高壓水射流技術在整體葉盤高效加工中的應用

楊維學

（上海特一絲路車輛裝備有限公司技術部，上海201613）

0 引言

近年來隨著綠色制造概念的推行，高壓水射流技術的運用越來越廣泛。水射流加工是利用添加磨料的高壓細射流束通過磨蝕的方式來切割目標材料的加工方法[1]，按工作介質分為純水射流和磨料水射流2種[2]。磨料水射流是在高壓水射流中加入一定數量、一定質量和硬度的磨料顆粒。工業上常用的磨料水射流切割技術包括磨料注射切割（前混合磨料切割）和磨料懸浮切割（后混合式磨料切割）。這兩者的本質區別在于磨料加入水中的方式不同[3]。前混合式的磨料能和水充分混合，射流射出時的能量較后混合式的大，但對管路的磨損也大。因此，工業上應用效果比較好的是后混合切割技術。目前國外學者已經對磨料水射流技術進行了大量實驗和應用研究[4]，主要集中在硬巖、碳纖維復合材料、難加工和硬脆金屬復合材料的切割、表面強化和光學拋光。國內的磨料水射流研究和應用集中于清洗除銹、拋光、韌性材料加工、復合材料加工、脆性材料加工、脆性材料加工及半導體材料加工等領域。

葉片是航空發動機的關鍵零件，種類多、數量大、型面復雜、幾何精度要求高[5]。目前國外先進大推力發動機的風扇、壓氣機和渦輪都大量采用了整體葉盤[6]，例如F119-PW-100、F100-PW-229A、F414-GE-400、EJ200 等軍用高性能發動機，以及P.A.T 驗證核心機、基準發動機等民用發動機。整體葉盤是把發動機轉子的葉片和輪盤設計成1 個整體[7]，采用整體毛坯去余量加工或焊接的方法制造而成。避免了葉片榫槽結構帶來的氣流損失，減少了結構重量和零件的數量[8]。與整體葉盤的諸多優點相比，其制造工藝技術面臨著非常嚴峻的挑戰[9]。葉片型面復雜，為空間自由曲面，且其材料為鈦合金或高溫合金等高性能金屬材料和鈦基、鈦鋁化合物等先進復合材料，可加工性差。國外整體葉盤制造采用的主要工藝有：精鍛毛坯+精密數控加工；焊接毛坯+精密數控加工；高溫合金整體精鑄毛坯+熱等靜壓處理等。運用水射流加工葉盤也一直是研究的方向。TI El-Wardany 等[10]提供了1 種磨料水射流加工葉片保持槽的方法。S Berlanger 等[11]提出了用磨料水射流切割單件葉盤的方法。F. Klocke 等[12]對整體葉盤加工的7 種工藝鏈進行了技術和經濟性評價研究，水射流加工顯示出較好的經濟性。

本文以鈦合金整體葉盤近成形加工為研究對象，分析高壓磨料水射流切割加工技術的原理和整體葉盤的近成形加工工藝。在此基礎上，運用高壓磨料水射流設備進行整體葉盤高效去余量加工應用。從加工質量和效率方面與傳統數控銑削加工進行比較。

1 磨料水射流加工原理

磨料水射流的工作原理是將軟化水增壓至300～400 MPa，再通過直徑為0.1～0.3 mm 的噴嘴形成速度可達1000 m/s、具有極大動能的水線，對工件進行切割[13]。水線從寶石噴嘴噴出后增加磨料（常用60～100 目的石榴砂），高壓水與磨料混合后以磨料對工件的沖擊和切削作用為主，磨料顆粒對工件產生高頻沖蝕，從而提高了高壓水射流的加工能力和工作效率。磨料水射流切割原理如圖1 所示。影響磨料水射流加工能力的因素有水流壓力、磨料顆粒大小和供給量、噴嘴直徑組合、切割進給速度以及噴嘴與工件之間的距離等。

圖1 水射流切割原理

磨料水射流加工最終通過水切割設備實現，其切割設備由高壓泵、高壓管路、執行機構、磨料供給裝置、刀頭（砂水混合器）及控制系統等組成。整體葉盤加工用磨料水射流切割設備如圖2 所示。工業純水經過供水系統軟化和過濾后供入高壓泵，由高壓泵將純水增至高壓并通過高壓管路輸送至刀頭，刀頭內的噴嘴將水壓勢能轉變為水束動能，同時抽吸磨料供給裝置提供的磨料經混合管聚集形成磨料水射流。執行機構帶動刀頭相對于工件運動，實現切割路徑。所有的路徑軌跡和過程參數都通過數控系統統一控制。針對整體葉盤類零件，執行機構采用機械手+帶分度的旋轉工作臺的方式，可實現多個自由度的空間軌跡。通過旋轉工作臺的分度控制，使切割頭在1 個加工區域，走相同的軌跡就可以實現多個葉槽的加工，提高加工的效率和穩定性。

圖2 水射流切割設備

2 整體葉盤加工工藝分析

2.1 加工區域規劃

整體葉盤有開式和閉合式。以某開式整體葉盤的粗加工為研究對象，葉盤直徑為500 mm，毛坯厚度為80 mm，材質為鈦合金。開式整體葉盤具有葉片薄、葉展長、扭曲大、受力易變形、葉片間通道深而窄及開敞性差的特點[14]，如圖3 所示。

開式整體葉盤的加工分為近成形粗加工（去余量加工）、2 次粗加工、精加工及拋光等主要工藝過程。近成形加工屬于粗加工，應該為后續加工需要留有余量。應根據通道的幾何特征分析，對復雜通道空間進行合理的計算和規劃來確定加工區域[15]。

將同一通道內的2 個葉片曲面和輪轂曲面偏置并延伸相交后，把葉尖子午線回轉后得到4 個回轉面與毛坯軸向的上、下平面充分相交截取，得到葉盆和葉背的臨界曲面，以及通道加工底面和通道上、下表面。這5 個面共同圍成的1 個封閉區域就是規劃的通道加工區域，也是整個葉盤銑削毛坯去除大量材料的通道區域，如圖4 所示。

圖3 某整體葉盤3 維結構

圖4 加工區域

由于水射流實現的是貫穿式加工，所以需要對切割通道區域進行重新處理，規避過切。對于厚度較大的零件，為了更好地趨近葉片的截面輪廓線，可采用多個軌跡逼近。磨料水射流去余量加工整體葉盤的軌跡截面如圖5 所示。

圖5 葉片加工截面

2.2 離線編程

由于磨料水射流切割是1 種流態磨削，隨著對材料切割深度的增加，切割效力減弱，出現偏轉和分離。表現為沿切割面彎曲[16]，稱為“掃尾”現象。為減小“掃尾”現象對工件尺寸的影響，在編程時，需要根據試切的結果對走刀路徑和切割角度進行偏∑補償。

根據切割厚度和材料設置水射流的切割參數，具體見表1。

表1 去余量時間對比

按照規劃好的加工區域和工藝參數，運用Robot Master 軟件進行執行機構軌跡的編程，最后生成控制系統可識別的程序語言如下：

PRODUCT=Blisk //產品名稱

TOOL=180.1，0.5，23.4，0.0，0.0，60.0//工具偏∑

TOTALELEMENTS=1 //單個切削

FRAME=87.0，86.1，96.9，0.0，0.0，210.0//坐標系

OFFSET=0，0，0，0，0，0 //坐標偏∑

BEGIN= Blisk_1 //開始

CUTTYPE=10 //切割類型

WORKPLACE=0，0，0，0，0，0//工件位置坐標

MOVEJ=0.0，0.0，90.0，0.0，0.0，0.0/50，25//軌跡

MOVEL=8.2，8.4，8.1，4.1，3.7，16.1/30，80//軌跡

DELAYON=0 //供水打開，磨料打開，打孔延遲

…

MOVEL=61.9，16.6，32.3，19.5，20.3，22.9/30，80//軌跡

DELAYOFF=0//供水關閉，磨料關閉

MOVEJ=52.5，56.8，73.8，25.9，88.6，37.1/50，250//軌跡

END=YEPIANRM_1 //結束

3 加工過程與驗證

將軌跡程序導入磨料水射流加工設備的控制系統，按照規劃的工藝路線，進行葉盤的去余量粗加工。粗加工后的葉盤如圖6 所示。加工表面在出水端出現了輕微掃尾現象。

水射流粗加工后的表面粗糙度和尺寸公差與數控銑削加工的對比見表2。

圖6 水射流加工后的整體葉盤

表2 粗糙度和尺寸誤差對比

以加工單個葉槽加工區域的時間與傳統數控銑削加工的進行對比，見表3。

表3 加工時間對比

從表2、3 中可見，在整體葉盤的去余量粗加工后，水射流加工的表面粗糙度和尺寸誤差精度較數控銑削加工的差，但在去余量加工階段可以被接受。從經濟效益上看，水射流加工的效率比數控銑削提高了1 倍以上，效果明顯。

4 結束語

本文闡述了高壓磨料水射流技術和高壓磨料水射流切割設備的原理，分析了整體葉盤的結構特點、加工難點和常用加工方法的優缺點。

將高壓磨料水射流技術應用于整體葉盤的去余量粗加工中，并以某開式整體葉盤為對象，進行工藝設計和試件加工。驗證了此方法的可行性。對磨料水射流加工開式整體葉盤的效率和數控銑削進行了對比，證明了高壓磨料水射流切割的高效性。但高壓水射流加工也有自身的弱點，不適用于葉片扭曲程度大不能進行穿透加工的葉盤。對于厚度薄、葉槽區域窄小、可去除余量小的葉盤，水射流加工不能發揮其優勢。同時，如何修正加工過程中存在的“掃尾”現象對切割尺寸和表面質量的影響需要進一步進行深入研究。