葉輪葉片拋光技術實踐探索

林嘉誠

摘 要：葉輪葉片是航空發動機的核心零件，葉輪表面粗糙度及其微觀形貌對發動機的壓氣效率、熱導率和推重比等性能指標具有重要的影響。葉輪、葉片是航空發動機、汽輪機等裝置核心的部件。由于其復雜的曲面結構、近乎苛刻的應用環境及所用材料的日新月異，使得葉輪、葉片成為最為典型的難加工結構件，也是國內制造業需要不斷攻克的制高點。

關鍵詞：葉輪;葉片;拋光;技術

航空發動機、燃氣輪機葉輪（整體葉盤）、葉片加工難點與其葉型形狀結構及加工質量要求特點直接相關，葉型在整體上具有的不規則三維空間曲面形式，使得其加工方式上構成了專業性質。葉輪既指裝有動葉的輪盤，是沖動式汽輪機轉子的組成部分。又指輪盤與安裝其上的轉動葉片的總稱，葉片設計曲面復雜，加工精度和表面質量工藝要求高，而葉片精加工過程后的拋光處理的高精度表面修形、制造工藝控制和技術方法是困擾國內葉片表面加工的難題。葉輪葉片為了減少氣流能量損失，保持氣流穩定，必須設計成比較復雜的三維彎扭曲面，正是由于這種不規則的復雜形狀，為葉輪葉片的表面拋光帶來了難度。

一、粗拋光

葉輪的葉片多為高溫合金單晶或鈦合金，單晶葉片大大提高了我國大推重比發動機的生產能力，葉片的溫度承受極限每提升25℃就可以使其在原有溫度下提升至原來壽命的4-8倍。傳統的葉片加工工藝，因為葉片結構上的不規則形狀，加工數量的成批性質，以及設備功能的局限性，使得葉片的緣板、榫頭及型面等部位必須單獨進行加工，拋光中的加工工藝呈現很大的分散性，專用工裝多，工序長，周轉多，效率低。手工拋磨不僅加工效率低、加工精度難以保證，危害工人身體健康，更關鍵的是，手工拋光質量對工人素質要求極高，在目前高技能工人數量嚴重不足的情況下，葉片生產生產時間較長，成本居高不下，不能滿足低成本，大批量生產航空發動機葉片的迫切需求。葉輪葉片拋光需要一個很好的拋光技能來體現材料本質的性能，但日益精進的技術，創造出無法仿效的鏡面精加工效果，從而使用葉輪葉片拋光解決等問題及各種形狀復雜的精密零件。目前，隨著電加工、機械加工等的多軸聯動數控加工技術發展，以及機械手等先進加工技術的日新月異，使得模具加工精度水平實現與熱加工相關流程中影響因素獲得了較好控制，從而使葉片葉型的凈成型加工獲得很好的提高發展。

二、半精拋光

葉輪為航空發動機中的重要部件，其曲面特征會影響航空發動機的進氣性，進而影響發動機的動力性。葉片是航空發動機中數量最大的零件類別，常常需要在極惡劣的環境下工作，因此葉片的加工精度和質量與發動機的表現是密不可分的。利用計算流體力學方法對磨粒流在不同磨料速度下拋光整體葉輪的加工過程進行了數值模擬，分析了靜態壓強、動態壓強、湍動能、湍流強度和壁面剪切力對磨粒流拋光葉輪研拋作用。當砂輪砂帶拋光技術被市場接納之后，葉輪葉片逐漸進入一個半自動化的拋光時代。隨著高速銑削技術、多軸尤其是五軸數控機床及CAM技術的不斷發展，應用五軸聯動數控機床進行葉輪加工，既可以保證刀具的球頭部分對工件進行準確的切削，又可以利用其轉動軸工作以避免刀具的刀體或刀桿部分與工件其他部分發生干涉或過切。砂輪拋光的原理是磨削加工，適用于復雜曲面及高精度要求，具有發熱低、不易燒傷工件等優點。而砂帶磨削從磨削領域獨立出來之后，自成體系，具有“萬能磨削”之稱。在加工技術方面，除卻傳統的加工方式，3D打印技術的發展，也為葉輪的制造提供了更多方向與可能性。但無論是哪種材料，采用什么樣的加工方式，葉輪的表面拋光都是一道必不可少的工序。葉片的表面光潔度每提升一個等級，葉輪的使用壽命就會延長7%或以上。

三、精拋光

由于葉片長期處于高溫、高壓等惡劣的工作環境下，且承受離心力、水或汽的交變應力作用，為保證葉片的使用可靠性和工作壽命，均采用高硬度、高強度材料制成。目前新機葉片研制的高效加工方式是，通過葉片兩端工藝凸臺的施加，使葉片能夠實現一次裝夾完成緣板、榫頭和型面幾乎全部位置的集成化加工，其專用工裝數量減少可達90%，加工周轉占比時間縮短可達80%，極大地提高了研制的快速反應能力。葉片的機械及加工主要采用葉片高速銑設備進行銑削和磨削，通常需要使用專門的葉片加工計算機生產加工的程序，才可以進行后續的加工過程。一般情況下，數控加工拋光會端在大余量的葉片型面。切削的加工需要以鍛造毛坯為基礎，經過一系列加工程序后，通過銑削的手段使毛坯符合最終尺寸。葉片在精加工后，為了滿足表面幾何尺寸精度和較高的粗糙度值，需要人工對表面進行打磨，滿足葉片在進行試驗時所需要的較高精度的測量數據。葉輪葉片拋光只是工業制造工藝中很小的一個環節，但從這個小環節中也能管中窺豹，葉輪制造工藝體現了一個國家在材料科學、加工技術以及制造裝備領域的綜合能力。以多軸聯動數控加工中心設備與精密電解加工設備所形成批量生產工藝，具有加工精度質量得到可靠保證，并且具有高效率、低成本的特點，是葉片制造走向高質、高效加工的有效途徑。

四、結論

航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，為航空器提供飛行所需動力的發動機，其制造過程十分復雜，發動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平。葉片與葉輪是發動機和燃氣輪機氣動性能與效率功能實現的直接作用部件，其非常大地決定了發動機和燃氣輪機的功能性質，多年來其材料技術、結構技術改變從來沒有停止過。所以，不斷通過開發拋光葉輪葉片的磨料表面拋光強化設備及工藝，能夠顯著地提高葉片表面質量和幾何精度，提高葉輪試驗數據準確性。

參考文獻：

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[2]劉向東，離心壓縮機葉輪流道磨料流拋光及其對壓縮機效率的影響[J];組合機床與自動化加工技術;2009年03期