航空發動機葉片加工變形因素分析及控制

黃 超，那 杰

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

0 引言

航空發動機葉片的加工量占據整個航空發動機的30%，曾有研究證明，提升航空發動機葉片表面的精度，可以提升航空發動機性能3%～6%，不僅提升航空發動機的效率，還可以在極大程度上降低航空發動機的油耗，提升航空發動機的經濟性和實用性。

1 葉片加工的現狀

一直以來，航空發動機使用的材料非常昂貴、緊缺，如鈦合金、鎳基高溫合金等，困擾了我國航空事業的發展。近幾年來，我國航空發動機使用的基礎材料出現了很大變化，金屬基復合材料及陶瓷基復合材料等的價格和緊缺程度都得到了很大緩解。

當今，航空發動機對葉片的扭角和厚度都有了更高的要求，對航空發動機葉片的加工精度也有了更高要求。互聯網科技的融入，使得航空發動機的加工便利了許多。在葉片加工中應用五軸聯動數控機床和數控編程理論，使加工精度有了極大提升。

2 影響葉片變形的因素

航空發動機的葉片在加工時經常出現變形情況，變形情況頻發會影響葉片的成型量，影響航空發動機的運行效率。造成航空發動機葉片變形的主要因素是以下3 個。

2.1 刀具切削力引起的葉片變形

航空發動機葉片生產時，刀具與航空發動機葉片的加工零件之間存在切削力，切削力非常容易造成零件變形，而航空發動機葉片的構型和材料是薄壁的弱剛性材料，在切削力的作用下更容易變形。葉片的加工造型非常復雜，葉片各部分的受力也不同，刀具作用下的各部分變形量不同。一般來說，航空發動機葉片的葉尖和進排氣的位置受力較大，變形的力度較大，其他部位的變形相對小了許多，導致航空發動機葉片最后的加工精度較低。

2.2 裝夾引起的葉片變形

加工航空發動機葉片需要正確裝夾，首先要對葉片進行裝夾固定，然后再進行后續工序。航空發動機葉片在裝夾過程中，不可避免地會出現變形情況，因為葉片加工采用的是較為特殊的弱剛性材料，裝夾變形是導致葉片變形的必然因素，也是最主要的因素之一。航空發動機的其他部件在進行裝夾的時候，造成的影響相對較小，但葉片加工的過程較為特殊，裝夾對于葉片的影響非常大，這是在葉片加工時需要著重控制的因素。裝夾方式會因為葉片殘余應力而導致再次變形，所以需要選擇合適的裝夾方式，保障葉片的加工精度。

2.3 刀具磨損引起的葉片變形

航空發動機葉片由刀具加工成型，但是刀具在長久工作后會磨損。如今，最常使用的葉片材料還是高溫鈦合金和鎳基高溫合金，刀具在加工這兩種材料時，磨損的情況更加嚴重。刀具磨損后會影響葉片的加工，在葉片各部位造成不正常變形，帶來很多問題，破壞葉片的加工精度。

3 控制航空發動機葉片變形的措施

航空行業控制葉片變形問題主要從葉片裝夾方式、控制刀具的切削力、采用超硬磨料砂輪加工、控制加工參數和葉片的加工補償等方式入手，根據葉片變形的具體情況采用合適的方式，可以有效控制葉片的變形。

3.1 優化裝夾方式，控制切削力

在制造航空發動機葉片的時候，為了減弱切削力引起的葉片變形，必須優化葉片的支撐，優化裝夾的方式，使發動機葉片的材料由弱剛性轉變為強剛性，減弱刀具對葉片的影響。這種方式經常采用，使用的范圍也較廣泛。有可靠的研究證明，優化裝夾方式可以有效控制葉片的變形問題，如在葉片的雙端進行輔助裝夾，可以減少葉片受力。

在采用支撐裝置或者裝夾方式的時候，都會出現些許誤差，這些細小誤差有可能影響葉片整體的質量，需要引起注意。因為航空發動機葉片對于精確度有很高的要求，在制造葉片的時候，每個部位都不允許超差，某個小小的超差就有可能造成機毀人亡的事故。加工后卸除裝夾裝置，殘余的應力仍會導致葉片發生較大程度的變形，優化裝夾裝置可相對減少殘余應力，對于航空發動機葉片的影響會較小。在卸除裝夾裝置后不發生較大程度的變形，航空發動機葉片的精度就會得到較大程度的保障，可以更好地服務于航空發動機，而航空發動機的效率及使用壽命都會得到極大提升。

優化的裝夾裝置可以減少葉片受到的應力，但不能完全消除航空發動機葉片變形的問題，只能在較大程度上緩解葉片變形。而且，優化的裝夾裝置也不能使用于應力較大的情況，只能用于應力較小的情況，需要結合其他控制變形的方式方法。

3.2 采用超硬磨料砂輪

引起航空發動機葉片變形的因素中，刀具引起的變形最為常見，要著重注意由刀具引起的變形，如采用超硬磨料砂輪磨削的方式來解決刀具引起的變形。雖然加工葉片的材料已經更新，但是比較常用的還是高溫鈦合金和鎳基高溫合金，超硬磨料砂輪可以對葉片表面較為粗糙的部位進行連續性的磨削加工，增強葉片表面的光潔度，降低葉片變形，在極大程度上提升航空發動機葉片的精確程度。當葉片的加工精度提升后，航空發動機的整體效率會得到極大提升，可以發揮出更好的作用。

3.3 嚴格控制加工參數

“讓刀變形”是非常常見的引起變形的因素，產生這種變形的主要原因是航空發動機葉片在制造的時候，采取的材料剛性不足，在加工時不能夠承受住刀具的作用。為了改善這種情況，需要在航空發動機葉片加工時，控制加工工藝參數。

葉片加工時最容易產生應力，傳統采用分層的方式來消除葉片加工的應力。而在進行有效研究后，我國采用增加加工余量補償的方式來消除葉片加工產生的應力，這種方式能夠在極大程度上提升葉片的加工精度。在我國航空公司不斷努力下，改善葉片加工技術和工藝來提升葉片質量，在較大程度上控制葉片的變形。優化葉片的加工工藝參數，最重要的是在加工時嚴格控制葉片表面的加工質量，當葉片表面的加工質量提升后，葉片的變形問題就會得到控制，葉片精度也會得到很大提升。

導致葉片變形的最大因素是加工時葉片不能夠均勻受力，導致葉片發生重大的變形，受到切削力影響時，變形就會更加嚴重。最好的解決方式是在加工航空發動機葉片的時候，保障葉片的每個部位都能夠均勻受力，杜絕因為受力不均勻造成的變形問題。為使葉片能夠受力均勻，仍需要優化和提升受力參數，特別是切削力的受力。通過優化加工工藝的參數，可以最大程度上緩解葉片變形的問題。

3.4 通過加工補償控制葉片變形

對航空發動機葉片進行機械加工會產生不同程度的變形量，加工補償方式通過參數補償來抵消機械加工造成的變形，極大程度上提升葉片的精確度。加工補償采用現代化技術，利用互聯網大數據對航空發動機葉片加工時可能產生的變形進行仿真、模擬分析，得到正常加工時候葉片的變形規律和變形分布。根據分析得出的變形規律來補償機械加工造成的誤差，精確補償可以使葉片得到良好的加工精度，在解決葉片變形問題中得到了非常廣泛的應用，也得到了非常好的反響。

使用加工補償解決機械加工引起的變形問題，需要經過大量試驗才可以獲得良好的補償效果。加工補償需要進行建模分析，經過多次分析才可以得出最好的結論，然后應用于實踐。能夠解決葉片變形問題的措施有很多，對采用何種方式需經過深思熟慮，才能保障航空發動機葉片的精度。

4 結束語

在航空發動機中，葉片是非常重要的存在，事關航空發動機的運行安全。良好的葉片質量會提升航空發動機的工作效率，提升航空發動機的使用壽命。所以，必須嚴格控制航空發動機葉片在生產過程中的變形，找出導致航空發動機葉片變形的因素，采取對應的解決措施，不斷優化葉片的加工方式，提升葉片的精確度。