航空发动机叶片加工变形因素分析及控制

航空发动机叶片加工变形因素分析及控制

朱丽

中国航发燃气轮机有限公司 辽宁省沈阳市 110167

摘要：为做好航空发动机叶片的加工，本文先概述了航空发动机，然后对航空发动机叶片加工变形因素进行了分析，最后提出了其相应的控制方法，以供相关的工作人员参考借鉴。

关键词：航空发动机；叶片加工；变形因素；控制

1航空发动机

航空发动机（aero-engine）是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力，人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分。经过百余年的发展，航空发动机已经发展成为可靠性极高的成熟产品，正在使用的航空发动机包括涡轮喷气/涡轮风扇发动机、涡轮轴/涡轮螺旋桨发动机、冲压式发动机和活塞式发动机等多种类型，不仅作为各种用途的军民用飞机、无人机和巡航导弹动力，而且利用航空发动机衍生发展的燃气轮机还被广泛用于地面发电、船用动力、移动电站、天然气和石油管线泵站等领域。进入21世纪，航空发动机正在进一步加速发展，将为人类航空领域带来新的重大变革。传统的航空发动机正在向齿轮传动发动机、变循环发动机、多电发动机、间冷回热发动机和开式转子发动机发展，非传统的脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机、涡轮基组合发动机，以及太阳能动力和燃料电池动力等也在不断成熟，这些发动机的发展将使未来的航空器更快、更高、更远、更经济、更可靠，并能够满足更加严格的环保要求，并将使高超声速航空器、跨大气层飞行器和可重复使用的天地往返运输成为现实。

2航空发动机叶片加工变形因素

2.1切削力导致的“让刀”变形

刀具与加工零件两者会在运动过程中产生切削力，故而加工零件形体改变的概率也会相应增加，航空发动机叶片加工也亦如此，构件变形问题难以完全规避。并且目前叶片加工时采用薄壁的弱刚性材结构，在切削力作用下，该种材料出现“让刀”变形的风险会相应增加。因为航空发动机叶片造型复杂，加工难度较大，这也造成在加工期间，不同位置承受的“让刀”变形量大小有别，多数情况下叶片叶尖与进排气边位置的变形量较大，而其他部位的变形程度相对轻微，这是造成航空发动机叶片加工过程中易出现不匀称性变形的主要原因，这种不均称性变形最终会降低产品加工的精确度。

2.2装夹导致的变形

发动机叶片加工的首要步骤就是固定装夹，在这一过程中会使叶片形体发生不同程度的改变。从某种程度上分析，装夹变形为叶片加工期间不能彻底规避的一种变形因素，在加工普通零件时，其形成的影响偏小，但对于航空发动机叶片这一特殊零件而言，其形成的影响是不可忽视的。为提升叶片的刚性，通常会在确保叶片100%被定位夹紧的状态下，增加对叶片的辅助支撑力，进而间接性的增强其刚度，保证产品刚度、强度指标符合航空事业发展需求。以上操作仅能满足航空发动机叶片最基本的加工精度要求，取得的加工效果也是可观的。但是将以上装夹固定方法导入生产制造实践中，势必会诱导新的装夹误差，特别是那些对精度提出严格要求的叶片，装夹误差形成的影响是显而易见的，这是加工实践中应着重控制的因素之一。

3控制航空发动机叶片加工变形的方法

3.1优化工艺及加工参数控制叶片变形

3.1.1采用加工余量配置调整产品加工工艺，有益于提升叶片加工的刚性

以工艺手段为支撑，提高叶片刚性是规避形变的有效方法之一。以往采用的加工方法是逐层去除叶片余量，最近几年国内有学者提出提高加工余量补偿的形式对控制变形问题，并以叶片原始截面线为基础，打造出精加工型工艺模型，这样可以保证精加工整体余量恒定状况下，提升叶片产品的加工刚度水平，减少弯曲和扭转变形量。

3.1.2针对叶片残余应力变形，采用对称加工工艺与自适应夹具予以控制

面铣削加工是叶片的常规加工工艺，即对叶盆或叶背部位先行加工，继而对另一侧面进行加工。在这种工艺条件下，叶盆、叶背型面的加工表面残余应力两者并没有形成“平衡杠杆”，对叶片型面弯扭变形情况的发生有显著的促进作用。建议在叶片加工中采用双臂回转机构给叶片两端的圆柱榫头供应六个运动自由度，其作用是保证加工期间形成，实现叶片在加工过程残余应力变形情况后释放的时效性，还能在短时间内再次夹紧叶片，以此方式确保叶片加工期间始终维持内部无应力作用的装夹状态，即便是在加剧与辅助装备移除后也能确保叶片产品加工精度和装夹时无显著差异，这是实现对叶片残余应力变形问题控制的有效方法之一。

3.1.3优化工艺参数去减少叶片的形变

过定位装夹和辅助支撑法难以实现对叶片加工过程中结构变形问题的绝对控制，为弥补如上不足，并更有效提升叶片外部轮廓加工精度，有研究人员对其它变形控制辅助及加工工艺流程、参数优化作出较深度分析。在它类加工条件和辅助工艺不变的工况下，优化加工参数是它类变形控制办法实施的基础，若能从多个维度去优化片加工参数及工艺条件，就能从根本上保证叶片加工的精确度，并为后期加工变形问题有效规避创造优势条件。在大量试验中，需要摸索刀具走刀轨迹、切削参数等对叶片加工变形的影响规律，进而设定最优良的叶片加工对应的工艺条件与参数，其有益于进一步提升叶片产品加工的精确度。

3.2利用装夹形式控制叶片变形

由切削引起的“让刀”变形情况难以完全规避，为了将其对产品加工质量形成的影响降至最低水平，最简洁、直接方法就是对叶片实施定位装夹或辅助支撑，其能间接提升叶片的刚性指标，进而实现降低叶片受力变形情况发生的风险。当下，在很多加工企业生产中，多采用以上两种形式保证受力变形控制的有效性。通过深度分析在悬臂装夹与双端装夹两种不同状态下叶片的变形与对应的分布规律，结果发现采用双端过定位辅助装夹能更有效的增强叶片抗受力变形的能力，能够使高温合金叶片的铣削加工变形量<0.05mm。在长期的实践中指出，可以采用叶片根部装夹，叶尖位置进行顶尖支撑，并在数个支撑螺杆的协助下实现对叶身型面的有效支撑，这是明显提升叶片铣削加工刚度的方法，实现对叶片“让刀”变形问题的有效规避。为有效减少与规避由过定位装夹或辅助支撑装备诱导的加工偏差而降低产品的精确度，有研究人员建议采用低熔点合金对叶片行全面包裹支撑的方法，实质上就是将融化的低熔点合金浇灌于叶片型面周边，发挥辅助支撑的作用。低熔点合金的优势在于融化温度低，可有效规避在受力因素作用下叶片发生变形，有益于提升加工的精确度。但低熔点合金易污染叶片表面，后续清洗阶段流程复杂，且易对生态环境形成较明显的污染，故而该种辅助支撑方法不易推广。整体分析，采用夹具及辅助支撑法在控制叶片“让刀”变形问题方面体现出较好效能，但叶片过定位装夹变形的情况难以完全规避，在具体实践中，应结合叶片加工精度的要求去设定夹具及辅助支撑对应的精确度。定位装夹与支撑在控制残余应力变形方面表现出力不从心，但其可以被用在残余应力变形较小的叶片产品加工领域中。

4结束语

必须严格控制航空发动机叶片在生产过程中的变形，找出导致航空发动机叶片变形的因素，并采取对应的解决措施，不断优化叶片的加工方式，提升叶片的精确度，从而有效的提升航空发动机的工作效率以及使用寿命。

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，2016，0(21):41-49.

[2]谢学远.航空发动机叶片制造变形原因分析与加工应对方法研究[J].新型工业化，2020，10(6):59-61.