整體葉盤葉片加工技術(shù)研究

馮湛++劉娜

[摘 ?要]本文詳細介紹了整體葉盤的整體特征、優(yōu)缺點以及在航空發(fā)動機上的應(yīng)用情況，在分析國內(nèi)外整體葉盤制造技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過分析比較現(xiàn)有加工技術(shù)，在給出最佳復(fù)合制造工藝方案的同時，綜合分析了整體葉盤數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)，包括分析通道與劃分加工區(qū)域、確定最佳刀軸方向與光順處理、高效粗加工葉盤通道、開槽加工和精確加工葉型等。

[關(guān)鍵詞]整體葉盤 ?航空發(fā)動機 ?數(shù)控加工 ?葉片型面

中圖分類號：TG75 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0015-03

引言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，為滿足發(fā)動機高速、高推比的要求，在新型中小發(fā)動機的設(shè)計中大量采用整體結(jié)構(gòu)葉輪。整體葉輪是20世紀80年代中期出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)，它省去了連接用的榫頭、榫槽，使葉輪具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、比強度高等一系列優(yōu)點，而且采用整體葉盤可以消除葉片與輪盤連接時氣流在榫根和槽縫中的逸流損失，也可以避免由于葉片與輪盤裝配不當或榫頭腐蝕，特別是微動腐蝕、裂紋及鎖片損壞帶來的故障。因此，整體葉盤結(jié)構(gòu)在新研制的高推比航空發(fā)動機上得到了推廣應(yīng)用。

但是整體葉盤也存在難以避免的缺點：（1）這類葉輪大多工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下，選用材料多為不銹鋼、合金鋼、耐熱合金等難切削材料，再加上其為整體結(jié)構(gòu)，有幾十個甚至上百個復(fù)雜型面葉片，其加工一直是制造業(yè)中的難點。（2）在用榫頭連接的結(jié)構(gòu)中，可以更換單個損壞的或有缺陷的葉片，而整體葉片不能更換葉片，很有可能因為一個葉片損壞而報廢整個整體葉盤。（3）由于高壓壓氣機葉片短而薄，葉片離心力較小，輪緣徑向厚度小，采用整體葉盤結(jié)構(gòu)重量減小不顯著。

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及典型應(yīng)用實例

整體葉盤毛坯一般采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，不允許有裂紋和缺陷，必須經(jīng)過嚴格無損探傷檢查;整體葉盤葉片薄、扭曲度大、葉展長、受力易變形，并且葉片間的通道深，開敞性很差，因此整體葉盤的制造和維修都特別困難，是國外嚴密封鎖的核心技術(shù)。

國外整體葉盤制造采用的主要工藝有：精鍛毛坯+精密數(shù)控加工;焊接毛坯+精密數(shù)控加工;高溫合金整體精鑄毛坯+熱等靜壓處理等。由于數(shù)控加工具有快速反應(yīng)和可靠性高的特點，美國GE和P.W公司、英國R.R等公司在研制整體葉盤時采用了五坐標數(shù)控加工技術(shù)。

整體葉盤的應(yīng)用很廣，具有代表性的有如下幾個：（1）EJ200發(fā)動機是最先采用整體葉盤結(jié)構(gòu)的發(fā)動機，它采用焊接方法將轉(zhuǎn)子葉片和輪盤作成一體，整體葉盤材料為鈦合金;（2）美國通用電氣公司研制的F414發(fā)動機的第2、3級風扇也是采用焊接方法做成整體葉盤結(jié)構(gòu)，材料為鈦合金（Ti17），高壓壓氣機前三級也是整體葉盤，毛坯為鍛件，葉型采用電化學(xué)加工;（3）美國惠普公司研制的第四代戰(zhàn)斗機的動力裝置——F119發(fā)動機的六級軸流高壓壓氣機都是整體葉盤，第1～2級為鈦合金，第3～6級為粉末高溫合金;

整體葉盤從整體毛坯到零件的制造過程中，材料切除率超過90%，綜合技術(shù)難度非常大，集中反應(yīng)了國際數(shù)控加工相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)和最高水平。

國內(nèi)在整體葉輪葉盤相關(guān)軟件和加工關(guān)鍵技術(shù)方面也進行了大量的研究。西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)出了“葉輪類零件多坐標NC編程專業(yè)軟件系統(tǒng)”，該系統(tǒng)集測量數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面建模、曲面消隱、刀位計算、刀位驗證及后置處理于一體，已在20多種葉輪葉盤的研制與生產(chǎn)中應(yīng)用。

2.最佳復(fù)合制造工藝分析

本文在充分分析整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點和制造工藝需求的基礎(chǔ)上給出了一種最佳的整體葉盤復(fù)合制造工藝。從工藝流程上將整體葉盤的職責劃分為近成形毛坯制造、精確成型加工以及表面檢測與拋光等主要階段。針對每個階段，篩選出典型工藝方法及其使用條件，并根據(jù)葉盤制造過程不同階段的特點，特別是葉片的復(fù)雜程度，調(diào)整工藝集成方案，優(yōu)選出成熟、穩(wěn)定度高的工藝組合。

在近成形毛坯制造階段，可采用鍛造、焊接和精鑄3種工藝。由于整體葉盤為重要受力部件，必須滿足強度要求，所以尺寸較大的葉盤一般選用整體鍛造或焊接方案。從目前國內(nèi)工藝的可行性、成熟度以及毛坯強度考慮，整體葉盤研制階段主要采用整體鍛造得到初始毛坯，然后采用電解加工、線切割、數(shù)控銑削等高效數(shù)控粗加工技術(shù)制造出近成形毛坯。

在精確成型加工階段，可采用電解加工和整體數(shù)控銑削等工藝。電解加工過程無機械切削力，加工應(yīng)力小，適用于難加工材料零件和難銑削的細節(jié)加工，但目前需進一步研究解決電蝕層和光整加工等問題。數(shù)控銑削工藝用銑刀的五軸運動包絡(luò)銑削加工出流道形狀。這種工藝適用于整體閉式葉盤和其他具有復(fù)雜曲面葉片的整體葉盤。

因此從以上可知，國內(nèi)目前能夠滿足研制和小批量試制需求較為可行的技術(shù)途徑是：近成形毛坯應(yīng)首選“等溫鍛造+高效低應(yīng)力粗加工”方法，并進一步減少精鍛毛坯余量以縮短加工周期;精確成型加工宜采用五坐標數(shù)控銑削工藝。這種工藝具有快速響應(yīng)特點，所需專用工藝裝備少、工藝較成熟且已制造出了合格的葉盤。因而該工藝是研制和小批量試制階段較為理想的選擇。葉型數(shù)控銑削完成后，可選用手工拋光以提高表面光潔度和完整性。

3.關(guān)鍵技術(shù)分析及現(xiàn)存問題處理

3.1 分析通道與劃分加工區(qū)域

為了判定葉盤數(shù)控加工的工藝性和刀具的可達性，必須首先對通道特征進行分析。分析結(jié)果可為工藝人員確定數(shù)控加工刀具參數(shù)、制定加工工藝提供必備的信息。通道分析的內(nèi)容包括：通道的最窄寬度、約束狀態(tài);葉片的性質(zhì)（包括葉片是直紋面還是自由區(qū)面）、葉片的扭曲度、各個截面的厚度、前后緣大小及變化情況、過度圓角半徑及其是否變化;加工可行性等。如果葉盤通道刀具是可達的，該葉盤可加工;如果通道刀具是不可達的，則該零件不可采用數(shù)控加工完成。

3.2 確定最佳刀軸方向與光順處理

整體葉盤的葉型曲率變化大，其加工處在多約束狀態(tài)下。在刀軌計算中，刀軸方向的確定是實現(xiàn)無干涉及高效加工的關(guān)鍵和難點。對于通道內(nèi)部葉片上的同一點，所需加工刀具長度隨刀軸方向變化而變化，且相差很大。若采用固定刀軸側(cè)銑則需很長的刀具，刀具的剛性和切削效率將嚴重降低。采用變刀軸點接觸加工時，刀軸方向與葉盤軸向的夾角越小所需刀具長度越短。因此，可通過確定最佳刀軸方向得到最短的刀具長度、最大的刀具剛性和加工效率。確定最佳刀軸方向的準則為：在與通道四周不產(chǎn)生干涉的條件下，刀軸與葉盤軸向的夾角應(yīng)為最小。

在實際計算中，按最佳刀軸方向準則計算得到每個刀位點的刀軸方向，由于受通道多約束的影響，相鄰刀位點之間的刀軸方向可能會產(chǎn)生不連續(xù)變化。在加工過程中，刀軸方向的這種突變會使得五坐標數(shù)控機床工作臺的回轉(zhuǎn)或主軸的擺動突然變快或變慢，導(dǎo)致刀具的切削力產(chǎn)生突變，輕則造成被加工零件表面質(zhì)量降低或啃傷，重則會導(dǎo)致刀具的刃部損壞甚至刀具折斷。因此，必須在最佳刀軸方向初始矢量的基礎(chǔ)上進一步進行光順處理，但該光順必須在通道多約束條件下進行，以防止調(diào)整后的刀具與通道發(fā)生干涉。為了確保葉盤在加工過程中不發(fā)生干涉和碰撞現(xiàn)象，必須對刀具軌跡進行驗證和干涉碰撞檢查，以確定刀位點計算的正確性，刀桿是否與通道四周干涉，刀柄和主軸頭是否與工件和夾具碰撞。

3.3 粗加工葉盤通道

整體葉盤從毛坯到成品的加工過程中，大約有90%的材料被切除，其中絕大部分是在葉盤通道的粗加工階段完成，因此，高校粗加工是提高加工效率、縮短制造周期的關(guān)鍵。由于材料切除量大，粗加工后葉盤內(nèi)會產(chǎn)生較大的切削應(yīng)力。為了控制粗加工應(yīng)力造成的變形，經(jīng)常采用的措施是通過熱處理工藝消除切削應(yīng)力以減小后期變形。熱處理后不僅葉盤的變形得到了控制，同時還進一步減少了葉盤精加工前的近成形毛坯余量，明顯縮短了加工周期。

3.4 開槽加工

葉輪的毛坯是實體鍛壓件，開槽的目的在于將葉片間的氣道開通，形成通道，為粗加工做好準備。開槽加工中槽的位置宜選在氣流通道的中間位置，一般采用圓柱形玉米銑刀銑削加工，并保證槽底與輪轂表面留有一定的加工余量。考慮到給粗加工留下的加工余量盡量均勻，而氣道寬度又是不等的，所以刀具的具體公稱尺寸需要認真選取，寬闊處采用大直徑刀具，狹窄處采用小直徑刀具，還要考慮毛坯材料、刀具強度和切削過程中的冷卻問題。

3.5 精確加工葉型

整體葉盤的精加工涉及內(nèi)環(huán)、外環(huán)、葉片型面、前后緣、葉根過渡區(qū)等加工特征。內(nèi)環(huán)、外環(huán)屬于回轉(zhuǎn)面，采用數(shù)控車削加工方法;葉盤的葉片表面是帶相鄰面約束的溝槽側(cè)面，采用基于臨界線的專用五軸數(shù)控精加工方案;葉根過渡區(qū)是自由曲面交線，采用“半徑遞減”清根方案。

葉型精加工路徑采用順銑加工，在進氣緣處多走過一點，避開圓角。葉型精加工最好與清根加工安排在一次加工中完成，這樣可保證葉片表面沒有刀痕，表面加工的一致性較好。若葉片與輪轂的過渡圓弧太小，則需按圓弧大小單獨選擇球頭錐銑刀清根。

精銑加工的走刀路徑為螺旋銑，加工方式也是分段，順序為半精加工第一段后立刻進行精加工，其次再進行第二段的半精加工、精加工，總共以此類推累計4段完成整個葉身型面的加工。精加工銑銷方式為逆銑，刀具采用直徑為12mm的整體硬質(zhì)合金球頭銑刀，主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進給為500x100%，殘留高度定義為0.01，余量0.2mm，切削時間為每個葉片67分鐘。MAX-AB軟件編制的螺旋銑精加工采用變軸方式，軟件本身可以根據(jù)模型以及操作者定義的刀具大小自動的進行計算，生成合理的刀位軌跡，該軟件操作簡單，程序編制方便快捷，將加工葉盤的優(yōu)勢體現(xiàn)的淋漓盡致。通過實際加工，葉片表面平滑，層與層之間有輕微的接刀痕，肉眼可清晰的看到，后續(xù)的拋光工序能夠?qū)⑵淙菀椎奶幚淼簟?/p>

根據(jù)葉片型面特征，依刀具與曲面接觸的方式分類，五坐標數(shù)控銑削加工葉片型面可分為“線接觸”（側(cè)刃銑）和“點接觸”兩類成型方式。線接觸使刀具的整個側(cè)邊與葉片相接觸，對薄葉片加工時的回彈影響大，所以線接觸加工只是近似的加工方法，無論采用單點偏置、雙點偏置還是多點偏置法，都將產(chǎn)生擬合誤差，存在過切、欠切等問題。要使葉片誤差控制在允許的范圍內(nèi)，數(shù)控編程難度大。點接觸銑削使刀具在切削過程中始終保持刀刃與被加工曲面相切于一個點，因此適用于自由曲面的葉片加工。

針對自由曲面的葉型面采用點銑加工時，切削行寬度，即兩條刀具軌跡之間的線間距，與刀具半徑R和殘留高度h密切相關(guān) （見圖3）。用球形刀加工曲面時，刀痕在切削行間構(gòu)成了殘留高度A[14]。由圖3可看出，若允許的最大殘留高度為s ，經(jīng)推導(dǎo)可得切削行寬度。

如圖5所示，采用刀具通常為球頭銑刀或球頭錐形銑刀，球心在被加工曲面的等距面上連續(xù)運動，是一種精確成形的加工方式，對薄葉片加工時的回彈影響小。但是這種方法卻有一些不可避免的缺點：○1葉片表面不光順，會留下一些小凹槽（殘留高度）;○2對于彎曲程度較厲害的葉片，由于葉片空間距離較近，加工過程中與相鄰葉片間的干涉很難避免;○3如果要減輕凹槽對流場的影響，就需要減少行距，即刀具必須繞葉片加工很多次;○4刀具耐用度及加工效率低。

4 檢測結(jié)果

葉型的測量在三坐標測量機上完成，根據(jù)刀具的新舊，加工參數(shù)的不同，加工方式的差異選出了7片葉片進行檢測。 測量采用掃描進行，將每片葉片各個截面的實際形狀以測量點的形式掃描出來后，利用BLADE葉片測量數(shù)據(jù)專用分析軟件對結(jié)果進行分析。經(jīng)過測量分析后，葉片型面的各項技術(shù)條件基本控制在了要求的范圍之內(nèi)，如下表和圖為檢測分析結(jié)果。

5 結(jié)論

經(jīng)過攻關(guān)研究后的某盤零件工藝，我們針對葉片加工的結(jié)果進行了分析。葉片初靠近葉根處的排氣邊部分厚度偏厚外其他部分輪廓形狀都較好，葉片扭轉(zhuǎn)誤差也在6分以內(nèi)，位置度誤差也在設(shè)計要求之內(nèi)，葉片進排氣邊圓弧部位也都實現(xiàn)了圓滑過渡。針對葉根處厚度偏厚的缺點，我們認為可在拋光工序當中對葉片根部排氣邊部位集中拋光去除余量，使葉片在整體輪廓度上滿足設(shè)計要求。