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WMEM|整體葉盤先進製造技術應用與發展

2019-5-10 來（lái）源：轉（zhuǎn）載作者：-

摘要：國外航空發動機研製應用（yòng）了大（dà）量高端裝備及製造技術。本文以國外整體葉盤發展為切入點，介紹了航空發動機部分先（xiān）進製造技術的應用現狀及發展方向。

整體葉盤是（shì）航空發（fā）動機的重要轉動部件，在離心力、氣動力等多變載荷下工作。為提升氣動性能以及保證服役周（zhōu）期，國外整體（tǐ）葉盤帶有彎掠特征的複雜葉片構（gòu）型，采用鈦合金、高溫合金等難加工材（cái）料，形（xíng）位精度及尺寸公差嚴，加工表麵完整性要求高，材料去（qù）除量大。國外整（zhěng）體（tǐ）葉盤加工（gōng）采用了高精度、高效率、高可靠性的先進製造技術。

一、數控加工技術

國外航空領域不斷采用高端裝備和（hé）高新技（jì）術來解決整體葉盤複雜葉（yè）型高效能加工難題，采用了從加工工藝到工藝裝備的整體（tǐ）解決方案。新材料、新工藝不斷推動著整體葉盤製造技術的進步。

1.銑削（xuē）與自動（dòng）拋光技術

高精度尺寸及形位公差要（yào）求，大扭轉、長薄壁的空間曲麵葉片構型，鈦（tài）合金、高溫合金等難切削（xuē）的工件材料，要求整體葉盤葉型（xíng）銑削技術（shù）具有高效、精密、安全、低成本（běn）等特點。通用五坐標加工中（zhōng）心已不能完全滿足整體（tǐ）葉盤質量、效率與成（chéng）本方麵的綜合（hé）需求。由於整體葉盤在航（háng）空發動（dòng）機上的廣泛應用，促使整體葉（yè）盤新型專用（yòng）數控機床、刀具係統、工藝裝備與相應（yīng）編（biān）程軟件、加工工藝的綜合（hé）進步。

整體葉盤葉型加工（gōng）工藝應以提升銑削精度和加工表麵質量為要點，保證葉片幾（jǐ）何精度與物（wù）理性能。整體葉盤葉（yè）片薄長，氣流通道空間狹（xiá）窄，葉型（xíng）截麵曲率在前後緣區域變化劇烈。葉型（xíng）銑削加工方案注重增強（qiáng）葉片實時加工剛性，減小葉片加（jiā）工變形，控製刀軸矢量變化，維（wéi）持切削力（lì）基本平穩。國外整體葉盤加工主要采用型腔填充減振材料以及粗精（jīng）混合加工方案，采用高性能、長耐用度刀具刀柄（bǐng）係統（見圖1），有效（xiào）增強銑削過程中的葉片剛性，對保證（zhèng）前後（hòu）緣形狀與葉片輪廓度起到重要作用。

國外加工整體葉盤的五軸聯動加工中心向高速度、高（gāo）精度、智能（néng）化（huà）方向發展，具有（yǒu）如下特點：

（1）高動態性能。部分線性軸采用直線（xiàn）電機驅動，線性軸加速度可達（dá）0.8g以（yǐ）上，轉動軸采用力矩電機直接驅動，提高轉動軸加速性能（néng）和重複定位精度，保證多軸聯動精度，提升加工表麵質（zhì）量。

（2）高主軸轉速。加工中心配備高速（sù）銑電主軸（見圖2），可以在低轉速時以高扭矩、大切深的方式進行粗加工，在高轉速時以大進給、小切深的方式進行精加工。高（gāo）速銑電主（zhǔ）軸采用油氣潤滑及油霧潤滑等潤滑方式。

（3）智能監測功能強。加工中心（xīn）具有在線測量分析、切削振動監測、刀具壽命監控、主軸斷電回退（tuì）、主軸溫度補償、碰撞監控急停、故障自診斷與智能報（bào）警等功能，有效提高整體葉盤（pán）加工可靠（kào）性與安全（quán）性。

（4）驅動參數優化與機床誤差修正準確快（kuài）捷。深度開發機床數控係統，方（fāng）便進行人機交互，結合葉盤加工特點，可進行RTCP精度檢測、坐標（biāo）軸運動特性分析與伺服係統驅動參數調整。不同葉盤零件重量差異較大；同一葉（yè）盤從葉片毛坯狀態加工至葉片最（zuì）終成型狀態，重量不斷變化。可對承載零件的轉動（dòng）軸驅動參數進行優化，提高動態響應性能，使各軸動態響應特性達到最佳（jiā）匹配狀態，降低機床路徑跟隨誤差。整體（tǐ）葉盤葉型銑削對環境溫度恒定性要（yào）求高，在加工中（zhōng）心長時間加工運轉以及環境溫度變化較（jiào）大（dà）時，可采（cǎi）用球杆儀等（děng）工具準確分析和補償機床各（gè）軸運動誤差，保證對刀數據準確性，提高葉身及流道加工精度。

加工（gōng）環境溫（wēn）度變化（huà）、機床冷熱狀態（tài）轉變、不（bú）同規格刀具（jù）加工（gōng），這些因素使葉片（piàn）部位難以避（bì）免地產生接刀痕、局部銑削（xuē）缺陷。此外，整體葉盤加工表麵質量要求較高（gāo），在前後緣一定距離內不允許出現橫向加工痕跡；葉身型麵表麵（miàn）粗（cū）糙度等級高，葉身型麵、流（liú）道麵與葉根圓角需要光順圓滑轉接。在整體葉盤葉型銑削後，通過柔性機器人或多軸聯動磨拋（pāo）機床，采用砂帶、砂輪（lún）、拋（pāo）光輪等磨具對整體葉盤葉片及流道進（jìn）行自動化拋光。

國外整體葉盤全型（xíng）麵、多要素自（zì）動（dòng）化（huà）數（shù）控磨拋技術，處（chù）於不（bú）斷發展和完善之中。自動化拋光設備在磨拋介質選型、磨（mó）拋參數選擇、加工精度控製、運動路徑規劃等（děng）方（fāng）麵有待（dài）進一步研究。對於大扭轉、長懸伸、窄間距的整體（tǐ）葉盤，葉片前後緣、葉根圓（yuán）角與流（liú）道麵一（yī）直是自（zì）動化拋光的難（nán）點，在（zài）葉盆（pén）、葉（yè）背等開敞性好、曲（qǔ）率變化小的（de）區（qū）域可基本實現（xiàn）自動化拋光。現階段主要通過優化銑削策略，控製表麵粗糙（cāo）度與接刀痕大小，再采用自動化拋（pāo）光設備去除接刀痕跡或局部銑削缺（quē）陷，降低表麵粗糙度值，保證葉片型麵尺寸（cùn），防止過拋、欠（qiàn）拋，尤其避免前後緣出現削邊、平頭、尖邊等問題。整體葉（yè）盤自動化拋光（guāng）技術將向柔（róu）性隨形加工、自（zì）適應局部拋修、磨拋與檢測一體化方向發（fā）展。

2.程序分析與（yǔ）優化技術

整（zhěng）體葉盤銑削加工屬於強（qiáng）時變工況。在加工曲麵光順性差（chà）、切削力非線性劇烈（liè）變化、加工參數匹配（pèi）性欠佳等條件下，葉身型麵容易出現振紋（wén）、凹坑等問題，銑削過程容易存在（zài）主軸功率過大、刀具異常振動等現象。在葉盤正式加（jiā）工前，需要反複迭代試驗，試驗周期長，調試難度大。整體葉盤（pán）加工可利用專業軟件與儀器來優化數控銑削程序，縮短加工周期，提高加工表麵質量（liàng）。

基於均衡切削力、均衡主（zhǔ）軸功率的原則，整體葉盤葉型銑削程序可通過Production Module切削工藝（yì）分析（xī）軟件、OMATIVE自適應控製係統等（děng）工（gōng）具進行優化（見圖3）。通過（guò）綜合（hé）分析機床、刀具、工件與程序，優化整體葉盤葉型銑削程序（xù）中的切削參數數據，降低切削力峰值，平衡主軸負載，提高加工效率，延長刀具壽命，保證加工過程平穩，使數控（kòng）機（jī）床工作在最佳（jiā）的加工狀態。在整體葉盤葉型精銑時應適當避免進給速度的頻繁變化，保持加工表麵質量（liàng）的一致性（xìng）。

整體葉盤葉型高速銑削加工時，機床幾何軸運動速度及方向不斷改變，刀軸矢量快速變化，引起葉片加工表麵出現（xiàn）條狀紋理、顫（chàn）紋等問（wèn）題。國外部分葉盤（pán）加工專用軟件可對機床運動狀態進（jìn）行測試記（jì）錄，識別各運動軸換向點（diǎn），計算各運動軸速度、加速度以及加（jiā）加速度，分析葉型銑削加工是否超出機床運動性能極限，進而優化葉（yè）型銑（xǐ）削程序（xù）。按整體葉盤加工狀態（tài），在機（jī）床主軸上裝載特定刀具並空（kōng）運行銑削（xuē）程序，CUTPRO切削動力學分析軟件可分析葉型銑削顫振（zhèn）穩（wěn）定域，通過調整（zhěng）主軸轉速與進給速（sù）度，提高刀具懸伸、主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速與切削力匹配度，預防刀（dāo）具（jù）振動，提高加工表麵質量（liàng）。

3.自適應加工技術

自適應加工技術能夠自動適應零件形狀進行加工，在國外摩擦焊葉盤精密成形銑削及整體葉盤修複領域具有廣泛應用。

線性（xìng）摩（mó）擦焊技術適用於（yú）加工大扭（niǔ）轉、長懸伸（shēn）整體葉（yè）盤，可以節省（shěng）毛坯（pī）材（cái）料，縮短（duǎn）銑削加工（gōng）周期。采用線性摩擦焊技術將多個葉片焊接到（dào）輪轂的輪緣位置後（見圖（tú）4），需要將焊接工藝台等多餘材料去除。焊接式葉盤所用葉片實際形狀不盡一致，受焊接精度限製各葉片在焊接（jiē）後位置不（bú）盡一致，需要采用自（zì）適應加工技術（shù）針對各葉片進（jìn）行個性化精密數控銑削。

整體葉盤采用（yòng）葉（yè）片與盤體一體化結構，並出現了多級整體葉盤焊（hàn）接結構、葉盤與軸頸焊接結構等更加複雜的整體式結構，製造成本更高，加工周期更長。

葉片局部區域受到外物損傷或疲勞斷裂後，需要采用補片焊接與自適應精密銑削加工等方法進行修複。在精密銑削時（shí）必須基於葉片實際（jì）狀態進行自適應加工。

自適應加工技術需（xū）要采用數字化測量技術，檢（jiǎn）測整體（tǐ）葉盤待加工葉片的（de）實際形狀和位置，基於（yú）檢測數據與理論模型構建自適應加（jiā）工工藝模型，確定銑削基準，計算刀具軌跡（jì），保證加工後相關部位盡量接近理論設計模型並光順接平。國外在該領域已有較成熟的（de）自適應加工軟件與製造工藝。

德國BCT公司（sī）的（de）自適應加工技（jì）術、瑞（ruì）士斯達拉格集團TTL公司自適應加工編程軟件已分別應用於MTU公司、羅羅公司的整體葉盤（pán）自適應加工。自適（shì）應加工工藝模型（xíng）構建方法、自適應銑削策略設計是整體葉盤自適應加工技術研究與工程化應用（yòng）的重點。

二、葉片測量技術

整體葉盤的加（jiā）工質量對飛機發動機的氣動（dòng）性能以及服役（yì）周期影響甚大（dà），需要對葉片部位的型麵和形位精度進行高精度、高效率的檢測評價。整體葉盤葉片采用三元流設計，葉片前後緣逐步采（cǎi）用（yòng）高階（jiē）拋物線形，前後緣尺寸薄小且曲率變（biàn）化大，葉身型麵為複雜的空間自由（yóu）曲麵，葉片間氣流通道（dào）窄小，而整體葉盤葉片數量及檢測（cè）項目眾（zhòng）多。整體葉盤檢測需要具有高（gāo）精度、高效率以及高可靠性（xìng）。

整體葉盤檢測包括測量路徑規劃、數據采集、模（mó）型配（pèi）準、數據處理與誤差評定（dìng）等基本過程。國外整體（tǐ）葉盤檢測目前主要采用接觸式坐標測量技術，並逐步采用（yòng）非接觸式掃描測量技術。在整體葉盤接觸式測量中，通常采用兩（liǎng）種方案：

（1）采用配置精密轉台的高精度三（sān）坐標測量機實現四軸聯動，進行點（diǎn）接觸式測量。

（2）采用配置多軸測座及高精度接觸式掃描測頭進行測量。雷尼紹公司的五軸（zhóu）測座和無級變速測頭係統在坐標測量機上能（néng）實現高精度、超高速掃描測量（見圖5）。

整體葉盤非接觸測量技術主要采（cǎi）用光學掃描測頭，測量速度快、采（cǎi）樣頻率高，避免接觸式掃描引入的餘弦誤差。國外高端檢測設備廠家的光學三維測量係統能高效（xiào）高精（jīng）度地完成整體葉盤非接觸式檢測，提供完（wán）整的誤差分析和評價結果。目前，相比非接觸式測量技術，接觸式三坐標測量技術具（jù）有更高的可靠性和測量精度。

整體葉盤主要檢測和評定葉片上若幹等高截麵的加工情況，後續將向整體型麵（miàn）誤差評定以及加工誤差可視化方向（xiàng）發展。為分析加（jiā）工誤差及改進（jìn）加工質量，保證空氣動力學性能，專業測量軟（ruǎn）件將注重分析統計功能開發，將已有檢測數（shù）據錄入專用數據庫，方便查詢和（hé）分（fèn）析（xī）各檢測項目的誤差分布規律。

三、表麵強化技（jì）術

作為航空發動機壓氣機（jī）單元體中的轉動部件，整體葉盤在高（gāo）溫、高（gāo）壓和高轉（zhuǎn）速的工況下運轉，容易出現疲勞（láo）斷裂。大量疲勞（láo）破壞故障表明，多（duō）數疲勞斷裂始於（yú）零件表層，加工表麵質量成為影響整體葉盤疲勞強度的重要因素。采用抗疲勞表麵強化技術，提高加工表麵完整性，增強整體葉盤疲勞強（qiáng）度，對保證整機使用性能以及服役壽命（mìng）具有重要意（yì）義。

國外整體葉盤通常采用磨粒流加工、振（zhèn）動光飾、噴丸強化、激光噴丸等加工技術，提高葉片部位加工表麵（miàn）完整性。磨粒流加工與振動光飾通過（guò）減小加工（gōng）刀痕深（shēn）度及銳度，降低應力集中程度（dù），提高表麵粗糙度等級，來改善加工表（biǎo）層狀態。噴（pēn）丸強化、激光噴丸通過在加工表層產生塑形變形，引入殘餘壓（yā）應力，細化晶粒組織，提（tí）高位錯密度，抑製或延緩疲（pí）勞裂紋的萌生（shēng）及擴展，增強整（zhěng）體葉（yè）盤疲勞抗力。國外整體葉（yè）盤表麵強化技（jì）術主要在（zài）提高表麵強化能力、葉片強化加工變形控（kòng）製與（yǔ）補償等方麵開展研究。

四、結語

先進製造（zào）技術是航空（kōng）發動機研製的重要支（zhī）撐。作為航空發（fā）動機的重要轉動部件，整體葉盤加工始終追求（qiú）高質、高效、低成（chéng）本目標。在製造技術日新月異、航（háng）空產品不斷升級的大背（bèi）景下，整體葉盤加工技術將（jiāng）不斷提（tí）升。

來（lái）源：《世界製造技術與裝備市場（WMEM）》雜誌楊萬輝徐新發楊金發中國航發沈陽黎（lí）明航空發動機有限責任公司

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