提高壓氣機靜子葉片疲勞性能工藝方法研究

藺治強+金秀杰+梁巧云

摘 要：由于先進發動機性能水平的不斷提高，壓氣機葉片的結構形式變得越來越復雜，其幾何精度水平、綜合質量水平要求越來越高，成型、加工和表面完整性的保證變得越來越困難，為提高壓氣機葉片疲勞壽命，在保證幾何尺寸精度的條件下，開展提高壓氣機靜子葉片疲勞性能工藝方法研究。

關鍵詞：抗疲勞；機械光整；表面粗糙度；硬度

引言

抗疲勞制造技術是指在不改變零件材料和截面尺寸的前提下，通過在制造工藝過程中改變材料的組織及應力分布狀態來提高零部件疲勞壽命的制造技術。壓氣機葉片尺寸精度和表面粗糙度直接影響發動機性能和可靠性。經計算和試驗表明，因壓氣機葉片尺寸精度和表面粗糙度，特別是進排氣邊形狀、尺寸精度的影響，壓氣機效率可降低約2%，排氣溫度升高約30度，為了保證發動機可靠性，提高葉片疲勞壽命，改善葉片敏感部位的加工工藝方法勢在必行。

1 試驗

1.1 工藝方案的確定

航空發動機壓氣機葉片型面經數控銑削后留有銑加工痕跡，表面粗糙度及表面紋理無法滿足設計要求。采用傳統的手工拋光方法由于受人為因素的影響，造成葉片型面幾何精度下降，不能滿足設計要求，也影響了發動機的整機性能。由于壓氣機葉片型面薄，進、排氣邊緣相當于“尖邊”，采用普通滾磨光整加工工藝易造成葉片型面形狀破壞，尤其是葉片進排氣邊緣出現“方頭”的現象，也不能滿足設計要求。為了解決上述問題，提出一種特定的主軸固定式滾磨光整加工工藝，通過光整去除復雜結構薄型葉片葉身型面的銑削刀紋，提高表面粗糙度等級，同時保持葉片的幾何精度不變，尤其是要保持葉片進排邊緣的形狀不被破壞。

1.2 試驗及分析

根據對葉片光整質量及疲勞性能影響因素的分析，通過磨料、磨液優選試驗，證明選用RS系列磨料、HYF型鋼磨液去除銑削刀紋的效果較好；通過對葉片擺放角度、磨料切削速度、磨料深度、保護銷距離等工藝參數的對比試驗，證明選取表1所列的工藝參數去除刀紋效果最佳；通過綜合試驗及改進，解決了光整加工效率低、光整加工中零件變形量大、葉片進、排氣邊緣粗整后留有輕微銑加工痕跡等關鍵技術。最終通過綜合穩定性試驗及測試，證明主軸固定式滾磨光整工藝穩定，且表面完整性優于原工藝方法，提高葉片的疲勞性能。

（1）表面形貌及表面缺陷測試。光整后表面狀態用表面紋理儀檢測（放大60倍），見圖1所示。葉片光整前表面有明顯的縱向刀紋，光整后消除了銑削刀紋，并形成了均勻的P型紋理（微觀魚鱗坑），對提高零件的耐磨性是非常有益的，同時提高了葉片的使用壽命。（2）表面應力狀態測試對比。用LXRD-X射線應力分析儀，對滾磨光整后、原工藝手工拋光及振動光飾后三種狀態進行檢測對比，檢測數據見表2及圖2所示。（3）表面粗糙度值測試對比。用觸針式粗糙度儀，對滾磨光整前后的粗糙度值進行了檢測及對比，檢測數據見表3及圖3。（4）表面硬度測試對比。由于試驗條件所限，本試驗僅對葉片型面的表面硬度進行了檢測，表4光整前后硬度對比。光整后葉片表面硬度值比光整前提高4.5%左右。（5）葉片進排氣邊緣圓滑轉接即棱邊質量測試。如圖5所示，葉片經機械光整后完整地保留了數控銑后邊緣的形狀，葉片進排氣邊緣圓滑轉接良好，保證葉片幾何尺寸精度和形狀滿足設計要求。圓滑的棱邊質量可以降低氣流產生的噪音和振動，增加了葉片的抗疲勞性能。

2 試驗分析與結果

上述試驗分別針對表面完整性評價指標中的表面粗糙度、表面殘余應力、表面形貌、表面缺陷、棱邊質量、加工硬化（本零件檢測了表面硬度）等六項指標進行了測試。通過表面粗糙度檢測對比可知，葉片經滾磨光整后表面粗糙度提高1～2個等級；通過表面殘余應力測試對比可知，葉片經滾磨光整后形成均勻的壓應力；通過表面形貌及表面缺陷測試可知，光整后消除了銑削刀紋，并形成了均勻的P型紋理（微觀魚鱗坑），這種表面紋理對提高零件的耐磨性是非常有益的。通過對零件表面硬度檢測可知，葉片光整后表面硬度略有提高；通過對葉片進排氣邊緣即棱邊質量進行檢測可知，滾磨光整完整地保留了數控銑后邊緣的形狀，葉片進排氣邊緣圓滑轉接良好。

參考文獻：

[1]金秀杰，梁巧云，藺治強.整流葉片軸頸加工變形控制[J].科技創新與應用，2015（34）：113.endprint