航空發動機葉片加工變形因素分析及控制

李碩

摘 要：航空發動機是一個國家工業實力的重要體現，同時也是科學技術的結晶。做好航空發動機的加工制造對于提升一個國家的航空實力有著極為重要的意義。在航空發動機的制造過程中，葉片是航空發動機中極為重要的一環。航空發動機葉片對于加工精度和葉片的穩定性要求極高，由于航空發動機葉片的曲面較大且對于葉片的型面輪廓精度要求較高，從而使得航空發動機葉片的制造速度和表面加工質量很難達到設計要求。為做好航空發動機葉片的加工，應當在總結分析造成航空發動機葉片加工變形因素的基礎上采取相應的控制方法，確保航空發動機葉片的加工效率和加工質量。

關鍵詞：航空發動機；葉片；變形；控制措施

中圖分類號：V225 文獻標識碼：A

航空發動機葉片是航空發動機的“心臟”，其對應加工的精度和質量有著極高的要求。航空發動機的加工量占據航空發動機加工量的約3成左右，長期以來我國由于受加工設備、工藝等多方因素的影響致使航空發動機葉片的加工長期受阻嚴重影響了我國航空發動機的制造質量和制造效率。通過相關研究表明，在航空發動機葉片的加工過程中在0.025mm的輪廓精度時如將航空發動機葉片的表面粗糙度降低將能夠使得航空發動機的效率得到提升。總體來說，在航空發動機的制造過程中，需要采取合理的措施來提升航空發動機葉片的型面加工精度和加工質量，從而使得航空發動機的使用效率得到提升并降低航空發動機的油耗。

1.現階段我國航空發動機葉片加工現狀及葉片加工變形因素分析

新時期以來我國的航空事業進入了高速發展期，對于航空發動機的需求也在不斷地增加。尤其是航空發動機所使用的基礎材料的進步使得我國的航空發動機進入了一個新的階段，航空發動機葉片所使用的材料逐漸地由鈦合金、鎳基高溫合金逐漸向著金屬基復合材料及陶瓷基復合材料等方面進行過渡。同時航空發動機葉片的扭角更大、厚度更薄從而對航空發動機葉片的輪廓加工精度和表面加工質量提出了更高的要求。現今在航空發動機葉片的加工制造中，由于五軸聯動數控機床的大量應用及數控編程理論的不斷深入，從而使得在航空發動機葉片的加工制造中對于高剛性復雜曲面自由度的航空發動機葉片已經能夠達到較高的加工精度，而弱剛性葉片則是未來一段時間航空發動機葉片加工質量提升的發展方向。

在航空發動機葉片的加工制造中，航空發動機葉片型面的變形影響因素主要有以下幾個方面：（1）航空發動機葉片在加工制造的過程中受到切削力的影響而導致的變形。在航空發動機葉片的加工制造中由于葉片屬于典型的薄壁弱剛性零件，其在加工制造的過程中容易受到數控機床切削力的作用而使得葉片加工時產生“讓刀”變形。此外，現今航空發動機葉片加工中所使用的高溫不銹鋼、高溫鈦合金等材料在切削加工性方面較大也會在機械加工過程中產生“讓刀”變形問題。其中變形性較大的位置多發生在航空發動機葉片的葉尖和進排氣邊緣等剛性較差的位置。此外，航空發動機葉片本身所具有的復雜型面將會使得各部之間的剛度分布不均，從而使得航空發動機葉片在加工過程中受力變形未能呈現出較為明顯的規律性，從而為控制航空發動機葉片加工中的變形帶來了不小的困難。（2）在航空發動機葉片的加工過程中，由于航空發動機葉片的過定位支撐，或是裝夾誤差所導致的航空發動機葉片加工變形也是航空發動機葉片加工變形的重要因素之一。在航空發動機葉片的加工過程中為了增加葉片的剛性多采用的是在完全對葉片進行定位夾緊的情況下增加對于航空發動機葉片的輔助支撐從而間接地對航空發動機葉片的剛性進行提升。通過這一方式能夠滿足一般精度航空發動機葉片的加工需求，并在實際的航空發動機葉片加工中取得了較為良好的加工效果。但是在航空發動機葉片的加工中應用這一裝夾方式必然會引入新的裝夾誤差，尤其是對于較高的航空發動機葉片加工精度要求時這一影響將變得尤為突出。（3）除了上述兩項影響因素外，航空發動機葉片的加工制造過程中由于加工表面殘余應力也是影響航空發動機葉片變形的重要因素。現今在航空發動機葉片的加工制造過程中，高溫鈦合金和鎳基高溫合金是航空發動機葉片渦輪葉片葉輪的主要材料，盡管上述兩種材料有著很好的耐高溫性，但是在實際的加工中上述兩種材料在熱處理后將會導致其切削加工的性能極差，從而使得航空發動機葉片機械加工中葉片的型面和加工質量較差，并影響航空發動機葉片表面的硬度和殘余應力，這些殘余應力在航空發動機葉片加工后將會導致航空發動機葉片出現較大的殘余應力變形，從而影響航空發動機葉片的型面加工精度和質量。

2.控制航空發動機葉片加工變形的方法

在航空發動機葉片的加工過程中為較好的控制航空發動機葉片在加工中的變形可以通過采用改變裝夾方式、工藝以及優化航空發動機葉片的數控加工參數或是估計變形誤差并進行補償等的方式來提高航空發動機葉片的加工質量。

2.1提升航空發動機葉片加工時的裝夾方式控制航空發動機葉片的加工變形量

為降低航空發動機葉片加工受力所引起的切削變形最直接的方法是通過對航空發動機葉片進行過定位裝夾或是輔助支撐的方式來提升航空發動機葉片的剛性，從而減小航空發動機葉片加工時所產生的受力變形。這一方式也是現今航空發動機葉片加工中應用最為廣泛的航空發動機葉片變形控制方式。通過研究表明在航空發動機葉片的加工裝夾中采用雙端過定位輔助裝夾能夠使得航空發動機葉片的抵抗受力變形能力得到大幅的提升。此外還可以采用在葉尖工藝臺輔助支撐，軸向不向葉片施加作用力的裝夾方式。此外，國內外都對改進裝夾方式來減少航空發動機葉片的裝夾變形。總體來說，盡“讓刀”變形，但是在這一過程中會使得航空發動機葉片產生一定程度的過定位裝夾變形。此外，采用輔助裝夾的方式無法對葉片殘余應力變形進行控制。因此，此種方法多應用于殘余應力變形較小的航空發動機葉片的加工。

2.2改進工藝優化加工參數控制航空發動機葉片的加工變形

在航空發動機葉片的加工中葉片加工“讓刀”變形的最主要原因是由于葉片的剛性較差，在優化加工參數的方式下，傳統的加工方式采用的是逐層去除葉片余量的加工方式，國內提出了一種葉片型面非均勻余量剛度補償方法用以對航空發動機葉片的加工精度進行控制。此外，在航空發動機葉片的加工過程中還可以通過利用對稱加工工藝和自適應夾具的加工方式來對航空發動機葉片加工時的殘余應力變形加以控制。一般來說，在航空發動機葉片的加工中所采用的單面銑削加工工藝會使得航空發動機葉片的加工表面處于非平衡狀態，從而使得航空發動機葉片在加工時極易產生彎扭變形，而通過采用對稱加工的方式將能夠有效地對單面加工所引起的加工變形進行規避，減小航空發動機葉片在加工時所產生的彎曲變形量，提高航空發動機葉片的加工精度。除了上述加工方式外，通過對航空發動機葉片加工工藝參數進行優化也能夠提高航空發動機葉片的型面加工質量，減少航空發動機葉片加工中因變形對航空發動機葉片加工精度所造成的影響。此外， 在航空發動機葉片的加工過程中還可以通過對航空發動機葉片的加工變形量進行預測，通過補償的方式來提高航空發動機葉片的加工精度。

結語

航空發動機葉片的加工進度對于航空發動機的使用效率和使用壽命有著極為重要的影響。本文在分析影響航空發動機葉片型面加工精度因素的基礎上對如何采取合理的措施來提高航空發動機葉片的加工質量進行了介紹。

參考文獻

[1]李勛，于建華，趙鵬.航空發動機葉片加工變形控制技術研究現狀[J].航空制造技術，2016，516 （21）：41-49.

[2]劉維偉，張定華.航空發動機薄壁葉片精密數控加工技術研究[J].機械科學與技術，2004，23（3）：329-331 .endprint