航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪光整加工現(xiàn)狀及方法研究

張宏友，吳鳴宇

（大連海洋大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院遼寧大連 116300）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉輪的光整加工，國(guó)內(nèi)處于剛剛起步的階段。在國(guó)內(nèi)飛機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的搖籃——沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)公司調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)家最高水平的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的拋光還處于手工拋光階段。所以對(duì)于整體發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪的光整加工，是一個(gè)急于開(kāi)拓的新課題。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪的光整加工，存在的問(wèn)題主要包括:1）由于整體飛機(jī)葉輪較大，而且表面粗糙度要求高，所以沒(méi)有專(zhuān)用的光整加工設(shè)備來(lái)加工整體葉輪表面。2）在加工機(jī)理上，國(guó)內(nèi)沒(méi)有現(xiàn)成的空氣動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行分析整體飛機(jī)葉輪表面粗糙度與空氣動(dòng)力學(xué)的關(guān)系和設(shè)計(jì)理論。3）在加工方法上，沒(méi)有完整的加工方法，只是停留在手工拋光階段。這不但使加工出來(lái)的葉輪表面紋理參差不齊，而且在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生表面缺陷和裂紋。

在已有的葉輪加工方法中，有些企業(yè)也研制了一些葉輪的加工方法，但主要停留在小的航空葉輪，主要方法包括振動(dòng)拋光和滾筒拋光。不過(guò)對(duì)于尺寸巨大的整體發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪，振動(dòng)拋光和滾動(dòng)拋光都沒(méi)辦法使表面粗糙度達(dá)到要求，而且操作起來(lái)也極其不方便。本文對(duì)整體飛機(jī)葉輪的加工方法和表面機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的探討，對(duì)于開(kāi)展這方面的研究可以起到一個(gè)拋磚引玉的作用，進(jìn)而逐步建立起，飛機(jī)整體葉輪的光整加工體系。對(duì)于國(guó)家的航空機(jī)械制造業(yè)，有一些啟發(fā)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪表面粗糙度不但對(duì)加工提出了很高的要求，在空氣動(dòng)力學(xué)的研究機(jī)理上也有著重要的影響，所以有必要先探討一下目前國(guó)內(nèi)外整體飛機(jī)葉輪表面粗糙度的研究現(xiàn)狀。

1 國(guó)內(nèi)外整體飛機(jī)葉輪表面粗糙度的現(xiàn)狀

從空氣動(dòng)力學(xué)的角度，具有漸變表面粗糙度和符合空氣動(dòng)力學(xué)要求的表面微觀紋理結(jié)構(gòu)的葉輪具有更好的氣動(dòng)性能，并將能夠進(jìn)一步提高壓氣機(jī)的效率。并且大量的研究結(jié)果表明:在同一粗糙度量級(jí)下，表面具有橫向、斜向以及流線(xiàn)型不同紋理的葉輪對(duì)氣流流動(dòng)的影響存在一定差異，其轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)差別較大;企業(yè)的調(diào)研情況也證明了此種觀點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體飛機(jī)葉輪的生產(chǎn)商，主要集中在幾個(gè)軍工企業(yè)中，所以大部分都是涉密內(nèi)容。通過(guò)中航工業(yè)下屬的黎明發(fā)動(dòng)機(jī)廠調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，整體葉輪表面粗糙度和國(guó)外相比還有很大的差距，在整體飛機(jī)葉輪中，其加工部位的粗糙度各不相同，在葉輪根部，其粗糙度值為0.4;在葉輪流道部位，其粗糙度為0.8;而在葉片身部，其粗糙度值為0.4;并且葉輪流道的過(guò)渡曲線(xiàn)采用圓弧光滑過(guò)渡。對(duì)葉輪的加工紋理也有特殊要求，在進(jìn)氣邊和排氣邊的6 cm范圍內(nèi)不允許有橫向加工痕跡，但可以有縱向加工痕跡。因?yàn)闄M向紋理在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生斷裂和表面缺陷，而縱向裂紋則大大增加了飛機(jī)使用過(guò)程中葉輪的安全性和可靠性。在加工方法中，目前黎明發(fā)動(dòng)機(jī)廠還采用手動(dòng)拋光來(lái)作為葉輪表面的終加工工序。采用手持砂帶或小的砂輪機(jī)來(lái)拋光大型的葉輪表面。雖然也有過(guò)精密拋光這方面加工方法改進(jìn)的設(shè)想，但由于加工條件和設(shè)備的限制，還沒(méi)有具體的方案，但也提出了精密電解拋光，振動(dòng)光飾等想法。

根據(jù)英國(guó)Rolls-Royce公司的研究數(shù)據(jù)表明:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的加工精度由60 μm提高到12 μm，表面粗糙度由Ra 0.5 μm減小到 Ra 0.2 μm，則發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮效率將從89%提升到94%，提高5個(gè)百分點(diǎn)［1］。如果葉片表面的粗糙度值降為現(xiàn)有值的10%，則葉片的熱導(dǎo)率提高1倍.國(guó)產(chǎn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比相對(duì)國(guó)外同類(lèi)型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)要低30%，其中一個(gè)重要原因?qū)κ菤鈩?dòng)性能約束的整體葉輪微觀漸變形貌加工極為困難，品質(zhì)至少低一個(gè)等級(jí)，最低表面粗糙度只有0.8 μm，嚴(yán)重影響了壓縮效率的提高。

所以說(shuō)新的加工方法，首先應(yīng)該建立在提高粗糙度等級(jí)的基礎(chǔ)上。

2 新的加工方法

目前磨粒流加工工藝現(xiàn)已在美國(guó)以及其他一些西方國(guó)家的航空、航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，解決了精密復(fù)雜零件在實(shí)際使用中出現(xiàn)的低壽命和低疲勞強(qiáng)度等技術(shù)關(guān)鍵，所以針對(duì)于整體飛機(jī)葉輪，也可以進(jìn)行這方面的探討。

磨粒流加工（abrasive flow machining，AFM），是美國(guó)于20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種表面光整加工新工藝。它是使含有磨粒的、具有粘彈性、柔軟性和切削性的磨流介質(zhì)在擠壓力作用下形成一個(gè)半固態(tài)的、可流動(dòng)的“擠壓塊”，高速往復(fù)流過(guò)工件欲加工表面，產(chǎn)生磨削作用而去除金屬的一種加工方法［2］。

磨料流加工最初在1983年進(jìn)入國(guó)內(nèi)，開(kāi)始主要是作為進(jìn)口成套設(shè)備的配套設(shè)備引進(jìn)的。其后太原理工大學(xué)等單位對(duì)這一新加工工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，成功開(kāi)發(fā)了磨料流機(jī)床，流體磨料及完整的加工工藝。目前，航空部門(mén)應(yīng)用磨粒流拋光技術(shù)較多，主要用于小孔及航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面光整、去毛刺等。如:我國(guó)航空625所及西安的430廠等都有引進(jìn)的美國(guó)磨粒流加工設(shè)備，解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面光整問(wèn)題。首都航天機(jī)械公司針對(duì)幾種典型的航天零件進(jìn)行了磨粒流加工，對(duì)磨粒流加工工藝方法進(jìn)行了探索。沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)有限公司，根據(jù)窄流道閉式葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)采用AFM方法對(duì)葉輪流道進(jìn)行拋光。經(jīng)過(guò)磨粒流拋光后，葉輪流道的表面粗糙度可達(dá)到Ra1.4～0.45 μm，拋光后壓縮機(jī)的效率可提高1%左右。在檢測(cè)葉輪流道內(nèi)部表面粗糙度時(shí)，只要檢測(cè)葉輪出氣端的表面粗糙度，如果能夠符合要求，則就可以認(rèn)為整個(gè)葉輪拋光后的流道表面粗糙度是合格的。采用磨粒流加工方法對(duì)窄流道葉輪流道內(nèi)部進(jìn)行拋光不僅能滿(mǎn)足其表面粗糙度要求，而且拋光的效率高，表面品質(zhì)好。從而解決了高壓小流量離心壓縮機(jī)制造中的葉輪拋光難題。

磨粒流加工工藝現(xiàn)已在美國(guó)以及其他一些西方國(guó)家的航空、航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，解決了精密復(fù)雜零件在實(shí)際使用中出現(xiàn)的低壽命和低疲勞強(qiáng)度等技術(shù)關(guān)鍵。如:美國(guó)EXTRUDEHONE擠壓研磨公司運(yùn)用磨料流加工方法解決了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片風(fēng)翼以及其他冷通道的流動(dòng)阻力協(xié)調(diào)問(wèn)題，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，同時(shí)也挽救了已報(bào)廢的零件。另如:美國(guó)DYNATICS公司為美國(guó)某航天發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控銑削加工后的整體葉輪表面做磨粒流加工，解決了該葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的斷裂問(wèn)題。V.K.Jain等人通過(guò)試驗(yàn)對(duì)磨粒流拋光技術(shù)的加工機(jī)理也進(jìn)行了詳細(xì)的分析，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1，通過(guò)改變磨粒流加工的工藝參數(shù)來(lái)分析不同參數(shù)對(duì)磨粒流加工結(jié)果的影響，針對(duì)不同材料得到其最佳的加工參數(shù)范圍，并建立了相應(yīng)的加工模型。

圖1 傳統(tǒng)磨料流機(jī)床示意圖

針對(duì)所研究的結(jié)果，設(shè)計(jì)此磨料流加工設(shè)備如圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)包括，夾具，床身，分流，導(dǎo)流裝置，及旋轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)。當(dāng)擠壓磨料流通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)提供磨料進(jìn)入上進(jìn)料口后，經(jīng)過(guò)夾具體上部導(dǎo)流分流裝置進(jìn)入到整體葉輪由葉片及夾具體形成的葉珊空腔內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)夾具體下部的導(dǎo)流及分流裝置通過(guò)出料口流回料箱，同時(shí)在該裝置內(nèi)部通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使磨拋更加均勻，并且可以增加工件表面的速度，而速度越大，拋光效果越好，應(yīng)該是以往普通磨料流設(shè)備的一種改進(jìn)。

圖2 整體飛機(jī)葉輪的磨料流設(shè)備內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖

3 結(jié)論與展望

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪的拋光，應(yīng)該屬于機(jī)械加工的終加工工序，對(duì)于此課題應(yīng)該進(jìn)行高速動(dòng)力傳遞功能表面微型貌特征的數(shù)字化建模與精確創(chuàng)成研究，對(duì)其的研究，能夠揭示航空動(dòng)力傳遞功能表面微型貌的特征與與表層性態(tài)的生成機(jī)制，進(jìn)而建立起性能驅(qū)動(dòng)的航空整體葉輪精確創(chuàng)成表面的參數(shù)檢測(cè)與性能綜合評(píng)價(jià)體系，提出適應(yīng)特定表面微形貌和表層性態(tài)要求的數(shù)字化精密磨削與拋光方法，為高性能航空動(dòng)力傳遞零部件的精密加工提供先進(jìn)的理論與技術(shù)支撐。

［1］高航，趙振，孫玉文.航空葉輪葉片拋光技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.中國(guó)（國(guó)際）光整加工技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，ICSFT 2010.

［2］姜澄宇.從國(guó)外民機(jī)重大研究計(jì)劃看大型民機(jī)發(fā)展的重大關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國(guó)航空學(xué)會(huì)，2007年學(xué)術(shù)年會(huì).