航空发动机叶片加工变形控制方法

李杨　李翊萌

摘  要：航空发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平，进行叶片加工方法研究有助于提高该类零件的加工精度和效率。随着数控技术的发展，目前较大数量的叶片采用数控铣削工艺进行加工，但铣削加工过程中易引起叶片的加工应力变形，影响加工精度。文章分析了叶片加工过程中产生变形的主要原因，并提出了叶片装夹方法优化、加工参数优化、叶片加工变形补偿以及调整加工方法等方法进行改进。

关键词：航空发动机;叶片;变形控制

中图分类号：V263         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0106-02

Abstract： The performance of aero-engine largely depends on the design and manufacturing level of blade profile. The research on blade machining method is helpful to improve the machining accuracy and efficiency of this kind of parts. With the development of numerical control technology， a large number of blades are machined by CNC milling technology， but the machining stress and deformation of blades are easy to be caused in the milling process， which affects the machining accuracy. This paper analyzes the main causes of the deformation in the blade machining process， and puts forward some improvement methods， such as the optimization of blade clamping method， the optimization of machining parameters， the compensation of blade machining deformation and the adjustment of machining method.

Keywords： aero-engine; blade; deformation control

1 概述

航空发动机是航空制造业的核心技术，航空发动机设计复杂、加工精度和可靠性要求高，是现代工业加工制造领域中的一道难题。攻克航空发动机加工制造中的各道难题将有助于提升我国航空发动机的制造水平，提升航空发动机的性能。航空发动机叶片属于具有复杂曲面的弱刚性零件，机械加工难度大，加工复杂，技术难度大。本文在分析影响航空发动机叶片加工质量影响因素的基础上对如何做好航空发动机叶片的机械加工进行了分析介绍。

2 叶片加工变形影响因素分析

作为航空发动机中的重要组成部分，全部叶片的加工量约占航空发动机全部机械加工量的60%，现代航空发动机叶片型面越来越复杂，呈叶身扭曲弯度趋大，叶弦趋宽，叶身趋薄，前掠加大等特点，因此叶片复杂曲面加工困难，加工精度不易保证。本文从影响叶片机械加工的主要几个影响因素分析，力求找到控制叶片加工变形的技术方法，从而减小叶片变形，提高机械加工精度。

2.1 叶片受切削力作用

航空发动机叶片主要采用的钛合金、镍基高温合金，是典型薄壁的弱刚性零件，其叶片扭角大，型面精度要求高，加之为确保航空发动机的性能某些航空发动机叶片需要做的很薄，某些型号的航空发动机叶片最薄处仅为0.8mm，尤其是对于进排气边缘的叶片部分加工质量要求更高、尺寸也更小，上述种种特性都为航空发动机叶片的加工带来了极大的难度。叶片的材质和尺寸特性决定了其所能承受的机械加工外力是有限的，一旦在铣削加工中其所受切削力作用过大，将会导致叶片产生弹性形变，就是我们常说的“让刀”现象，从而导致航空发动机叶片的理论加工精度和实际加工精度之间产生一定的偏差，进而影响叶片的加工精度。

此外，叶片所使用的材质其抗塑性变形能力强，加之其还具有较强的耐磨、耐高温特性，从而导致叶片的机械切削加工性能较差，较强的耐磨性将加大叶片切削加工中刀具的磨损速度，从而导致了刀具在使用一段时间后磨损严重，需要在加工中进行多次刀具参数的校准，如若不校准将产生“让刀”变形误差，这一问题在叶片的叶尖和进排气边缘等刚性较差的部位加工时表现的尤为明显，其在机械加工后的弹性变形极为严重，进而使得叶片的加工质量受到极大的影响。

2.2 定位和裝夹误差

叶片的装夹也是影响叶片制造精度的重要因素之一。良好的叶片装夹方法会提供良好的定位精度和稳定性。但是实际加工过程中，叶片的装夹将会在叶片上额外增加了机械作用力，过大的机械外作用力作用于叶片上容易导致叶片因夹持力过大导致零件变形，影响叶片的加工精度。

2.3 加工表面残余应力

叶片机械加工过程中刀具将会在叶片上产生一定的作用力，这些作用力将以应力的形式储存其中。在叶片加工完成之后，原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破，叶片在应力的作用下将会达到新的“平衡”，而残余应力的作用将会导致叶片发生一定的变形，残余应力过大将会导致较大的变形且这些变形量是不可控的。总体来说，在叶片切削加工的过程所产生的残余应力主要为机械应力和热应力，且机械应力和热应力是随着机械加工而不断累积的，为避免残余应力对航空发动机叶片的加工造成影响需要采取针对性的措施积极解决好应力“堆积”问题。切削中表面层金属受热膨胀产生的塑性变形受里层低温金属阻碍而产生应力，在切削后的冷却过程中，表层金属体积收缩受里层金属阻碍而产生残余拉应力。

3 加工变形控制技术

为改善叶片的机械加工特性，需要在分析上述影响因素的基础上采取针对性的举措控制叶片机械加工中的变形量，提高叶片的机械加工质量。针对上述叶片变形的三个影响因素，下文将主要从叶片的装夹方式、机械加工工艺及加工参数优化、叶片加工补偿和超硬磨料砂轮高速磨削等几个方面对航空发动机叶片变形控制方法展开研究。

3.1 装夹方式优化

为提高叶片的刚性，通过对叶片加工变形量进行模拟，找出叶片加工中的最大应力部分变形区段，通过对相关区段进行定位装夹或辅助支撑，间接提高叶片的刚性，在减小航空发动机叶片在装夹力作用下所产生变形的同时增强叶片的抗变形能力，从而达到减小叶片受力变形提高精度的效果。另一方面采用低熔点材料，将融化的低熔点合金浇灌在叶片型面的四周，对其进行辅助支撑。航空发动机叶片加工的几何精度和型面精度要求越来越高，通过应用5轴加工中心将有助于提高航空发动机叶片的加工精度，通过5轴加工中心实现一体化成型，减少多次装夹所带来的误差。

3.2 工艺及加工参数优化

在切削加工中，提高刀具的转速和进给速度能够有效的提高叶片加工表面的光洁度和表面质量。铣削加工时由于切屑在较短时间内被切除，绝大部分切削热被切屑带走，减少了工件的热变形;其次，在加工中，由于切削层材料软化部分的减少，也可减少零件加工的变形，有利于保证零件的尺寸、形状精度。

另外，切削液的使用将能够有效减少切削过程中的摩擦和降低切削温度，减少叶片内部的热应力。合理使用切削液对提高刀具的耐用度和加工表面质量、加工精度具有重要作用。在切削液选用的过程中需要综合考虑切削液的特性、叶片的材质以及加工中热量和切屑的多少，从而合理确定切削液的流量。因此，在加工中为防止零件变形必须合理使用充分的切削液。

利用加工余量分配调整加工工艺，增强叶片加工刚性，通过工艺手段使刚性增强也是控制叶片加工变形的有效手段之一。

3.3 叶片加工变形预测与补偿

叶片的变形预测前提是需要对航空发动机叶片机械加工过程中叶片的受力建立模型，并计算叶片在机械加工过程中的弹性变形量，通过将其与机械加工过程中刀具的运动轨迹进行对比，模型与刀具轨迹之间的差量就是有准确的锻件预测变形模型，并在模拟计算的基础上，根据叶片的具体结构给出反变形量，通过直接将这些差量补偿进叶片的毛坯件中，可有效地解决叶片等复杂曲面锻件加工余量不足，不均匀的问题。

航空发动机叶片误差补偿加工也是一种基于反变形的思想，针对叶片在数控加工过程中出现的变形问题，通过对叶片切削力建模和叶片表层残余应力分布规律，结合刀具的运动轨迹与叶片表层残余应力的分布规律来制定叶片机械加工中的误差补偿方案，叶片补偿加工是作用于机械加工工艺参数的加工方式，同时也是目前应用较为广泛的叶片综合变形控制方式。

叶片加工中的多次误差补偿通过在单次补偿试切的基础上，综合考虑前次补偿引起的再生变形，对叶片的变形补偿量模型进行多次反复修正迭代，通过这一个过程，不断的缩小叶片加工误差，直到叶片加工精度满足相关精度要求。通过在叶片机械加工中进行多次误差补偿加工，不仅能够大大地提高加工精度，改善曲面加工质量，减少叶片的加工废品率，还能够在一定程度上提升叶片的加工效率。总体来说叶片补偿加工能够达到补偿叶片加工变形的目的。

3.4 采用超硬磨料砂轮高速磨削加工

现在航空发动机普遍采用钛合金和镍基高温合金，其材质具有较强的耐高温、耐磨削的性能。现代超硬磨削技术所采用的磨料砂轮能够有效的作用于叶片表面，通过磨削的方式完成叶片的加工。高速磨削加工方式具有磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，磨削力小，磨削温度低等的特点，磨削应力小、温度低能够有效减少作用于叶片机械应力和热应力，减少叶片的形变。同时磨削加工内应力小，无烧伤、裂纹等缺陷，能够有效的提升叶片表面的加工质量，是一种能够很好地适应发动机高性能叶片精密加工的需要的加工技术。

超高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工，而且对钛合金、镍基耐热合金等难磨材料也有良好的磨削表现。改善工件表面硬化程度和减小表面粗糙度值，改善表面完整性，因此超高速磨削顯示出极大的先进性和优越性，需要加强对于超高速磨削技术的研究与应用，从而使得其在叶片加工领域中发挥出更大的作用。

4 结束语

航空发动机叶片是航空发动机制造中的重点也是难点，本文通过分析航空发动机叶片加工变形的影响因素，在现有加工工艺基础上影响航空发动机叶片加工精度的影响因素进行了分析，针对叶片的结构特点，结合国际先进制造技术，提出改善措施及改进方法，有助于提高航空发动机叶片的加工精度。同时通过总结叶片数控加工的工程经验，从而为我国航空发动机行业发展贡献力量。

参考文献：

[1]郭文友.航空发动机叶片机械加工工艺[M].北京：国防工业出版社，1994.

[2]李成武.高温合金材料高精度薄壁盘环类零件加工变形控制研究[J].航空制造技术，2018，61（8）：88-92.