整體葉盤葉片表面光整先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

國外航空發(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，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  高精度長耐用度刀具

       國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滑及油霧潤滑等潤滑方式。

圖2  高速主軸

       （3）智能監(jiān)測功能強(qiáng)。加工中心具有在線測量分析、切削振動(dòng)監(jiān)測、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、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環(huán)境溫度恒定性要求高，在加工中心長時(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、拋光輪等磨具對整體葉盤葉片及流道進(jìn)行自動(dòng)化拋光。

       國外整體葉盤全型面、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。對于大扭轉(zhuǎn)、長懸伸、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?，F(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，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。國外部分葉盤加工專用軟件可對機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測試記錄，識別各運(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。

       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)字化測量技術(shù)，檢測整體葉盤待加工葉片的實(shí)際形狀和位置，基于檢測數(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、葉片測量技術(shù)

       整體葉盤的加工質(zhì)量對飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能以及服役周期影響甚大，需要對葉片部位的型面和形位精度進(jìn)行高精度、高效率的檢測評價(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)量及檢測項(xiàng)目眾多。整體葉盤檢測需要具有高精度、高效率以及高可靠性。

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

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

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

圖5 三坐標(biāo)測量

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

       整體葉盤主要檢測和評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)測量軟件將注重分析統(tǒng)計(jì)功能開發(fā)，將已有檢測數(shù)據(jù)錄入專用數(shù)據(jù)庫，方便查詢和分析各檢測項(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，對保證整機(jī)使用性能以及服役壽命具有重要意義。

       國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，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)品不斷升級的大背景下，整體葉盤加工技術(shù)將不斷提升。