1.3.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 沈阳市 110862;2.沈阳中航动力精密铸造科技有限公司 沈阳市 110862
摘要：随着近几年的外来技术引进及国内的制造水平提升，发动机整体叶盘制造技术被攻克，但加工效率低下，远远达不到量产需求，工艺技术及刀具需进一步研发。
关键词：航空发动机；整体叶盘；加工工艺分析
引言
现阶段，随着社会的发展，我国的现代化建设水平也有了很大的提高。1998年以来，我国进入了航空大发展时期。近几年随着各种新型号军、民机先后升空，我国对自主先进大推力航空发动机的需求与日俱增。发动机是飞机的心脏，被誉为工业皇冠上的明珠。其制造能力直接标志着国家的顶尖制造水平，现美国和英国牢牢掌控大推力先进航空发动机的关键技术，在行业中呈垄断形式。自2005年“太行”定型后，我国对新型发动机研制及量产有了新的需求，其中，整体叶盘制造更是核心瓶颈技术攻关之一。
数控加工是航空发动机整体叶盘最主要的加工方法，数控加工工序是保证整体叶盘几何精度符合设计要求的重要环节。按照设计三维数模精铣后的叶片型面虽满足图纸尺寸公差，但后续叶片表面光整及强化工艺会对叶型特征产生不同程度的影响，导致最终叶型几何特性超出设计要求。通过对抛光、振动光饰、喷丸等表面光整及强化工艺进行分析，确定其对叶型参数的影响规律及量值，再根据预变形技术对精铣工序的加工模型和程序进行修正，使叶片在精洗后获得与后续表面光整及强化工艺变形规律相反的形状和位置，再在后续加工中消除这些预变形量，从而达到在最终交付状态获得合格整体叶盘的目标。
1整体叶盘材料特性及整体叶盘盘铣加工技术分析
1.1 整体叶盘材料特性
整体叶盘是航空发动机的组成之一，整体叶盘的存在能提高发动机性能、减小重量、提高耐久性与可靠性。常见的整体叶盘材料是TC4钛合金材料，该材料属于（α+β）型钛合金，有好的比强及热强度，具有良好的抗腐蚀和抗疲劳性能，同时该材料同时具备α、β双向组织，能进行热处理强化，最大化地提高飞机的使用寿命，降低飞机后期成本。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但是，该材料属于典型难加工材料，主要原因有：钛合金弹性模量低，加工中易产生变形；摩擦系数大，刀具易磨损；热导率低，加工时热量不能有效传递，刀具温度较高，处理不当很容易造成粘刀，加快刀具磨损；化学活性高，加工中形成硬化层，硬度大量提升，且易于燃烧。总之，（α+β）钛合金材料虽有良好的使用优点，但鉴于加工难，经常容易出现制造问题，因此选用合适的刀具才能为制造高效的整体叶盘奠定基础。
1.2 整体叶盘高效加工技术
整体叶盘加工技术有很多种，在使用钛合金的基础上对其进行切割的工艺很多，笔者列举四种常见技术进行对比。
1.2.1 电火花加工技术
该技术的优点有稳定性好，适用范围广，叶片刚度高不会轻易变形。缺点有电极容易被损耗，加工后材料附着于变质层难以清理，加工效率有限。电火花加工技术在国内机械制造业主要用于闭式叶盘。
1.2.2 电解加工
该技术的优点有叶片刚度高，不会轻易变形，适用于很多精准度高的难加工材料，效率不错。缺点是稳定性相对较差，生成的电解溶液容易污染环境，难处理。该技术在国内被应用于开式叶盘，整体应用次数不高。
1.2.3 电子束焊接、线性摩擦焊
这种技术主要面向空心叶片整体叶盘制造及整体叶盘修复。应用于普通整体叶盘时，可以有效降低毛坯成本及机加设备占用时间。但是，存在焊接精度不够和变形的情况不能避免，往往需要自适应加工与之配套。现中国航空制造技术研究院已具有一定的工程经验积累，但没有大规模投入实际生产。
1.2.4 整体数控加工
该技术加工精度高，稳定性高，是目前叶盘加工技术中平均耗时最短、效率最高的技术，适用于批生产。常用的加工方案先使用插铣或者盘铣方式进行通道大量去除，后使用球刀进行精加工。缺点是前期对设备、配套软件及工艺人员水平有着较高要求，稳定生产后，刀具的寿命直接影响整体盘的加工效率。
2航空发动机整体叶盘的结构与加工特性
航空发动机整体叶盘从结构形式上主要分为整体式和焊接式两大类，焊接式采用的是对叶片进行单独加工并在后期采用电子束焊、线性摩擦焊或是真空固态扩散联结等的焊接技术将前期加工的叶片焊接至叶盘。采用焊接式加工时对于叶片焊接质量要求较高，其直接影响着航空发动机整体叶盘的使用性能和可靠性。整体式叶盘是航空发动机整体叶盘的主要结构形式，在对整体式叶盘加工制造主要依靠的是机械加工，加工时采用整体材料或是锻造的毛坯件进行加工，在这一过程中材料去除余量主要是依靠通道粗加工完成的，通道粗加工与航空发动机整体叶盘的加工效率密切相关，应当积极做好航空发动机整体叶盘通道粗加工技术的研究与应用，以便有效地提高航空发动机整体叶盘的加工效率，缩短加工周期。
3航空发动机整体叶盘加工工艺
3.1插铣和摆线铣在航空发动机整体叶盘通道加工中的工艺性分析
插铣相比于侧铣在加工精度、加工效率以及刀具磨损量控制方面都有着较大的优势。在现今的航空发动机整体叶盘通道机械加工中，插铣得到了较为广泛的应用。插铣加工技术应用中通过直纹包络面逼近整体叶盘叶片的自由曲面，采用插铣工艺进行航空发动机整体叶盘通道的粗加工，插铣工艺应用时刀具受到的径向力更加均匀，从而有效地避免了刀具在加工中因径向切削力而导致的刀具震颤，且加工效率最大能够提升约100%，尤其是对于采用长伸长量的铣刀进行插铣加工时插铣相对于侧铣这一优势更加明显。摆线铣加工技术应用于航空发动机整体叶盘通道机械加工时，由于摆线铣的进给特点其在进给时刀具的进给速度以及瞬时切削厚度都较低，由于采用的是圆弧运动，其相较于侧铣和插铣受到的径向切削力更小，刀具受到的冲击更低，能够对航空发动机整体叶盘通道进行更高质量的表面加工。
3.2对称螺旋铣在航空发动机整体叶盘叶片铣削精加工中的应用
对称螺旋铣削加工利用螺旋线刀具在航空发动机整体叶盘叶片两侧以一个螺旋周期为基准对航空发动机整体叶盘叶片进行“对称”加工，从而实现均匀地从航空发动机整体叶盘叶片两侧完成材料切除加工，对称的加工力可以有效地减少机械加工所形成的机械加工残余应力，并减少或是避免因机械加工残余应力所导致的变形。在对航空发动机整体叶盘叶片进行机械加工时，还可以采用高速铣削机械加工技术，利用高速铣削技术将能够有效地减小铣削力以及工艺系统的被迫振动，提高薄壁叶片加工精度。
3.3航空发动机整体叶盘叶片前后缘加工误差补偿技术
航空发动机整体叶盘叶片前后缘的加工精度对航空发动叶盘工作时的气动性能会产生直接而重要的影响。当前，航空发动机在气动性能方面有着更高的要求，航空发动机整体叶盘叶片前后缘的厚度在设计时越来越薄，航空发动机整体叶盘叶片前后缘圆弧半径甚至于在0.1mm以内，而一些航空发动机整体叶盘叶片前后缘在设计时为了满足高气动性能，其还采用了椭圆形的航空发动机整体叶盘叶片前后缘结构，而这一结构将会对航空发动机整体叶盘叶片前后缘机械加工带来极大的难度，非规则机械加工将会加大加工中所产生的误差。由于航空发动机整体叶盘叶片前后缘厚度较薄，在对航空发动机整体叶盘叶片前后缘进行加工的过程中航空发动机整体叶盘叶片及刀具均会发生形变，刀具触点的实际位置与理论位置之间存在一定的偏差，致使加工后的航空发动机整体叶盘叶片尺寸超差。在实际的加工中，可以利用航空发动机整体叶盘叶片前后缘补偿技术，通过反复试验和计算确定航空发动机整体叶盘叶片加工后误差变化规律，并以此规律为基准重新对航空发动机整体叶盘叶片加工程序进行编程，通过在航空发动机整体叶盘叶片加工程序中预留补偿量来提高航空发动机整体叶盘叶片前后缘的加工精度。
结语
本文首先对高压压气机整体叶盘叶型在精铣、抛光、振动光饰、喷丸工序中的变性规律和变形量进行了分析及检测验证，开展了预变形技术在高压压气机整体叶盘加工过程中的应用研究，提出了一套预变形加工模型及检验模型的建立思路，经过实际对试件的加工及检测验证，叶型参数合格率显著提高，为整体叶盘加工质量提升奠定了技术基础。
参考文献:
[1]黄春峰.现代航空发动机整体叶盘及其制造技术[J].航空制造技术，2006（4）：1-8.
[2]张海艳，张连锋.航空发动机整体叶盘制造技术国内外发展概述[J].航空制造技术，2013，443（Z2）：38-41.
论文作者:李文学1,黄静2,苏宝华3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/14
标签：加工论文; 叶片论文; 航空发动机论文; 后缘论文; 技术论文; 刀具论文; 材料论文; 《防护工程》2018年第30期论文;