)滌綸與膠帶與虎口鉗實(shí)現(xiàn)熱隔離，避免熱鑲物質(zhì)引入的溫度傳遞給實(shí)驗(yàn)臺(tái)造成虎鉗和水平臺(tái)的熱脹冷縮影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩個(gè)千分表通過(guò)自身底座吸附固定在虎鉗上，保持整個(gè)系統(tǒng)基準(zhǔn)一致性，兩個(gè)表尖固定在試件葉尖前后對(duì)應(yīng)位置，澆鑄盒左右有兩個(gè)滑動(dòng)塊，方便調(diào)節(jié)試件兩側(cè)填充物厚度。

3 低熔點(diǎn)合金填充結(jié)構(gòu)性能研究

低熔點(diǎn)合金液態(tài)流動(dòng)性較好，無(wú)明顯刺鼻氣味，固化過(guò)程中無(wú)發(fā)熱現(xiàn)象，可重復(fù)利用，容易去除。因此，低熔點(diǎn)合金很適合作為填充物輔助葉片加工，并且低熔點(diǎn)合金在航空制造業(yè)也有很廣泛的應(yīng)用，所以本課題對(duì)低熔點(diǎn)合金澆鑄變形進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。

由于澆鑄過(guò)程引入了溫度變化，低熔點(diǎn)合金冷卻過(guò)程中熱量通過(guò)合金表面與空氣之間的熱傳導(dǎo)、底部與金屬澆鑄腔底板之間熱傳導(dǎo)以及澆鑄腔側(cè)面金屬及與葉片間的熱傳導(dǎo)而散失。這其中的熱傳導(dǎo)實(shí)際問(wèn)題非常復(fù)雜，因此，本文將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化處理，澆鑄時(shí)保持葉片兩面的澆鑄低熔點(diǎn)合金質(zhì)量相同，即澆鑄厚度，大致保證葉片試件兩側(cè)的熱學(xué)狀態(tài)相同，從而使合金固化過(guò)程產(chǎn)生的力較平均。

（1）3mm對(duì)稱(chēng)澆鑄實(shí)驗(yàn)。澆鑄厚度L=3mm時(shí)，兩側(cè)的千分表示數(shù)絕對(duì)值都漸漸變小，一面示數(shù)增大，一面示數(shù)減小，在25min時(shí)示數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，葉尖整個(gè)過(guò)程變形為70～80μm，并且由澆鑄效果可知，合金與葉片接觸良好，不存在縫隙，強(qiáng)度較大，但固化表面凹凸不平，出現(xiàn)較大的縮孔和塌陷，并且在夾具一側(cè)合金頂部出現(xiàn)邊緣鼓包的現(xiàn)象。

（2）L=10mm對(duì)稱(chēng)澆鑄結(jié)果。澆鑄厚度L=10mm時(shí)，兩側(cè)的千分表示數(shù)絕對(duì)值同樣都漸漸變小，一開(kāi)始變化幅度并不太大，但在20min左右時(shí)，示數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)較大幅度變化，直到40min合金基本冷卻至室溫，變化幅度才逐漸變小，在40min中葉尖整個(gè)過(guò)程變形在53μm內(nèi)，并且由澆鑄效果可知，合金與葉片接觸良好，不存在縫隙，強(qiáng)度較大，固化表面較為光滑平整，沒(méi)有出現(xiàn)縮孔和塌陷現(xiàn)象，并且在夾具一側(cè)合金頂部鼓包的現(xiàn)象也并不明顯。

（3）小結(jié)。本文還進(jìn)行了澆鑄厚度為5mm、15mm的對(duì)稱(chēng)澆鑄實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)缦卤?。

表1 對(duì)稱(chēng)澆鑄厚度實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

由表1可得，當(dāng)其他條件一定時(shí)，隨著對(duì)稱(chēng)澆鑄厚度的增大，試件的變形先減小后增大，五組實(shí)驗(yàn)中，L=10mm澆鑄變形最小平均為38.6μm，L=20mm變形最大，可達(dá)到162μm。

澆鑄變形穩(wěn)定時(shí)間隨著澆鑄厚度的上升而上升，L=20mm時(shí)，變形穩(wěn)定時(shí)間基本可達(dá)到120min，L=3mm在15～25min即可達(dá)到穩(wěn)定；澆鑄表面質(zhì)量和澆鑄變形發(fā)展趨勢(shì)類(lèi)似，L=3mm時(shí)，液態(tài)流動(dòng)性不好，出現(xiàn)黏附夾具現(xiàn)象，表面凹凸不平，有多處未填滿(mǎn)合金，隨著厚度增加，表面質(zhì)量得到改善，L=10mm時(shí)，表面光整，無(wú)明顯凹陷，葉片側(cè)沒(méi)有縫隙，再到20mm時(shí)，與葉片貼附能力極差，出現(xiàn)較大縫隙，表面質(zhì)量極差，出現(xiàn)大量縮孔凹陷。

厚度增大，合金的質(zhì)量m增加，根據(jù)Q=m·q，合金具有的總熱能Q上升，散熱系數(shù)K不變的情況下，散熱時(shí)間增大，固化時(shí)間變長(zhǎng)，同時(shí)，合金內(nèi)部與外壁的溫度場(chǎng)分布不均勻性加劇，因此，縮孔、縫隙、邊緣鼓包等缺陷變大，表面粗糙程度變差，同時(shí)合金過(guò)大時(shí)，溫度場(chǎng)變化復(fù)雜，葉片變形加劇，而當(dāng)合金厚度過(guò)小時(shí)，合金冷卻速率較大，充盈效果變差，影響澆鑄剛性和葉片變形，因此，澆鑄合金的厚度應(yīng)結(jié)合葉片取適宜的數(shù)值。

4 結(jié)語(yǔ)

葉片加工變形諸多控制方法中，都涉及對(duì)工件進(jìn)行填充物澆鑄增強(qiáng)剛性控制變形的內(nèi)容，因此，本文對(duì)填充物澆鑄效果設(shè)計(jì)了多因素的對(duì)照試驗(yàn)，總結(jié)變形規(guī)律，并且對(duì)對(duì)稱(chēng)厚度澆鑄效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析。澆鑄結(jié)果如下所示：

澆鑄變形量隨對(duì)稱(chēng)澆鑄厚度的增大先降低后升高，澆鑄厚度應(yīng)該適當(dāng)，太小會(huì)影響流動(dòng)性，使得填充物不均勻，太大會(huì)加劇溫度場(chǎng)不均勻性，使得合金強(qiáng)度變差，變形增大。

后期可以繼續(xù)此方向，針對(duì)澆鑄對(duì)稱(chēng)性、冷卻速度、非金屬材料等一系列因素展開(kāi)討論和試驗(yàn)分析。