整體葉盤葉片加工技術研究

摘 要：本文詳細介紹了整體葉盤的整體特征、優缺點以及在航空發動機上的應用情況，在分析國內外整體葉盤制造技術現狀的基礎上，通過分析比較現有加工技術，在給出最佳復合制造工藝方案的同時，綜合分析了整體葉盤數控加工的關鍵技術，包括分析通道與劃分加工區域、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。

關鍵詞：整體葉盤；航空發動機；數控加工；葉片型面

中圖分類號：V232.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 24-0000-03

隨著航空航天技術的發展，為滿足發動機高速、高推比的要求，在新型中小發動機的設計中大量采用整體結構葉輪。整體葉輪是20世紀80年代中期出現的新型結構，它省去了連接用的榫頭、榫槽，使葉輪具有結構緊湊、重量輕、比強度高等一系列優點，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，整體葉盤結構在新研制的高推比航空發動機上得到了推廣應用。

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，再加上其為整體結構，有幾十個甚至上百個復雜型面葉片，其加工一直是制造業中的難點；（2）在用榫頭連接的結構中，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，采用整體葉盤結構重量減小不顯著。

由于整體葉盤的葉型復雜，精度要求高，葉型薄，受力后變形大，所以機械加工非常困難，又因為齒數多、齒密，所以加工量非常大，因此，葉型加工是整體葉盤制造的主要工序。

一、國內外研究現狀及典型應用實例

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。

從整體葉盤的結構來看主要有如下3種形式：（1）閉式結構——帶箍整體葉盤；（2）開式結構——不帶箍整體葉盤；（3）大小葉片轉子結構——開式結構中大葉片間含有小葉片，如下圖所示。

（a）閉式結構 （b）開式結構 （c）大小葉片轉子結構

圖1 整體葉盤的結構形式

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。由于數控加工具有快速反應和可靠性高的特點，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控加工技術。

整體葉盤的應用很廣，具有代表性的有如下幾個：（1）EJ200發動機是最先采用整體葉盤結構的發動機，它采用焊接方法將轉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發動機的第2、3級風扇也是采用焊接方法做成整體葉盤結構，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，葉型采用電化學加工；（3）美國惠普公司研制的第四代戰斗機的動力裝置——F119發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；（4）美國惠普公司在F100-PW-229發動機改型（F100-PW-229A）和通用電氣公司在F110-GE-129發動機改型（F110-GE-129 R）中，都將風扇的第2、3級改為整體葉盤結構。

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%，綜合技術難度非常大，集中反應了國際數控加工相關技術領域的最新技術和最高水平。相關軟件方面最著名的是NREC公司推出的專門用于葉片加工的MAXCAM系統。

國內在整體葉輪葉盤相關軟件和加工關鍵技術方面也進行了大量的研究。西北工業大學開發出了“葉輪類零件多坐標NC編程專業軟件系統”，該系統集測量數據預處理、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中應用。

二、最佳復合制造工藝分析

本文在充分分析整體葉盤的結構特點和制造工藝需求的基礎上給出了一種最佳的整體葉盤復合制造工藝。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，并根據葉盤制造過程不同階段的特點，特別是葉片的復雜程度，調整工藝集成方案，優選出成熟、穩定度高的工藝組合。

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、數控銑削等高效數控粗加工技術制造出近成形毛坯。

在精確成型加工階段，可采用電解加工和整體數控銑削等工藝。電解加工過程無機械切削力，加工應力小，適用于難加工材料零件和難銑削的細節加工，但目前需進一步研究解決電蝕層和光整加工等問題。數控銑削工藝用銑刀的五軸運動包絡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雜曲面葉片的整體葉盤。

因此從以上可知，國內目前能夠滿足研制和小批量試制需求較為可行的技術途徑是：近成形毛坯應首選“等溫鍛造+高效低應力粗加工”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控銑削工藝。這種工藝具有快速響應特點，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。

三、關鍵技術分析及現存問題處理

（一）分析通道與劃分加工區域。為了判定葉盤數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。分析結果可為工藝人員確定數控加工刀具參數、制定加工工藝提供必備的信息。通道分析的內容包括：通道的最窄寬度、約束狀態；葉片的性質（包括葉片是直紋面還是自由區面）、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控加工完成。

（二）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下。在刀軌計算中，刀軸方向的確定是實現無干涉及高效加工的關鍵和難點。對于通道內部葉片上的同一點，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：在與通道四周不產生干涉的條件下，刀軸與葉盤軸向的夾角應為最小。

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生不連續變化。在加工過程中，刀軸方向的這種突變會使得五坐標數控機床工作臺的回轉或主軸的擺動突然變快或變慢，導致刀具的切削力產生突變，輕則造成被加工零件表面質量降低或啃傷，重則會導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，以防止調整后的刀具與通道發生干涉。為了確保葉盤在加工過程中不發生干涉和碰撞現象，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。

（三）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、縮短制造周期的關鍵。由于材料切除量大，粗加工后葉盤內會產生較大的切削應力。為了控制粗加工應力造成的變形，經常采用的措施是通過熱處理工藝消除切削應力以減小后期變形。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。

（四）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。

圖2 MAX-AB編制的五軸聯動插銑開槽程序

（五）精確加工葉型。整體葉盤的精加工涉及內環、外環、葉片型面、前后緣、葉根過渡區等加工特征。內環、外環屬于回轉面，采用數控車削加工方法；葉盤的葉片表面是帶相鄰面約束的溝槽側面，采用基于臨界線的專用五軸數控精加工方案；葉根過渡區是自由曲面交線，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的整體硬質合金球頭銑刀，主軸轉速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，將加工葉盤的優勢體現的淋漓盡致。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，后續的拋光工序能夠將其容易的處理掉。

圖3 葉片精銑加工

根據葉片型面特征，依刀具與曲面接觸的方式分類，五坐標數控銑削加工葉片型面可分為“線接觸”（側刃銑）和“點接觸”兩類成型方式。線接觸使刀具的整個側邊與葉片相接觸，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，數控編程難度大。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。

圖4 點接觸方式

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（見圖4、5）。用球形刀加工曲面時，刀痕在切削行間構成了殘留高度A[14]。由圖4.5可看出，若允許的最大殘留高度為s，經推導可得切削行寬度。

圖5 刀具半徑R和殘留高度h的關系

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。

（六）薄葉片加工“讓刀”和顫振的處理。由于整體葉盤的葉片很薄，因此葉片受到切削力后會產生顫振并出現嚴重的“讓刀”現象；同時由于受通道的限制，刀具直徑小且刀桿長，受到切削力時會產生振動。這種刀具及葉片的耦合顫振嚴重影響葉片的表面加工質量，使葉片表面出現魚鱗狀缺陷，導致葉尖段多次加工不到位等問題。在有限元分析與測力分析的基礎上，采用以下3種方法來解決葉片和刀具的耦合顫振問題：（1）根據刀具受力情況確定刀具的最佳切觸位置，減少總切削力和引起顫振的切削力分量；（2）根據不同的結構及零件的剛性確定刀具的參數，使葉片和刀具的剛度協調；（3）通過工藝填充方法，加強葉片切削時的剛性、增加顫振阻尼以實現對振幅的控制。

四、檢測結果

葉型的測量在三坐標測量機上完成，根據刀具的新舊，加工參數的不同，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葉片測量數據專用分析軟件對結果進行分析。經過測量分析后，葉片型面的各項技術條件基本控制在了要求的范圍之內，如下表和圖為檢測分析結果。

五、結束語

（一）結果討論與分析。經過攻關研究后的某盤零件工藝，我們針對葉片加工的結果進行了分析。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，葉片扭轉誤差也在6分以內，位置度誤差也在設計要求之內，葉片進排氣邊圓弧部位也都實現了圓滑過渡。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計要求。

（二）解決的難題。完成了機床后置處理與葉盤編程軟件之間的接口，應用UG軟件的后置處理器解讀MAX-AB軟件的刀位文件。應用vericut軟件完成了零件加工模擬，解決了機床與零件及夾具之間的碰撞檢查。制定的葉片銑削加工方法實現了葉片的扭轉誤差在6分以內，進排氣邊的圓弧得以光滑轉接。應用MAX-AB軟件解決了葉盤的數控程序編制難題，使零件的前期工藝準備效率大為提高。

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[作者簡介]馮湛，男，工程碩士研究生，2010年11月畢業于大連理工大學機械工程學院機械制造專業，畢業后在黎明公司技術中心前沿所從事整體葉盤數控加工技術研究工作；劉娜，2003年畢業于東北大學、計算機科學與技術專業、現就職于黎明公司技術中心前沿所。