航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)研究院，北京 100024）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工量占據(jù)整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的30%，曾有研究證明，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面的精度，可以提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能3%～6%，不僅提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，還可以在極大程度上降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

1 葉片加工的現(xiàn)狀

一直以來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yè)的發(fā)展。近幾年來，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的基礎(chǔ)材料出現(xiàn)了很大變化，金屬基復(fù)合材料及陶瓷基復(fù)合材料等的價(jià)格和緊缺程度都得到了很大緩解。

當(dāng)今，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)葉片的扭角和厚度都有了更高的要求，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工精度也有了更高要求。互聯(lián)網(wǎng)科技的融入，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的加工便利了許多。在葉片加工中應(yīng)用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床和數(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)的葉片在加工時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)變形情況，變形情況頻發(fā)會(huì)影響葉片的成型量，影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形的主要因素是以下3 個(gè)。

2.1 刀具切削力引起的葉片變形

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)時(shí)，刀具與航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)葉片的構(gòu)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(fù)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(fā)動(dòng)機(jī)葉片的葉尖和進(jìn)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(duì)小了許多，導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)葉片需要正確裝夾，首先要對(duì)葉片進(jìn)行裝夾固定，然后再進(jìn)行后續(xù)工序。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在裝夾過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)變形情況，因?yàn)槿~片加工采用的是較為特殊的弱剛性材料，裝夾變形是導(dǎo)致葉片變形的必然因素，也是最主要的因素之一。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件在進(jìn)行裝夾的時(shí)候，造成的影響相對(duì)較小，但葉片加工的過程較為特殊，裝夾對(duì)于葉片的影響非常大，這是在葉片加工時(shí)需要著重控制的因素。裝夾方式會(huì)因?yàn)槿~片殘余應(yīng)力而導(dǎo)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(fā)動(dòng)機(jī)葉片由刀具加工成型，但是刀具在長久工作后會(huì)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(shí)，磨損的情況更加嚴(yán)重。刀具磨損后會(huì)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(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形的措施

航空行業(yè)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(shù)和葉片的加工補(bǔ)償?shù)确绞饺胧郑鶕?jù)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(yōu)化裝夾方式，控制切削力

在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的時(shí)候，為了減弱切削力引起的葉片變形，必須優(yōu)化葉片的支撐，優(yōu)化裝夾的方式，使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的材料由弱剛性轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)剛性，減弱刀具對(duì)葉片的影響。這種方式經(jīng)常采用，使用的范圍也較廣泛。有可靠的研究證明，優(yōu)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(jìn)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(shí)候，都會(huì)出現(xiàn)些許誤差，這些細(xì)小誤差有可能影響葉片整體的質(zhì)量，需要引起注意。因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)于精確度有很高的要求，在制造葉片的時(shí)候，每個(gè)部位都不允許超差，某個(gè)小小的超差就有可能造成機(jī)毀人亡的事故。加工后卸除裝夾裝置，殘余的應(yīng)力仍會(huì)導(dǎo)致葉片發(fā)生較大程度的變形，優(yōu)化裝夾裝置可相對(duì)減少殘余應(yīng)力，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的影響會(huì)較小。在卸除裝夾裝置后不發(fā)生較大程度的變形，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的精度就會(huì)得到較大程度的保障，可以更好地服務(wù)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率及使用壽命都會(huì)得到極大提升。

優(yōu)化的裝夾裝置可以減少葉片受到的應(yīng)力，但不能完全消除航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形的問題，只能在較大程度上緩解葉片變形。而且，優(yōu)化的裝夾裝置也不能使用于應(yīng)力較大的情況，只能用于應(yīng)力較小的情況，需要結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)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(duì)葉片表面較為粗糙的部位進(jìn)行連續(xù)性的磨削加工，增強(qiáng)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(fā)動(dòng)機(jī)葉片的精確程度。當(dāng)葉片的加工精度提升后，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率會(huì)得到極大提升，可以發(fā)揮出更好的作用。

3.3 嚴(yán)格控制加工參數(shù)

“讓刀變形”是非常常見的引起變形的因素，產(chǎn)生這種變形的主要原因是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在制造的時(shí)候，采取的材料剛性不足，在加工時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工時(shí)，控制加工工藝參數(shù)。

葉片加工時(shí)最容易產(chǎn)生應(yīng)力，傳統(tǒng)采用分層的方式來消除葉片加工的應(yīng)力。而在進(jìn)行有效研究后，我國采用增加加工余量補(bǔ)償?shù)姆绞絹硐~片加工產(chǎn)生的應(yīng)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(shù)和工藝來提升葉片質(zhì)量，在較大程度上控制葉片的變形。優(yōu)化葉片的加工工藝參數(shù)，最重要的是在加工時(shí)嚴(yán)格控制葉片表面的加工質(zhì)量，當(dāng)葉片表面的加工質(zhì)量提升后，葉片的變形問題就會(huì)得到控制，葉片精度也會(huì)得到很大提升。

導(dǎo)致葉片變形的最大因素是加工時(shí)葉片不能夠均勻受力，導(dǎo)致葉片發(fā)生重大的變形，受到切削力影響時(shí)，變形就會(huì)更加嚴(yán)重。最好的解決方式是在加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的時(shí)候，保障葉片的每個(gè)部位都能夠均勻受力，杜絕因?yàn)槭芰Σ痪鶆蛟斐傻淖冃螁栴}。為使葉片能夠受力均勻，仍需要優(yōu)化和提升受力參數(shù)，特別是切削力的受力。通過優(yōu)化加工工藝的參數(shù)，可以最大程度上緩解葉片變形的問題。

3.4 通過加工補(bǔ)償控制葉片變形

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行機(jī)械加工會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形量，加工補(bǔ)償方式通過參數(shù)補(bǔ)償來抵消機(jī)械加工造成的變形，極大程度上提升葉片的精確度。加工補(bǔ)償采用現(xiàn)代化技術(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工時(shí)可能產(chǎn)生的變形進(jìn)行仿真、模擬分析，得到正常加工時(shí)候葉片的變形規(guī)律和變形分布。根據(jù)分析得出的變形規(guī)律來補(bǔ)償機(jī)械加工造成的誤差，精確補(bǔ)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(yīng)用，也得到了非常好的反響。

使用加工補(bǔ)償解決機(jī)械加工引起的變形問題，需要經(jīng)過大量試驗(yàn)才可以獲得良好的補(bǔ)償效果。加工補(bǔ)償需要進(jìn)行建模分析，經(jīng)過多次分析才可以得出最好的結(jié)論，然后應(yīng)用于實(shí)踐。能夠解決葉片變形問題的措施有很多，對(duì)采用何種方式需經(jīng)過深思熟慮，才能保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的精度。

4 結(jié)束語

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，葉片是非常重要的存在，事關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全。良好的葉片質(zhì)量會(huì)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。所以，必須嚴(yán)格控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在生產(chǎn)過程中的變形，找出導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形的因素，采取對(duì)應(yīng)的解決措施，不斷優(yōu)化葉片的加工方式，提升葉片的精確度。