航空发动机整体叶盘加工工艺探析

摘要：航空发动机制造是一个国家高端制造业的集中体现，当前我国航空产业高速发展对于航空发动机的需求大幅增加，积极研发与应用航空发动机机械加工新技术，在保障航空发动机机械加工质量的同时有效地提高航空发动机机械加工效率对于保障航空发动机的供应有着极为重要的意义。叶盘是航空发动机中的重要组件，整体叶盘机械加工能够有效地避免榫头、榫槽间的微动磨损、微观裂纹等缺陷，对于提高航空发动机的使用性能和使用寿命有着极为重要的意义。本文在分析航空发动机整体叶盘机械加工特点的基础上对航空发动机整体叶盘常用的加工技术进行分析阐述。

关键词：航空发动机；整体叶盘；机械加工

0前言

整体叶盘应用于航空发动机中能够有效地提高航空发动机的使用性能和使用的可靠性。但是相对的航空发动机整体叶盘机械加工也面临着较大的困难和挑战，航空发动机整体叶盘结构复杂，尤其是航空发动机整体叶盘的叶片型面为自由曲面，叶片厚度薄带来的是航空发动机整体叶盘叶片的整体刚性较差，航空发动机整体叶盘叶片容易在机械加工中产生变形进而影响航空发动机整体叶盘的机械加工质量。此外，受航空发动机整体叶盘结构限制在机械加工中发生干涉现象较为严重，相较于普通的盘片分离结构航空发动机整体叶盘机械加工所面临的困难更大，应当积极做好航空发动机整体叶盘加工技术的研究与应用，提高航空发动机整体叶盘的加工质量与加工效率。

1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。

2航空发动机整体叶盘通道加工工艺

航空发动机整体叶盘通道加工可以采用多种加工工艺与加工方法，不同的加工方法有其应用的特点与缺陷，本文将就航空发动机整体叶盘通道加工中所能够采用的加工工艺方法等进行介绍。

（1）机械铣削加工

机械铣削加工是航空发动机整体叶盘通道加工所采用的最普遍也是最主要的加工技术，在对航空发动机整体叶盘通道进行机械铣削加工中可以分为侧铣、插铣和摆线铣等铣削方式。侧铣是普遍采用的铣削方法，侧铣中采用分层铣削的方式，侧铣加工中铣刀侧刃与材料相接处，铣刀将主要承受来自于侧刃的径向切削力，随着铣削深度的增加刀具所承受径向力的加大铣刀将在径向力的作用下发生变形、震颤，这一问题的产生不仅仅会影响刀具的使用寿命，同时也会对航空发动机整体叶盘通道的铣削质量产生较为严重的影响。插铣是一种应用于航空发动机整体叶盘通道粗加工的高效粗加工方式，现今正越来越多地应用于大余量复杂结构件的粗加工中并取得了较为良好的粗加工效果。插铣是Z轴铣削法的另一种叫法。在航空发动机整体叶盘通道粗加工中应用插铣时，铣刀将主要在Z轴方向进行进给利用铣刀底刃在工件表面进行钻铣的组合切削，插铣加工方法在航空发动机整体叶盘通道粗加工中应用时主要采用的是直纹面逼近自由曲面，通过这一方式铣刀所受到的切削力相对较为稳定刀具受到的变形较小可以保持较为稳定的切削。不论是采用小幅进给还是在增大侧向步距的情况下插铣都能够保持较为稳定的切削，尤其是在插铣的过程中铣刀于零部件的接触面较小进而使得切削表面温度较低，对于航空发动机整体叶盘通道所使用的钛合金、高温合金等材料的金属部件插铣加工方式所取得的效果更好且切削效率更高。摆线铣指的是铣削加工时铣刀在高速自转的同时将沿着由圆弧和直线所组成的摆线运动轨迹进行进刀。摆线铣在航空发动机整体叶盘通道机械加工中应用时可以使得铣刀与工件的接触角减小，在使得铣刀的切削效率进一步提高的同时对于刀具的磨损量大幅减少。

（2）电火花加工

电火花加工相对于机械铣削加工能够获得更好的复杂曲面加工效果，但是相对于铣削加工电火花加工的加工效率较低，尤其是在加工的过程中，由于电极损耗会使得电火花加工的精度降低，在加工中需要经常更换加工电极，从而进一步提高了航空发动机整体叶盘通道的加工成本。此外，电火花加工会在航空发动机整体叶盘通道表面形成再铸层影响航空发动机整体叶盘通道加工后的疲劳寿命。受制于上述影响因素电火花加工技术在航空发动机整体叶盘通道加工中应用极少。

（3）电化学加工

电化学加工主要利用的是金属在电解液中阳极溶解的特性，在应用电化学加工技术时，阴极部分并不会产生损耗，且加工中工件不会受到切削力、加工热等的影响，降低了航空发动机整体叶盘通道加工后的残余应力。因此，电化学加工法是一种优秀的航空发动机整体叶盘通道加工方法，在电化学加工中主要有电解套料、仿形电解加工以及数控电解加工等几种加工技术。上述几种技术各有特点，其中数控电解加工技术综合了数控加工和电解加工技术的特点，利用数控控制能够实现航空发动机整体叶盘通道复杂曲面的加工，是航空发动机整体叶盘通道加工重要的发展方向之一，但是现今在电化学加工技术应用中最大的不足是电化学加工技术的加工精度仍然较低，限制了其在航空发动机整体叶盘通道加工中的应用。

3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。

4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。

5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。在完成了对于航空发动机整体叶盘的机械加工后，需要对加工后的航空发动机整体叶盘进行光饰处理，用以消除航空发动机整体叶盘机械加工刀痕或是走刀痕迹的反光现象，提高航空发动机整体叶盘加工后的表面光洁度。

结语

航空发动机整体叶盘是航空发动机中的重要组成部件，做好航空发动机整体叶盘的机械加工对于提升航空发动机的推重比与燃油效率有着极为重要的意义。尤其是当前对于航空发动机的需求量大幅增加需要积极做好航空发动机整体叶盘通道加工技术的研究与应用。航空发动机整体叶盘通道加工难度大、复杂度较高。本文在分析航空发动机整体叶盘通道加工特点的基础上对航空发动机整体叶盘通道常用的加工方法进行了对比分析。

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.

[3]闫雪，韩秀峰.商用航空发动机整体叶盘通道加工方法分析[J].航空制造技术，2015，481（12）：66-69.

作者:齐跃举 苏宝华 郑玉成 单位:中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司