摘要：國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制應(yīng)用了大量高端裝備及制造技術(shù)。本文以國(guó)外整體葉盤發(fā)展為切入點(diǎn)，介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)部分先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向。

       整體葉盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在離心力、氣動(dòng)力等多變載荷下工作。為提升氣動(dòng)性能以及保證服役周期，國(guó)外整體葉盤帶有彎掠特征的復(fù)雜葉片構(gòu)型，采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，形位精度及尺寸公差嚴(yán)，加工表面完整性要求高，材料去除量大。國(guó)外整體葉盤加工采用了高精度、高效率、高可靠性的先進(jìn)制造技術(shù)。

       一、數(shù)控加工技術(shù)

       國(guó)外航空領(lǐng)域不斷采用高端裝備和高新技術(shù)來解決整體葉盤復(fù)雜葉型高效能加工難題，采用了從加工工藝到工藝裝備的整體解決方案。新材料、新工藝不斷推動(dòng)著整體葉盤制造技術(shù)的進(jìn)步。

       1.銑削與自動(dòng)拋光技術(shù)

       高精度尺寸及形位公差要求，大扭轉(zhuǎn)、長(zhǎng)薄壁的空間曲面葉片構(gòu)型，鈦合金、高溫合金等難切削的工件材料，要求整體葉盤葉型銑削技術(shù)具有高效、精密、安全、低成本等特點(diǎn)。通用五坐標(biāo)加工中心已不能完全滿足整體葉盤質(zhì)量、效率與成本方面的綜合需求。由于整體葉盤在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用，促使整體葉盤新型專用數(shù)控機(jī)床、刀具系統(tǒng)、工藝裝備與相應(yīng)編程軟件、加工工藝的綜合進(jìn)步。

       整體葉盤葉型加工工藝應(yīng)以提升銑削精度和加工表面質(zhì)量為要點(diǎn)，保證葉片幾何精度與物理性能。整體葉盤葉片薄長(zhǎng)，氣流通道空間狹窄，葉型截面曲率在前后緣區(qū)域變化劇烈。葉型銑削加工方案注重增強(qiáng)葉片實(shí)時(shí)加工剛性，減小葉片加工變形，控制刀軸矢量變化，維持切削力基本平穩(wěn)。國(guó)外整體葉盤加工主要采用型腔填充減振材料以及粗精混合加工方案，采用高性能、長(zhǎng)耐用度刀具刀柄系統(tǒng)（見圖1），有效增強(qiáng)銑削過程中的葉片剛性，對(duì)保證前后緣形狀與葉片輪廓度起到重要作用。

圖1  高精度長(zhǎng)耐用度刀具

       國(guó)外加工整體葉盤的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心向高速度、高精度、智能化方向發(fā)展，具有如下特點(diǎn)：

       （1）高動(dòng)態(tài)性能。部分線性軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，線性軸加速度可達(dá)0.8g以上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，提高轉(zhuǎn)動(dòng)軸加速性能和重復(fù)定位精度，保證多軸聯(lián)動(dòng)精度，提升加工表面質(zhì)量。

       （2）高主軸轉(zhuǎn)速。加工中心配備高速銑電主軸（見圖2），可以在低轉(zhuǎn)速時(shí)以高扭矩、大切深的方式進(jìn)行粗加工，在高轉(zhuǎn)速時(shí)以大進(jìn)給、小切深的方式進(jìn)行精加工。高速銑電主軸采用油氣潤(rùn)滑及油霧潤(rùn)滑等潤(rùn)滑方式。

圖2  高速主軸

       （3）智能監(jiān)測(cè)功能強(qiáng)。加工中心具有在線測(cè)量分析、切削振動(dòng)監(jiān)測(cè)、刀具壽命監(jiān)控、主軸斷電回退、主軸溫度補(bǔ)償、碰撞監(jiān)控急停、故障自診斷與智能報(bào)警等功能，有效提高整體葉盤加工可靠性與安全性。

       （4）驅(qū)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化與機(jī)床誤差修正準(zhǔn)確快捷。深度開發(fā)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，方便進(jìn)行人機(jī)交互，結(jié)合葉盤加工特點(diǎn)，可進(jìn)行RTCP精度檢測(cè)、坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)特性分析與伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)調(diào)整。不同葉盤零件重量差異較大；同一葉盤從葉片毛坯狀態(tài)加工至葉片最終成型狀態(tài)，重量不斷變化。可對(duì)承載零件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，使各軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，降低機(jī)床路徑跟隨誤差。整體葉盤葉型銑削對(duì)環(huán)境溫度恒定性要求高，在加工中心長(zhǎng)時(shí)間加工運(yùn)轉(zhuǎn)以及環(huán)境溫度變化較大時(shí)，可采用球桿儀等工具準(zhǔn)確分析和補(bǔ)償機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)誤差，保證對(duì)刀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，提高葉身及流道加工精度。

       加工環(huán)境溫度變化、機(jī)床冷熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變、不同規(guī)格刀具加工，這些因素使葉片部位難以避免地產(chǎn)生接刀痕、局部銑削缺陷。此外，整體葉盤加工表面質(zhì)量要求較高，在前后緣一定距離內(nèi)不允許出現(xiàn)橫向加工痕跡；葉身型面表面粗糙度等級(jí)高，葉身型面、流道面與葉根圓角需要光順圓滑轉(zhuǎn)接。在整體葉盤葉型銑削后，通過柔性機(jī)器人或多軸聯(lián)動(dòng)磨拋機(jī)床，采用砂帶、砂輪、拋光輪等磨具對(duì)整體葉盤葉片及流道進(jìn)行自動(dòng)化拋光。

       國(guó)外整體葉盤全型面、多要素自動(dòng)化數(shù)控磨拋技術(shù)，處于不斷發(fā)展和完善之中。自動(dòng)化拋光設(shè)備在磨拋介質(zhì)選型、磨拋參數(shù)選擇、加工精度控制、運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃等方面有待進(jìn)一步研究。對(duì)于大扭轉(zhuǎn)、長(zhǎng)懸伸、窄間距的整體葉盤，葉片前后緣、葉根圓角與流道面一直是自動(dòng)化拋光的難點(diǎn)，在葉盆、葉背等開敞性好、曲率變化小的區(qū)域可基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化拋光。現(xiàn)階段主要通過優(yōu)化銑削策略，控制表面粗糙度與接刀痕大小，再采用自動(dòng)化拋光設(shè)備去除接刀痕跡或局部銑削缺陷，降低表面粗糙度值，保證葉片型面尺寸，防止過拋、欠拋，尤其避免前后緣出現(xiàn)削邊、平頭、尖邊等問題。整體葉盤自動(dòng)化拋光技術(shù)將向柔性隨形加工、自適應(yīng)局部拋修、磨拋與檢測(cè)一體化方向發(fā)展。

       2.程序分析與優(yōu)化技術(shù)

       整體葉盤銑削加工屬于強(qiáng)時(shí)變工況。在加工曲面光順性差、切削力非線性劇烈變化、加工參數(shù)匹配性欠佳等條件下，葉身型面容易出現(xiàn)振紋、凹坑等問題，銑削過程容易存在主軸功率過大、刀具異常振動(dòng)等現(xiàn)象。在葉盤正式加工前，需要反復(fù)迭代試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，調(diào)試難度大。整體葉盤加工可利用專業(yè)軟件與儀器來優(yōu)化數(shù)控銑削程序，縮短加工周期，提高加工表面質(zhì)量。

       基于均衡切削力、均衡主軸功率的原則，整體葉盤葉型銑削程序可通過Production Module切削工藝分析軟件、OMATIVE自適應(yīng)控制系統(tǒng)等工具進(jìn)行優(yōu)化（見圖3）。通過綜合分析機(jī)床、刀具、工件與程序，優(yōu)化整體葉盤葉型銑削程序中的切削參數(shù)數(shù)據(jù)，降低切削力峰值，平衡主軸負(fù)載，提高加工效率，延長(zhǎng)刀具壽命，保證加工過程平穩(wěn)，使數(shù)控機(jī)床工作在最佳的加工狀態(tài)。在整體葉盤葉型精銑時(shí)應(yīng)適當(dāng)避免進(jìn)給速度的頻繁變化，保持加工表面質(zhì)量的一致性。

圖3  OMATIVE加工優(yōu)化策略

       整體葉盤葉型高速銑削加工時(shí)，機(jī)床幾何軸運(yùn)動(dòng)速度及方向不斷改變，刀軸矢量快速變化，引起葉片加工表面出現(xiàn)條狀紋理、顫紋等問題。國(guó)外部分葉盤加工專用軟件可對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試記錄，識(shí)別各運(yùn)動(dòng)軸換向點(diǎn)，計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸速度、加速度以及加加速度，分析葉型銑削加工是否超出機(jī)床運(yùn)動(dòng)性能極限，進(jìn)而優(yōu)化葉型銑削程序。按整體葉盤加工狀態(tài)，在機(jī)床主軸上裝載特定刀具并空運(yùn)行銑削程序，CUTPRO切削動(dòng)力學(xué)分析軟件可分析葉型銑削顫振穩(wěn)定域，通過調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度，提高刀具懸伸、主軸轉(zhuǎn)速與切削力匹配度，預(yù)防刀具振動(dòng)，提高加工表面質(zhì)量。

       3.自適應(yīng)加工技術(shù)

       自適應(yīng)加工技術(shù)能夠自動(dòng)適應(yīng)零件形狀進(jìn)行加工，在國(guó)外摩擦焊葉盤精密成形銑削及整體葉盤修復(fù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

       線性摩擦焊技術(shù)適用于加工大扭轉(zhuǎn)、長(zhǎng)懸伸整體葉盤，可以節(jié)省毛坯材料，縮短銑削加工周期。采用線性摩擦焊技術(shù)將多個(gè)葉片焊接到輪轂的輪緣位置后（見圖4），需要將焊接工藝臺(tái)等多余材料去除。焊接式葉盤所用葉片實(shí)際形狀不盡一致，受焊接精度限制各葉片在焊接后位置不盡一致，需要采用自適應(yīng)加工技術(shù)針對(duì)各葉片進(jìn)行個(gè)性化精密數(shù)控銑削。

圖4 葉片焊接后

       整體葉盤采用葉片與盤體一體化結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)了多級(jí)整體葉盤焊接結(jié)構(gòu)、葉盤與軸頸焊接結(jié)構(gòu)等更加復(fù)雜的整體式結(jié)構(gòu)，制造成本更高，加工周期更長(zhǎng)。

       葉片局部區(qū)域受到外物損傷或疲勞斷裂后，需要采用補(bǔ)片焊接與自適應(yīng)精密銑削加工等方法進(jìn)行修復(fù)。在精密銑削時(shí)必須基于葉片實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)加工。

       自適應(yīng)加工技術(shù)需要采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，檢測(cè)整體葉盤待加工葉片的實(shí)際形狀和位置，基于檢測(cè)數(shù)據(jù)與理論模型構(gòu)建自適應(yīng)加工工藝模型，確定銑削基準(zhǔn)，計(jì)算刀具軌跡，保證加工后相關(guān)部位盡量接近理論設(shè)計(jì)模型并光順接平。國(guó)外在該領(lǐng)域已有較成熟的自適應(yīng)加工軟件與制造工藝。

       德國(guó)BCT公司的自適應(yīng)加工技術(shù)、瑞士斯達(dá)拉格集團(tuán)TTL公司自適應(yīng)加工編程軟件已分別應(yīng)用于MTU公司、羅羅公司的整體葉盤自適應(yīng)加工。自適應(yīng)加工工藝模型構(gòu)建方法、自適應(yīng)銑削策略設(shè)計(jì)是整體葉盤自適應(yīng)加工技術(shù)研究與工程化應(yīng)用的重點(diǎn)。

       二、葉片測(cè)量技術(shù)

       整體葉盤的加工質(zhì)量對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能以及服役周期影響甚大，需要對(duì)葉片部位的型面和形位精度進(jìn)行高精度、高效率的檢測(cè)評(píng)價(jià)。整體葉盤葉片采用三元流設(shè)計(jì)，葉片前后緣逐步采用高階拋物線形，前后緣尺寸薄小且曲率變化大，葉身型面為復(fù)雜的空間自由曲面，葉片間氣流通道窄小，而整體葉盤葉片數(shù)量及檢測(cè)項(xiàng)目眾多。整體葉盤檢測(cè)需要具有高精度、高效率以及高可靠性。

       整體葉盤檢測(cè)包括測(cè)量路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、模型配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理與誤差評(píng)定等基本過程。國(guó)外整體葉盤檢測(cè)目前主要采用接觸式坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，并逐步采用非接觸式掃描測(cè)量技術(shù)。在整體葉盤接觸式測(cè)量中，通常采用兩種方案：

       （1）采用配置精密轉(zhuǎn)臺(tái)的高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行點(diǎn)接觸式測(cè)量。

       （2）采用配置多軸測(cè)座及高精度接觸式掃描測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量。雷尼紹公司的五軸測(cè)座和無級(jí)變速測(cè)頭系統(tǒng)在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上能實(shí)現(xiàn)高精度、超高速掃描測(cè)量（見圖5）。

圖5 三坐標(biāo)測(cè)量

       整體葉盤非接觸測(cè)量技術(shù)主要采用光學(xué)掃描測(cè)頭，測(cè)量速度快、采樣頻率高，避免接觸式掃描引入的余弦誤差。國(guó)外高端檢測(cè)設(shè)備廠家的光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)能高效高精度地完成整體葉盤非接觸式檢測(cè)，提供完整的誤差分析和評(píng)價(jià)結(jié)果。目前，相比非接觸式測(cè)量技術(shù)，接觸式三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)具有更高的可靠性和測(cè)量精度。

       整體葉盤主要檢測(cè)和評(píng)定葉片上若干等高截面的加工情況，后續(xù)將向整體型面誤差評(píng)定以及加工誤差可視化方向發(fā)展。為分析加工誤差及改進(jìn)加工質(zhì)量，保證空氣動(dòng)力學(xué)性能，專業(yè)測(cè)量軟件將注重分析統(tǒng)計(jì)功能開發(fā)，將已有檢測(cè)數(shù)據(jù)錄入專用數(shù)據(jù)庫，方便查詢和分析各檢測(cè)項(xiàng)目的誤差分布規(guī)律。

       三、表面強(qiáng)化技術(shù)

       作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)單元體中的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，整體葉盤在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，容易出現(xiàn)疲勞斷裂。大量疲勞破壞故障表明，多數(shù)疲勞斷裂始于零件表層，加工表面質(zhì)量成為影響整體葉盤疲勞強(qiáng)度的重要因素。采用抗疲勞表面強(qiáng)化技術(shù)，提高加工表面完整性，增強(qiáng)整體葉盤疲勞強(qiáng)度，對(duì)保證整機(jī)使用性能以及服役壽命具有重要意義。

       國(guó)外整體葉盤通常采用磨粒流加工、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化、激光噴丸等加工技術(shù)，提高葉片部位加工表面完整性。磨粒流加工與振動(dòng)光飾通過減小加工刀痕深度及銳度，降低應(yīng)力集中程度，提高表面粗糙度等級(jí)，來改善加工表層狀態(tài)。噴丸強(qiáng)化、激光噴丸通過在加工表層產(chǎn)生塑形變形，引入殘余壓應(yīng)力，細(xì)化晶粒組織，提高位錯(cuò)密度，抑制或延緩疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展，增強(qiáng)整體葉盤疲勞抗力。國(guó)外整體葉盤表面強(qiáng)化技術(shù)主要在提高表面強(qiáng)化能力、葉片強(qiáng)化加工變形控制與補(bǔ)償?shù)确矫骈_展研究。

       四、結(jié)語

       先進(jìn)制造技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重要支撐。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要轉(zhuǎn)動(dòng)部件，整體葉盤加工始終追求高質(zhì)、高效、低成本目標(biāo)。在制造技術(shù)日新月異、航空產(chǎn)品不斷升級(jí)的大背景下，整體葉盤加工技術(shù)將不斷提升。

       （來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)（WMEM）》雜志2019年第2期  楊萬輝 徐新發(fā) 楊金發(fā) 中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司）