航空發動機葉片加工變形分析與控制措施

修 娟

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 前言

航空發動機葉片是航空發動機中的重要組成部分，航空發動機葉片的機械加工量能夠占到航空發動機加工量的30%及以上，航空發動機葉片所具有的復雜的外形及較高的精度一直困擾著航空發動機葉片的機械加工。據美國NASA的研究結果表明，航空發動機葉片表面粗糙度的降低和輪廓精度的提升分別能為航空發動機的性能帶來3%～6%的提升。做好航空發動機葉片機械加工，提升航空發動機葉片的加工精度，可以在提高航空發動機工作效率的同時有效地降低航空發動機的油耗，從而使得航空發動機的經濟性和適用性大幅提高。

1 航空發動機葉片的變形因素分析

我國航空發動機葉片所使用的材料經歷了鈦合金—鎳基高溫合金到—金屬基次材料—陶瓷基復合材料的發展轉變。而新型材料在硬度、耐高溫、耐腐蝕性方面都有著相應的提升。在機械加工方面，航空發動機葉片機械加工中大量使用多軸聯動數控機床，使得高剛性的復雜曲面加工精度得到了有效的保證，而弱剛性的航空發動機葉片在機械加工中受多種因素的影響而產生變形，極易導致加工精度超差，影響葉片的使用性能。

造成航空發動機葉片加工變形的原因主要有以下幾點：

（1）航空發動機葉片在機床機械外作用力的作用下所導致的變形。（2）航空發動機葉片因裝夾誤差而導致的變形；（3）航空發動機葉片在機械加工中存在于航空發動機葉片中的殘余應力所導致的變形。

航空發動機葉片最終的機械加工變形量是上述幾種因素多種復合作用的結果。在現今的航空發動機葉片的機械加工中主要采用的是銑削加工，能夠完成輪廓精度在0.05mm～0.07mm的航空發動機葉片的機械加工，而在高精度的航空發動機葉片尤其是針對高溫合金渦輪葉片機械加工中，造成航空發動機葉片變形的各項因素中殘余應力占據著極大的比重。做好航空發動機葉片變形的原因分析，并積極控制好航空發動機葉片機械加工中的殘余應力，對于控制航空發動機葉片因機械加工所產生的變形有著極為重要的意義。

2 做好航空發動機葉片機械加工中的變形控制

現今對于航空發動機葉片機械加工變形的控制主要集中在裝夾方式的優化、工藝的改進優化以及加工過程中的補償和參數優化等幾個方面，或是采用砂輪機高速磨削等方法。下面就幾種常用的航空發動機葉片變形控制的方法進行分析介紹。

（1）針對航空發動機葉片因切削力而導致的變形，最簡單的應對措施是優化航空發動機葉片的裝夾定位和輔助支撐，使得航空發動機葉片從弱剛性轉變為高剛性，從而減少航空發動機葉片在機械加工中的切削變形。現今這一方法在航空發動機葉片的機械加工中應用較多也是較為廣泛。據相關研究表明，在航空發動機葉片的機械加工中，雙端定位輔助裝夾這一裝夾方式對于提高航空發動機葉片在機械加工中的抗變形能力有著大幅提升。在航空發動機葉片的裝夾定位中因定位裝夾或是輔助支撐裝置的制造誤差對航空發動機葉片加工精度產生影響也是客觀存在的。在航空發動機葉片裝夾定位中對于裝夾夾具有著極高的精度和穩定性要求。此外，采用裝夾定位優化的方式能夠有效地控制航空發動機葉片機械加工中因切削力而引起的“讓刀”變形，但是在機械加工中，由于機械力的積聚所引起的殘余應力在航空發動機葉片裝夾約束裝置消除后將會使航空發動機葉片產生較大的變形。裝夾方式的優化能夠用在一些殘余應力變形較小的航空發動機葉片的機械加工中，而在航空發動機葉片的機械加工中需要根據航空發動機葉片的加工精度來確定航空發動機葉片裝夾夾具及輔助支撐的精度。

（2）做好航空發動機葉片機械加工參數的優化。航空發動機葉片機械加工變形的最主要原因是其屬于弱剛性，通過對航空發動機葉片的加工工藝進行優化，能夠確定較良好的加工效果。傳統的加工方法是逐層來剝除航空發動機葉片加工中的葉片加工余量。此外，利用對稱加工工藝和自適應夾具控制能夠有效地降低殘余應力在航空發動機葉片中的堆積，從而使得殘余應力對航空發動機葉片機械加工所造成的影響得到有效控制，將機械加工變形控制在可接受的范圍內。通過優化航空發動機葉片機械加工中的加工工藝以及加工參數提高航空發動機葉片在機械加工中的剛性，提高航空發動機葉片的抗變形能力。此外，對于輔助裝夾及輔助工藝參數應當加強研究，最大限度地降低因輔助裝夾及輔助工藝參數不當造成的航空發動機葉片機械加工變形。對于因機械加工所導致的航空發動機葉片變形，可以通過熱校正的方式來糾正航空發動機葉片在冷切削加工中出現的變形，從而提高航空發動機葉片的加工精度。

（3）做好航空發動機葉片的加工補償。加工補償是一種通過參數補償來抵消航空發動機葉片因機械加工而產生變形量的加工工藝，通過抵消加工所引起的變形量，能夠有效地提高航空發動機葉片的機械加工精度。這一方式利用建模分析對航空發動機葉片在加工過程中可能產生的變形進行模擬、仿真用以獲取航空發動機葉片在穩定的加工工藝情況下的變形規律和變形分布。而后通過對航空發動機葉片在機械加工中出現的變形規律采取補償措施來對航空發動機葉片機械加工出現的誤差進行補償，用以確保航空發動機葉片機械加工后能夠具有良好的型面加工精度。這一方式能夠在航空發動機葉片的大規模加工中取得良好的效果。但是需要注意的是應用補償等方式在消除航空發動機葉片的變形誤差時，航空發動機葉片誤差規律的分析和補償方式直接影響著航空發動機葉片的加工精度。在航空發動機葉片的機械加工中，導致航空發動機葉片加工變形的原因眾多，而采用補償方式時需要經過大量的試驗后才能取得較為良好的補償效果。

結語

航空發動機葉片的加工變形對于航空發動機葉片的加工質量有著較大的影響。現在我們應當積極做好航空發動機葉片機械加工變形的研究，通過研究掌握影響航空發動機葉片變形的原因并采取相應的措施控制航空發動機葉片的變形量，提高航空發動機葉片的加工精度。本文對航空發動機葉片在機械加工中產生變形的原因進行了分析并對航空發動機葉片機械加工的變形控制措施進行了分析介紹。