航空发动机叶片加工变形因素分析及控制

李硕

摘 要：航空发动机是一个国家工业实力的重要体现，同时也是科学技术的结晶。做好航空发动机的加工制造对于提升一个国家的航空实力有着极为重要的意义。在航空发动机的制造过程中，叶片是航空发动机中极为重要的一环。航空发动机叶片对于加工精度和叶片的稳定性要求极高，由于航空发动机叶片的曲面较大且对于叶片的型面轮廓精度要求较高，从而使得航空发动机叶片的制造速度和表面加工质量很难达到设计要求。为做好航空发动机叶片的加工，应当在总结分析造成航空发动机叶片加工变形因素的基础上采取相应的控制方法，确保航空发动机叶片的加工效率和加工质量。

关键词：航空发动机；叶片；变形；控制措施

中图分类号：V225 文献标识码：A

航空发动机叶片是航空发动机的“心脏”，其对应加工的精度和质量有着极高的要求。航空发动机的加工量占据航空发动机加工量的约3成左右，长期以来我国由于受加工设备、工艺等多方因素的影响致使航空发动机叶片的加工长期受阻严重影响了我国航空发动机的制造质量和制造效率。通过相关研究表明，在航空发动机叶片的加工过程中在0.025mm的轮廓精度时如将航空发动机叶片的表面粗糙度降低将能够使得航空发动机的效率得到提升。总体来说，在航空发动机的制造过程中，需要采取合理的措施來提升航空发动机叶片的型面加工精度和加工质量，从而使得航空发动机的使用效率得到提升并降低航空发动机的油耗。

1.现阶段我国航空发动机叶片加工现状及叶片加工变形因素分析

新时期以来我国的航空事业进入了高速发展期，对于航空发动机的需求也在不断地增加。尤其是航空发动机所使用的基础材料的进步使得我国的航空发动机进入了一个新的阶段，航空发动机叶片所使用的材料逐渐地由钛合金、镍基高温合金逐渐向着金属基复合材料及陶瓷基复合材料等方面进行过渡。同时航空发动机叶片的扭角更大、厚度更薄从而对航空发动机叶片的轮廓加工精度和表面加工质量提出了更高的要求。现今在航空发动机叶片的加工制造中，由于五轴联动数控机床的大量应用及数控编程理论的不断深入，从而使得在航空发动机叶片的加工制造中对于高刚性复杂曲面自由度的航空发动机叶片已经能够达到较高的加工精度，而弱刚性叶片则是未来一段时间航空发动机叶片加工质量提升的发展方向。

在航空发动机叶片的加工制造中，航空发动机叶片型面的变形影响因素主要有以下几个方面：（1）航空发动机叶片在加工制造的过程中受到切削力的影响而导致的变形。在航空发动机叶片的加工制造中由于叶片属于典型的薄壁弱刚性零件，其在加工制造的过程中容易受到数控机床切削力的作用而使得叶片加工时产生“让刀”变形。此外，现今航空发动机叶片加工中所使用的高温不锈钢、高温钛合金等材料在切削加工性方面较大也会在机械加工过程中产生“让刀”变形问题。其中变形性较大的位置多发生在航空发动机叶片的叶尖和进排气边缘等刚性较差的位置。此外，航空发动机叶片本身所具有的复杂型面将会使得各部之间的刚度分布不均，从而使得航空发动机叶片在加工过程中受力变形未能呈现出较为明显的规律性，从而为控制航空发动机叶片加工中的变形带来了不小的困难。（2）在航空发动机叶片的加工过程中，由于航空发动机叶片的过定位支撑，或是装夹误差所导致的航空发动机叶片加工变形也是航空发动机叶片加工变形的重要因素之一。在航空发动机叶片的加工过程中为了增加叶片的刚性多采用的是在完全对叶片进行定位夹紧的情况下增加对于航空发动机叶片的辅助支撑从而间接地对航空发动机叶片的刚性进行提升。通过这一方式能够满足一般精度航空发动机叶片的加工需求，并在实际的航空发动机叶片加工中取得了较为良好的加工效果。但是在航空发动机叶片的加工中应用这一装夹方式必然会引入新的装夹误差，尤其是对于较高的航空发动机叶片加工精度要求时这一影响将变得尤为突出。（3）除了上述两项影响因素外，航空发动机叶片的加工制造过程中由于加工表面残余应力也是影响航空发动机叶片变形的重要因素。现今在航空发动机叶片的加工制造过程中，高温钛合金和镍基高温合金是航空发动机叶片涡轮叶片叶轮的主要材料，尽管上述两种材料有着很好的耐高温性，但是在实际的加工中上述两种材料在热处理后将会导致其切削加工的性能极差，从而使得航空发动机叶片机械加工中叶片的型面和加工质量较差，并影响航空发动机叶片表面的硬度和残余应力，这些残余应力在航空发动机叶片加工后将会导致航空发动机叶片出现较大的残余应力变形，从而影响航空发动机叶片的型面加工精度和质量。

2.控制航空发动机叶片加工变形的方法

在航空发动机叶片的加工过程中为较好的控制航空发动机叶片在加工中的变形可以通过采用改变装夹方式、工艺以及优化航空发动机叶片的数控加工参数或是估计变形误差并进行补偿等的方式来提高航空发动机叶片的加工质量。

2.1提升航空发动机叶片加工时的装夹方式控制航空发动机叶片的加工变形量

为降低航空发动机叶片加工受力所引起的切削变形最直接的方法是通过对航空发动机叶片进行过定位装夹或是辅助支撑的方式来提升航空发动机叶片的刚性，从而减小航空发动机叶片加工时所产生的受力变形。这一方式也是现今航空发动机叶片加工中应用最为广泛的航空发动机叶片变形控制方式。通过研究表明在航空发动机叶片的加工装夹中采用双端过定位辅助装夹能够使得航空发动机叶片的抵抗受力变形能力得到大幅的提升。此外还可以采用在叶尖工艺台辅助支撑，轴向不向叶片施加作用力的装夹方式。此外，国内外都对改进装夹方式来减少航空发动机叶片的装夹变形。总体来说，尽“让刀”变形，但是在这一过程中会使得航空发动机叶片产生一定程度的过定位装夹变形。此外，采用辅助装夹的方式无法对叶片残余应力变形进行控制。因此，此种方法多应用于残余应力变形较小的航空发动机叶片的加工。

2.2改进工艺优化加工参数控制航空发动机叶片的加工变形

在航空发动机叶片的加工中叶片加工“让刀”变形的最主要原因是由于叶片的刚性较差，在优化加工参数的方式下，传统的加工方式采用的是逐层去除叶片余量的加工方式，国内提出了一种叶片型面非均匀余量刚度补偿方法用以对航空发动机叶片的加工精度进行控制。此外，在航空发动机叶片的加工过程中还可以通过利用对称加工工艺和自适应夹具的加工方式来对航空发动机叶片加工时的残余应力变形加以控制。一般来说，在航空发动机叶片的加工中所采用的单面铣削加工工艺会使得航空发动机叶片的加工表面处于非平衡状态，从而使得航空发动机叶片在加工时极易产生弯扭变形，而通过采用对称加工的方式将能够有效地对单面加工所引起的加工变形进行规避，减小航空发动机叶片在加工时所产生的弯曲变形量，提高航空发动机叶片的加工精度。除了上述加工方式外，通过对航空发动机叶片加工工艺参数进行优化也能够提高航空发动机叶片的型面加工质量，减少航空发动机叶片加工中因变形对航空发动机叶片加工精度所造成的影响。此外， 在航空发动机叶片的加工过程中还可以通过对航空发动机叶片的加工变形量进行预测，通过补偿的方式来提高航空发动机叶片的加工精度。

结语

航空发动机叶片的加工进度对于航空发动机的使用效率和使用寿命有着极为重要的影响。本文在分析影响航空发动机叶片型面加工精度因素的基础上对如何采取合理的措施来提高航空发动机叶片的加工质量进行了介绍。

参考文献

[1]李勋，于建华，赵鹏.航空发动机叶片加工变形控制技术研究现状[J].航空制造技术，2016，516 （21）：41-49.

[2]刘维伟，张定华.航空发动机薄壁叶片精密数控加工技术研究[J].机械科学与技术，2004，23（3）：329-331 .endprint