葉輪葉片拋光技術(shù)實(shí)踐探索

林嘉誠(chéng)

摘 要：葉輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件，葉輪表面粗糙度及其微觀形貌對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣效率、熱導(dǎo)率和推重比等性能指標(biāo)具有重要的影響。葉輪、葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等裝置核心的部件。由于其復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)、近乎苛刻的應(yīng)用環(huán)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(jié)構(gòu)件，也是國(guó)內(nèi)制造業(yè)需要不斷攻克的制高點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：葉輪;葉片;拋光;技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)葉輪（整體葉盤(pán)）、葉片加工難點(diǎn)與其葉型形狀結(jié)構(gòu)及加工質(zhì)量要求特點(diǎn)直接相關(guān)，葉型在整體上具有的不規(guī)則三維空間曲面形式，使得其加工方式上構(gòu)成了專(zhuān)業(yè)性質(zhì)。葉輪既指裝有動(dòng)葉的輪盤(pán)，是沖動(dòng)式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的組成部分。又指輪盤(pán)與安裝其上的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的總稱(chēng)，葉片設(shè)計(jì)曲面復(fù)雜，加工精度和表面質(zhì)量工藝要求高，而葉片精加工過(guò)程后的拋光處理的高精度表面修形、制造工藝控制和技術(shù)方法是困擾國(guó)內(nèi)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(wěn)定，必須設(shè)計(jì)成比較復(fù)雜的三維彎扭曲面，正是由于這種不規(guī)則的復(fù)雜形狀，為葉輪葉片的表面拋光帶來(lái)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(guó)大推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)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(lái)壽命的4-8倍。傳統(tǒng)的葉片加工工藝，因?yàn)槿~片結(jié)構(gòu)上的不規(guī)則形狀，加工數(shù)量的成批性質(zhì)，以及設(shè)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(dú)進(jìn)行加工，拋光中的加工工藝呈現(xiàn)很大的分散性，專(zhuān)用工裝多，工序長(zhǎng)，周轉(zhuǎn)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(guān)鍵的是，手工拋光質(zhì)量對(duì)工人素質(zhì)要求極高，在目前高技能工人數(shù)量嚴(yán)重不足的情況下，葉片生產(chǎn)生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，成本居高不下，不能滿(mǎn)足低成本，大批量生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的迫切需求。葉輪葉片拋光需要一個(gè)很好的拋光技能來(lái)體現(xiàn)材料本質(zhì)的性能，但日益精進(jìn)的技術(shù)，創(chuàng)造出無(wú)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(wèn)題及各種形狀復(fù)雜的精密零件。目前，隨著電加工、機(jī)械加工等的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展，以及機(jī)械手等先進(jìn)加工技術(shù)的日新月異，使得模具加工精度水平實(shí)現(xiàn)與熱加工相關(guān)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(fā)展。

二、半精拋光

葉輪為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件，其曲面特征會(huì)影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中數(shù)量最大的零件類(lèi)別，常常需要在極惡劣的環(huán)境下工作，因此葉片的加工精度和質(zhì)量與發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)是密不可分的。利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)磨粒流在不同磨料速度下拋光整體葉輪的加工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了靜態(tài)壓強(qiáng)、動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)、湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度和壁面剪切力對(duì)磨粒流拋光葉輪研拋?zhàn)饔谩．?dāng)砂輪砂帶拋光技術(shù)被市場(chǎng)接納之后，葉輪葉片逐漸進(jìn)入一個(gè)半自動(dòng)化的拋光時(shí)代。隨著高速銑削技術(shù)、多軸尤其是五軸數(shù)控機(jī)床及CAM技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行葉輪加工，既可以保證刀具的球頭部分對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確的切削，又可以利用其轉(zhuǎn)動(dòng)軸工作以避免刀具的刀體或刀桿部分與工件其他部分發(fā)生干涉或過(guò)切。砂輪拋光的原理是磨削加工，適用于復(fù)雜曲面及高精度要求，具有發(fā)熱低、不易燒傷工件等優(yōu)點(diǎn)。而砂帶磨削從磨削領(lǐng)域獨(dú)立出來(lái)之后，自成體系，具有“萬(wàn)能磨削”之稱(chēng)。在加工技術(shù)方面，除卻傳統(tǒng)的加工方式，3D打印技術(shù)的發(fā)展，也為葉輪的制造提供了更多方向與可能性。但無(wú)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(gè)等級(jí)，葉輪的使用壽命就會(huì)延長(zhǎng)7%或以上。

三、精拋光

由于葉片長(zhǎng)期處于高溫、高壓等惡劣的工作環(huán)境下，且承受離心力、水或汽的交變應(yīng)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(qiáng)度材料制成。目前新機(jī)葉片研制的高效加工方式是，通過(guò)葉片兩端工藝凸臺(tái)的施加，使葉片能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuān)用工裝數(shù)量減少可達(dá)90%，加工周轉(zhuǎn)占比時(shí)間縮短可達(dá)80%，極大地提高了研制的快速反應(yīng)能力。葉片的機(jī)械及加工主要采用葉片高速銑設(shè)備進(jìn)行銑削和磨削，通常需要使用專(zhuān)門(mén)的葉片加工計(jì)算機(jī)生產(chǎn)加工的程序，才可以進(jìn)行后續(xù)的加工過(guò)程。一般情況下，數(shù)控加工拋光會(huì)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(chǔ)，經(jīng)過(guò)一系列加工程序后，通過(guò)銑削的手段使毛坯符合最終尺寸。葉片在精加工后，為了滿(mǎn)足表面幾何尺寸精度和較高的粗糙度值，需要人工對(duì)表面進(jìn)行打磨，滿(mǎn)足葉片在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)所需要的較高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。葉輪葉片拋光只是工業(yè)制造工藝中很小的一個(gè)環(huán)節(jié)，但從這個(gè)小環(huán)節(jié)中也能管中窺豹，葉輪制造工藝體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家在材料科學(xué)、加工技術(shù)以及制造裝備領(lǐng)域的綜合能力。以多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心設(shè)備與精密電解加工設(shè)備所形成批量生產(chǎn)工藝，具有加工精度質(zhì)量得到可靠保證，并且具有高效率、低成本的特點(diǎn)，是葉片制造走向高質(zhì)、高效加工的有效途徑。

四、結(jié)論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，為航空器提供飛行所需動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，其制造過(guò)程十分復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計(jì)和制造水平。葉片與葉輪是發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)氣動(dòng)性能與效率功能實(shí)現(xiàn)的直接作用部件，其非常大地決定了發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的功能性質(zhì)，多年來(lái)其材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)改變從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。所以，不斷通過(guò)開(kāi)發(fā)拋光葉輪葉片的磨料表面拋光強(qiáng)化設(shè)備及工藝，能夠顯著地提高葉片表面質(zhì)量和幾何精度，提高葉輪試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

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