航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)制造技術(shù)

董艇艦，倪振飛

（中國(guó)民航大學(xué)，天津 300300）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)制造技術(shù)

董艇艦，倪振飛

（中國(guó)民航大學(xué)，天津 300300）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是飛機(jī)的主要承力部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能起著關(guān)鍵的作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能很大程度上取決于葉片質(zhì)量，葉片的質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性有著直接影響。葉片最終成形一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的瓶頸技術(shù)，本文從葉片使用材料、葉片的加工與拋光以及葉片的檢測(cè)三個(gè)方面來(lái)介紹發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)比了國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)水平。

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片；材料；葉片加工與拋光；葉片檢測(cè)

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用材料

1.1 渦輪葉片材料的發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料的第一次革命開(kāi)始于高溫合金的成功研制，憑借其優(yōu)異的高溫使用性能全面代替了高溫不銹鋼，極大的提高了葉片的使用溫度，達(dá)到了800 ℃ 水平。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料的第二次革命開(kāi)始于定向凝固高溫合金的成功研制，定向凝固高溫合金通過(guò)控制結(jié)晶生長(zhǎng)速度，使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，改善了合金的強(qiáng)度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，使葉片的使用溫度達(dá)到了 1000 ℃水平。定向凝固技術(shù)發(fā)展為單晶合金，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的耐溫能力、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和抗腐蝕特性。以第一代單晶合金為基礎(chǔ)，又研發(fā)出了第二代單晶合金，使其工作溫度提高了30 ℃。第三代單晶合金，使得葉片的高溫蠕變強(qiáng)度得到極大提高，高溫使用壽命也大大提高，其高溫使用壽命可達(dá)到150小時(shí)，是第一代單晶合金壽命的十幾倍。第四代單晶合金進(jìn)一步提高了葉片的使用溫度，可達(dá)到了1200 ℃，高溫下的持久壽命相比于前幾代單晶合金也有了很大提高。各代的單晶成分如表1所示。

1.2 我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造渦輪葉片發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀

我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)起步較晚，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的研制也長(zhǎng)期處于落后水平，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，以我國(guó)的資源條件和技術(shù)水平為基礎(chǔ)，仿制和研制了一系列的鎳基鑄造高溫合金，其性能基本達(dá)到了我國(guó)的使用要求。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前的鎳基高溫合金已制成多種渦輪葉片，并且在1173～1223K的溫度下，能夠持久穩(wěn)定地工作。為進(jìn)一步提高葉片的使用溫度，在現(xiàn)有鎳基高溫合金的基礎(chǔ)上，成功研制了強(qiáng)制空冷的空心鑄造渦輪葉片，經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)改進(jìn)，葉片的使用溫度顯著提高 ，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的推力得到顯著提高。近年來(lái)，我國(guó)的單晶合金葉片的研制也取得了巨大進(jìn)展。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造

2.1 葉片的數(shù)控加工方法

葉片的葉身部分由復(fù)雜曲面組成，這極大的增加了葉片的加工難度。按照曲面的成形原理可將曲面分為直紋面和非直紋面。其中直紋面又可分為可展直紋面和不可展直紋面。葉片數(shù)控加工方法可分為點(diǎn)銑法和側(cè)銑法。點(diǎn)銑法的銑削原理是由點(diǎn)匯成線，由線組成面，其加工要點(diǎn)是在切削過(guò)程中刀刃與被加工曲面始終保持一點(diǎn)相切。點(diǎn)銑法主要適用于自由曲面的葉片加工。點(diǎn)銑法加工有精度高、葉片設(shè)計(jì)型面的一致性高、氣動(dòng)性能好的優(yōu)點(diǎn)。也有加工效率低下、刀具磨損嚴(yán)重的不足之處。

側(cè)銑法的銑削原理是利用銑刀刀刃的母線在加工中形成的包絡(luò)面來(lái)逼近曲面成形，其加工要點(diǎn)是切削過(guò)程中刀具的側(cè)刃與被加工曲面始終保持接觸。側(cè)銑法主要適用于直紋面型葉片。側(cè)銑法具有葉片的表面粗糙度好，葉片的加工效率高,生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的拋光技術(shù)

葉片形狀、表面粗糙度對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率產(chǎn)生很大影響，我國(guó)目前的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片拋光工作主要是由手工完成，由于拋光操作人員的操作技巧和熟練程度不同，葉片的型面精度、 表面質(zhì)量必然會(huì)產(chǎn)生誤差，給葉片拋光精度的控制造成了較大困難。因而，開(kāi)展葉片自動(dòng)化拋光技術(shù)的研究，對(duì)我國(guó)的航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義。

表1 四代單晶合金成分變化

目前， 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片拋光的技術(shù)主要存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：

（1）葉片的加工余量不均勻。

（2）葉片邊緣曲率半徑很小。

（3）轉(zhuǎn)接圓弧的形狀復(fù)雜且半徑很小。葉片拋光技術(shù)主要包括砂輪磨削和砂帶磨削兩類。當(dāng)前，磨削加工精度和加工效率都很高，這得益于超硬磨料立方氮化硼和人造金剛石砂輪的應(yīng)用。超硬磨料砂輪具有加工的優(yōu)點(diǎn)有：工件表面質(zhì)量高、發(fā)熱小、不易燒傷工件等，適用于葉片等精密件的高效加工。

砂帶磨削技術(shù)作為一種新型磨削技術(shù)，也是不斷發(fā)展的，它的發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)階段：手工打磨、半機(jī)械化、機(jī)械化磨削。由于砂帶磨削的機(jī)械機(jī)構(gòu)比較靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)各類復(fù)雜自由曲面的精密或超精密加工。其磨削結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 砂帶磨削結(jié)構(gòu)示意圖

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的質(zhì)量檢測(cè)

葉型檢測(cè)難點(diǎn)具體表現(xiàn)為 ：

（1）對(duì)測(cè) 量的 精 度 和 效 率 要 求 高。一般會(huì)達(dá)到微米級(jí)。

（2）對(duì)測(cè)量的可靠性要求高。

（3）測(cè)量數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜。

測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、模型配準(zhǔn)方法和誤差評(píng)定模型的不同，對(duì)葉片測(cè)量的精度和可靠性會(huì)產(chǎn)生很大影響。

①數(shù)據(jù)采集。提高葉片表面數(shù)據(jù)采集的精度，是確保檢測(cè)質(zhì)量的前提。

②模型匹配是確保檢測(cè)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。找到測(cè)量數(shù)據(jù)與曲面造型的對(duì)照點(diǎn)， 使測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)系與模型坐標(biāo)系對(duì)齊是模型匹配的要點(diǎn)。

③誤差評(píng)定。誤差評(píng)定的內(nèi)容包括葉型參數(shù)誤差和形位誤差兩種， 其中形位誤差是誤差評(píng)定的關(guān)鍵參數(shù)。

目前，我國(guó)多數(shù)葉片生產(chǎn)單位仍然采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)樣板測(cè)量， 該法具有精度差，效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。我們應(yīng)該學(xué)習(xí)西方先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，大力推廣三坐標(biāo)測(cè)量檢測(cè)技術(shù)。葉片制造過(guò)程中檢測(cè)周期長(zhǎng)、檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題可以通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量檢測(cè)技術(shù)得到很好的解決。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著航空業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用壽命提出了更高的要求，這無(wú)疑會(huì)增加葉片的加工制造的難度。本文的目的在于給參與發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的科研工作者們提供一個(gè)新的思路。

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A

1671-0711（2016）11（下）-0176-02

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題，課題編號(hào)：2013ZX04001071。