提高压气机静子叶片疲劳性能工艺方法研究

蔺治强+金秀杰+梁巧云

摘 要：由于先进发动机性能水平的不断提高，压气机叶片的结构形式变得越来越复杂，其几何精度水平、综合质量水平要求越来越高，成型、加工和表面完整性的保证变得越来越困难，为提高压气机叶片疲劳寿命，在保证几何尺寸精度的条件下，开展提高压气机静子叶片疲劳性能工艺方法研究。

关键词：抗疲劳；机械光整；表面粗糙度；硬度

引言

抗疲劳制造技术是指在不改变零件材料和截面尺寸的前提下，通过在制造工艺过程中改变材料的组织及应力分布状态来提高零部件疲劳寿命的制造技术。压气机叶片尺寸精度和表面粗糙度直接影响发动机性能和可靠性。经计算和试验表明，因压气机叶片尺寸精度和表面粗糙度，特别是进排气边形状、尺寸精度的影响，压气机效率可降低约2%，排气温度升高约30度，为了保证发动机可靠性，提高叶片疲劳寿命，改善叶片敏感部位的加工工艺方法势在必行。

1 试验

1.1 工艺方案的确定

航空发动机压气机叶片型面经数控铣削后留有铣加工痕迹，表面粗糙度及表面纹理无法满足设计要求。采用传统的手工抛光方法由于受人为因素的影响，造成叶片型面几何精度下降，不能满足设计要求，也影响了发动机的整机性能。由于压气机叶片型面薄，进、排气边缘相当于“尖边”，采用普通滚磨光整加工工艺易造成叶片型面形状破坏，尤其是叶片进排气边缘出现“方头”的现象，也不能满足设计要求。为了解决上述问题，提出一种特定的主轴固定式滚磨光整加工工艺，通过光整去除复杂结构薄型叶片叶身型面的铣削刀纹，提高表面粗糙度等级，同时保持叶片的几何精度不变，尤其是要保持叶片进排边缘的形状不被破坏。

1.2 试验及分析

根据对叶片光整质量及疲劳性能影响因素的分析，通过磨料、磨液优选试验，证明选用RS系列磨料、HYF型钢磨液去除铣削刀纹的效果较好；通过对叶片摆放角度、磨料切削速度、磨料深度、保护销距离等工艺参数的对比试验，证明选取表1所列的工艺参数去除刀纹效果最佳；通过综合试验及改进，解决了光整加工效率低、光整加工中零件变形量大、叶片进、排气边缘粗整后留有轻微铣加工痕迹等关键技术。最终通过综合稳定性试验及测试，证明主轴固定式滚磨光整工艺稳定，且表面完整性优于原工艺方法，提高叶片的疲劳性能。

（1）表面形貌及表面缺陷测试。光整后表面状态用表面纹理仪检测（放大60倍），见图1所示。叶片光整前表面有明显的纵向刀纹，光整后消除了铣削刀纹，并形成了均匀的P型纹理（微观鱼鳞坑），对提高零件的耐磨性是非常有益的，同时提高了叶片的使用寿命。（2）表面应力状态测试对比。用LXRD-X射线应力分析仪，对滾磨光整后、原工艺手工抛光及振动光饰后三种状态进行检测对比，检测数据见表2及图2所示。（3）表面粗糙度值测试对比。用触针式粗糙度仪，对滚磨光整前后的粗糙度值进行了检测及对比，检测数据见表3及图3。（4）表面硬度测试对比。由于试验条件所限，本试验仅对叶片型面的表面硬度进行了检测，表4光整前后硬度对比。光整后叶片表面硬度值比光整前提高4.5%左右。（5）叶片进排气边缘圆滑转接即棱边质量测试。如图5所示，叶片经机械光整后完整地保留了数控铣后边缘的形状，叶片进排气边缘圆滑转接良好，保证叶片几何尺寸精度和形状满足设计要求。圆滑的棱边质量可以降低气流产生的噪音和振动，增加了叶片的抗疲劳性能。

2 试验分析与结果

上述试验分别针对表面完整性评价指标中的表面粗糙度、表面残余应力、表面形貌、表面缺陷、棱边质量、加工硬化（本零件检测了表面硬度）等六项指标进行了测试。通过表面粗糙度检测对比可知，叶片经滚磨光整后表面粗糙度提高1～2个等级；通过表面残余应力测试对比可知，叶片经滚磨光整后形成均匀的压应力；通过表面形貌及表面缺陷测试可知，光整后消除了铣削刀纹，并形成了均匀的P型纹理（微观鱼鳞坑），这种表面纹理对提高零件的耐磨性是非常有益的。通过对零件表面硬度检测可知，叶片光整后表面硬度略有提高；通过对叶片进排气边缘即棱边质量进行检测可知，滚磨光整完整地保留了数控铣后边缘的形状，叶片进排气边缘圆滑转接良好。

参考文献：

[1]金秀杰，梁巧云，蔺治强.整流叶片轴颈加工变形控制[J].科技创新与应用，2015（34）：113.endprint