航空發(fā)動機(jī)葉片加工變形控制方法

李楊　李翊萌

摘? 要：航空發(fā)動機(jī)的性能很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計和制造水平，進(jìn)行葉片加工方法研究有助于提高該類零件的加工精度和效率。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，目前較大數(shù)量的葉片采用數(shù)控銑削工藝進(jìn)行加工，但銑削加工過程中易引起葉片的加工應(yīng)力變形，影響加工精度。文章分析了葉片加工過程中產(chǎn)生變形的主要原因，并提出了葉片裝夾方法優(yōu)化、加工參數(shù)優(yōu)化、葉片加工變形補(bǔ)償以及調(diào)整加工方法等方法進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);葉片;變形控制

中圖分類號：V263? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0106-02

Abstract： The performance of aero-engine largely depends on the design and manufacturing level of blade profile. The research on blade machining method is helpful to improve the machining accuracy and efficiency of this kind of parts. With the development of numerical control technology， a large number of blades are machined by CNC milling technology， but the machining stress and deformation of blades are easy to be caused in the milling process， which affects the machining accuracy. This paper analyzes the main causes of the deformation in the blade machining process， and puts forward some improvement methods， such as the optimization of blade clamping method， the optimization of machining parameters， the compensation of blade machining deformation and the adjustment of machining method.

Keywords： aero-engine; blade; deformation control

1 概述

航空發(fā)動機(jī)是航空制造業(yè)的核心技術(shù)，航空發(fā)動機(jī)設(shè)計復(fù)雜、加工精度和可靠性要求高，是現(xiàn)代工業(yè)加工制造領(lǐng)域中的一道難題。攻克航空發(fā)動機(jī)加工制造中的各道難題將有助于提升我國航空發(fā)動機(jī)的制造水平，提升航空發(fā)動機(jī)的性能。航空發(fā)動機(jī)葉片屬于具有復(fù)雜曲面的弱剛性零件，機(jī)械加工難度大，加工復(fù)雜，技術(shù)難度大。本文在分析影響航空發(fā)動機(jī)葉片加工質(zhì)量影響因素的基礎(chǔ)上對如何做好航空發(fā)動機(jī)葉片的機(jī)械加工進(jìn)行了分析介紹。

2 葉片加工變形影響因素分析

作為航空發(fā)動機(jī)中的重要組成部分，全部葉片的加工量約占航空發(fā)動機(jī)全部機(jī)械加工量的60%，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)葉片型面越來越復(fù)雜，呈葉身扭曲彎度趨大，葉弦趨寬，葉身趨薄，前掠加大等特點(diǎn)，因此葉片復(fù)雜曲面加工困難，加工精度不易保證。本文從影響葉片機(jī)械加工的主要幾個影響因素分析，力求找到控制葉片加工變形的技術(shù)方法，從而減小葉片變形，提高機(jī)械加工精度。

2.1 葉片受切削力作用

航空發(fā)動機(jī)葉片主要采用的鈦合金、鎳基高溫合金，是典型薄壁的弱剛性零件，其葉片扭角大，型面精度要求高，加之為確保航空發(fā)動機(jī)的性能某些航空發(fā)動機(jī)葉片需要做的很薄，某些型號的航空發(fā)動機(jī)葉片最薄處僅為0.8mm，尤其是對于進(jìn)排氣邊緣的葉片部分加工質(zhì)量要求更高、尺寸也更小，上述種種特性都為航空發(fā)動機(jī)葉片的加工帶來了極大的難度。葉片的材質(zhì)和尺寸特性決定了其所能承受的機(jī)械加工外力是有限的，一旦在銑削加工中其所受切削力作用過大，將會導(dǎo)致葉片產(chǎn)生彈性形變，就是我們常說的“讓刀”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)葉片的理論加工精度和實(shí)際加工精度之間產(chǎn)生一定的偏差，進(jìn)而影響葉片的加工精度。

此外，葉片所使用的材質(zhì)其抗塑性變形能力強(qiáng)，加之其還具有較強(qiáng)的耐磨、耐高溫特性，從而導(dǎo)致葉片的機(jī)械切削加工性能較差，較強(qiáng)的耐磨性將加大葉片切削加工中刀具的磨損速度，從而導(dǎo)致了刀具在使用一段時間后磨損嚴(yán)重，需要在加工中進(jìn)行多次刀具參數(shù)的校準(zhǔn)，如若不校準(zhǔn)將產(chǎn)生“讓刀”變形誤差，這一問題在葉片的葉尖和進(jìn)排氣邊緣等剛性較差的部位加工時表現(xiàn)的尤為明顯，其在機(jī)械加工后的彈性變形極為嚴(yán)重，進(jìn)而使得葉片的加工質(zhì)量受到極大的影響。

2.2 定位和裝夾誤差

葉片的裝夾也是影響葉片制造精度的重要因素之一。良好的葉片裝夾方法會提供良好的定位精度和穩(wěn)定性。但是實(shí)際加工過程中，葉片的裝夾將會在葉片上額外增加了機(jī)械作用力，過大的機(jī)械外作用力作用于葉片上容易導(dǎo)致葉片因夾持力過大導(dǎo)致零件變形，影響葉片的加工精度。

2.3 加工表面殘余應(yīng)力

葉片機(jī)械加工過程中刀具將會在葉片上產(chǎn)生一定的作用力，這些作用力將以應(yīng)力的形式儲存其中。在葉片加工完成之后，原來毛坯中殘余應(yīng)力的“平衡狀態(tài)”被打破，葉片在應(yīng)力的作用下將會達(dá)到新的“平衡”，而殘余應(yīng)力的作用將會導(dǎo)致葉片發(fā)生一定的變形，殘余應(yīng)力過大將會導(dǎo)致較大的變形且這些變形量是不可控的。總體來說，在葉片切削加工的過程所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要為機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，且機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力是隨著機(jī)械加工而不斷累積的，為避免殘余應(yīng)力對航空發(fā)動機(jī)葉片的加工造成影響需要采取針對性的措施積極解決好應(yīng)力“堆積”問題。切削中表面層金屬受熱膨脹產(chǎn)生的塑性變形受里層低溫金屬阻礙而產(chǎn)生應(yīng)力，在切削后的冷卻過程中，表層金屬體積收縮受里層金屬阻礙而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

3 加工變形控制技術(shù)

為改善葉片的機(jī)械加工特性，需要在分析上述影響因素的基礎(chǔ)上采取針對性的舉措控制葉片機(jī)械加工中的變形量，提高葉片的機(jī)械加工質(zhì)量。針對上述葉片變形的三個影響因素，下文將主要從葉片的裝夾方式、機(jī)械加工工藝及加工參數(shù)優(yōu)化、葉片加工補(bǔ)償和超硬磨料砂輪高速磨削等幾個方面對航空發(fā)動機(jī)葉片變形控制方法展開研究。

3.1 裝夾方式優(yōu)化

為提高葉片的剛性，通過對葉片加工變形量進(jìn)行模擬，找出葉片加工中的最大應(yīng)力部分變形區(qū)段，通過對相關(guān)區(qū)段進(jìn)行定位裝夾或輔助支撐，間接提高葉片的剛性，在減小航空發(fā)動機(jī)葉片在裝夾力作用下所產(chǎn)生變形的同時增強(qiáng)葉片的抗變形能力，從而達(dá)到減小葉片受力變形提高精度的效果。另一方面采用低熔點(diǎn)材料，將融化的低熔點(diǎn)合金澆灌在葉片型面的四周，對其進(jìn)行輔助支撐。航空發(fā)動機(jī)葉片加工的幾何精度和型面精度要求越來越高，通過應(yīng)用5軸加工中心將有助于提高航空發(fā)動機(jī)葉片的加工精度，通過5軸加工中心實(shí)現(xiàn)一體化成型，減少多次裝夾所帶來的誤差。

3.2 工藝及加工參數(shù)優(yōu)化

在切削加工中，提高刀具的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度能夠有效的提高葉片加工表面的光潔度和表面質(zhì)量。銑削加工時由于切屑在較短時間內(nèi)被切除，絕大部分切削熱被切屑帶走，減少了工件的熱變形;其次，在加工中，由于切削層材料軟化部分的減少，也可減少零件加工的變形，有利于保證零件的尺寸、形狀精度。

另外，切削液的使用將能夠有效減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度，減少葉片內(nèi)部的熱應(yīng)力。合理使用切削液對提高刀具的耐用度和加工表面質(zhì)量、加工精度具有重要作用。在切削液選用的過程中需要綜合考慮切削液的特性、葉片的材質(zhì)以及加工中熱量和切屑的多少，從而合理確定切削液的流量。因此，在加工中為防止零件變形必須合理使用充分的切削液。

利用加工余量分配調(diào)整加工工藝，增強(qiáng)葉片加工剛性，通過工藝手段使剛性增強(qiáng)也是控制葉片加工變形的有效手段之一。

3.3 葉片加工變形預(yù)測與補(bǔ)償

葉片的變形預(yù)測前提是需要對航空發(fā)動機(jī)葉片機(jī)械加工過程中葉片的受力建立模型，并計算葉片在機(jī)械加工過程中的彈性變形量，通過將其與機(jī)械加工過程中刀具的運(yùn)動軌跡進(jìn)行對比，模型與刀具軌跡之間的差量就是有準(zhǔn)確的鍛件預(yù)測變形模型，并在模擬計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)葉片的具體結(jié)構(gòu)給出反變形量，通過直接將這些差量補(bǔ)償進(jìn)葉片的毛坯件中，可有效地解決葉片等復(fù)雜曲面鍛件加工余量不足，不均勻的問題。

航空發(fā)動機(jī)葉片誤差補(bǔ)償加工也是一種基于反變形的思想，針對葉片在數(shù)控加工過程中出現(xiàn)的變形問題，通過對葉片切削力建模和葉片表層殘余應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)合刀具的運(yùn)動軌跡與葉片表層殘余應(yīng)力的分布規(guī)律來制定葉片機(jī)械加工中的誤差補(bǔ)償方案，葉片補(bǔ)償加工是作用于機(jī)械加工工藝參數(shù)的加工方式，同時也是目前應(yīng)用較為廣泛的葉片綜合變形控制方式。

葉片加工中的多次誤差補(bǔ)償通過在單次補(bǔ)償試切的基礎(chǔ)上，綜合考慮前次補(bǔ)償引起的再生變形，對葉片的變形補(bǔ)償量模型進(jìn)行多次反復(fù)修正迭代，通過這一個過程，不斷的縮小葉片加工誤差，直到葉片加工精度滿足相關(guān)精度要求。通過在葉片機(jī)械加工中進(jìn)行多次誤差補(bǔ)償加工，不僅能夠大大地提高加工精度，改善曲面加工質(zhì)量，減少葉片的加工廢品率，還能夠在一定程度上提升葉片的加工效率。總體來說葉片補(bǔ)償加工能夠達(dá)到補(bǔ)償葉片加工變形的目的。

3.4 采用超硬磨料砂輪高速磨削加工

現(xiàn)在航空發(fā)動機(jī)普遍采用鈦合金和鎳基高溫合金，其材質(zhì)具有較強(qiáng)的耐高溫、耐磨削的性能。現(xiàn)代超硬磨削技術(shù)所采用的磨料砂輪能夠有效的作用于葉片表面，通過磨削的方式完成葉片的加工。高速磨削加工方式具有磨削能力強(qiáng)，耐磨性好，耐用度高，磨削力小，磨削溫度低等的特點(diǎn)，磨削應(yīng)力小、溫度低能夠有效減少作用于葉片機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，減少葉片的形變。同時磨削加工內(nèi)應(yīng)力小，無燒傷、裂紋等缺陷，能夠有效的提升葉片表面的加工質(zhì)量，是一種能夠很好地適應(yīng)發(fā)動機(jī)高性能葉片精密加工的需要的加工技術(shù)。

超高速磨削可以對硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域磨削加工，而且對鈦合金、鎳基耐熱合金等難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。改善工件表面硬化程度和減小表面粗糙度值，改善表面完整性，因此超高速磨削顯示出極大的先進(jìn)性和優(yōu)越性，需要加強(qiáng)對于超高速磨削技術(shù)的研究與應(yīng)用，從而使得其在葉片加工領(lǐng)域中發(fā)揮出更大的作用。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)葉片是航空發(fā)動機(jī)制造中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，本文通過分析航空發(fā)動機(jī)葉片加工變形的影響因素，在現(xiàn)有加工工藝基礎(chǔ)上影響航空發(fā)動機(jī)葉片加工精度的影響因素進(jìn)行了分析，針對葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合國際先進(jìn)制造技術(shù)，提出改善措施及改進(jìn)方法，有助于提高航空發(fā)動機(jī)葉片的加工精度。同時通過總結(jié)葉片數(shù)控加工的工程經(jīng)驗(yàn)，從而為我國航空發(fā)動機(jī)行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)：

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