整体叶盘叶片加工技术研究

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1、整体叶盘叶片加工技术研究［摘要］本文详细介绍了整体叶盘的整体特征、优缺点以及在航空发动机上的应用情况，在分析国内外整体叶盘制造技术现状的基础上，通过分析比较现有加工技术，在给出最佳复合制造工艺方案的同时，综合分析了整体叶盘数控加工的关键技术，包括分析通道与划分加工区域、确定最佳刀轴方向与光顺处理、高效粗加工叶盘通道、开槽加工和精确加工叶型等。［关键词］整体叶盘航空发动机数控加工叶片型面中图分类号：TG75文献标识码：A文章编号：1009-914X(2016)27-0015-03引言随着航空航天技术的发展，为满足发动机

2、高速、高推比的要求，在新型中小发动机的设计中大量采用整体结构叶轮。整体叶轮是20世纪80年代中期出现的新型结构，它省去了连接用的榫头、榫槽，使叶轮具有结构紧凑、重量轻、比强度高等一系列优点，而且采用整体叶盘可以消除叶片与轮盘连接时气流在榫根和槽缝中的逸流损失，也可以避免由于叶片与轮盘装配不当或榫头腐蚀，特别是微动腐蚀、裂纹及锁片损坏带来的故障。因此，整体叶盘结构在新研制的高推比航空发动机上得到了推广应用。但是整体叶盘也存在难以避免的缺点：(1)这类叶轮大多工作在高温、高压、高转速条件下，选用材料多为不锈钢、合金钢、耐

3、热合金等难切削材料，再加上其为整体结构，有几十个甚至上百个复杂型面叶片，其加工一直是制造业中的难点。（2）在用榫头连接的结构中，可以更换单个损坏的或有缺陷的叶片，而整体叶片不能更换叶片，很有可能因为一个叶片损坏而报废整个整体叶盘。（3）由于高压压气机叶片短而薄，叶片离心力较小，轮缘径向厚度小，采用整体叶盘结构重量减小不显著。1.国内外研宄现状及典型应用实例整体叶盘毛坯一般采用钛合金、高温合金等难加工材料，不允许有裂纹和缺陷，必须经过严格无损探伤检査；整体叶盘叶片薄、扭曲度大、叶展长、受力易变形，并且叶片间的通道深，开

4、敞性很差，因此整体叶盘的制造和维修都特别困难，是国外严密封锁的核心技术。国外整体叶盘制造采用的主要工艺有：精锻毛坯+精密数控加工;焊接毛坯+精密数控加工；高温合金整体精铸毛坯+热等静压处理等。由于数控加工具有快速反应和可靠性高的特点，美国GE和P.W公司、英国R.R等公司在研制整体叶盘吋采用了五坐标数控加工技术。整体叶盘的应用很广，具有代表性的有如下几个：（1）EJ200发动机是最先采用整体叶盘结构的发动机，它采用焊接方法将转子叶片和轮盘作成一体，整体叶盘材料为钛合金；（2）美国通用电气公司研制的F414发动机的第2

5、、3级风扇也是采用焊接方法做成整体叶盘结构，材料为钛合金（Til7），高压压气机前三级也是整体叶盘，毛坯为锻件，叶型采用电化学加工；（3）美国惠普公司研制的第四代战斗机的动力装置一一F119发动机的六级轴流高压压气机都是整体叶盘，第1〜2级为钛合金，第3〜6级为粉末局温合金;整体叶盘从整体毛坯到零件的制造过程中，材料切除率超过90%,综合技术难度非常大，集中反应了国际数控加工相关技术领域的最新技术和最高水平。国内在整体叶轮叶盘相关软件和加工关键技术方面也进行了大量的研究。西北工业大学开发出了“叶轮类零件多坐标NC编程

6、专业软件系统”,该系统集测量数据预处理、曲面建模、曲面消隐、刀位计算、刀位验证及后置处理于一体，己在20多种叶轮叶盘的研制与生产中应用。1.最佳复合制造工艺分析本文在充分分析整体叶盘的结构特点和制造工艺需求的基础上给出了一种最佳的整体叶盘复合制造工艺。从工艺流程上将整体叶盘的职责划分为近成形毛坯制造、精确成型加工以及表面检测与抛光等主要阶段。针对每个阶段，筛选出典型工艺方法及其使用条件，并根据叶盘制造过程不同阶段的特点，特别是叶片的复杂程度，调整工艺集成方案，优选出成熟、稳定度高的工艺组合。在近成形毛坯制造阶段，可采

7、用锻造、焊接和精铸3种工艺。由于整体叶盘为重要受力部件，必须满足强度要求，所以尺寸较大的叶盘一般选用整体锻造或焊接方案。从目前国内工艺的可行性、成熟度以及毛坯强度考虑，整体叶盘研制阶段主要采用整体锻造得到初始毛坯，然后采用电解加工、线切割、数控铣削等高效数控粗加工技术制造出近成形毛坯。在精确成型加工阶段，可采用电解加工和整体数控铣削等工艺。电解加工过程无机械切削力，加工应力小，适用于难加工材料零件和难铣削的细节加工，但目前需进一步研究解决电蚀层和光整加工等问题。数控铣削工艺用铣刀的五轴运动包络铣削加工出流道形状。这种

8、工艺适用于整体闭式叶盘和其他具有复杂曲面叶片的整体叶盘。因此从以上可知，国内目前能够满足研制和小批量试制需求较为可行的技术途径是：近成形毛坯应首选“等温锻造+高效低应力粗加工”方法，并进一步减少精锻毛坯余量以缩短加工周期;精确成型加工宜采用五坐标数控铣削工艺。这种工艺具有快速响应特点，所需专用工艺装备少、工艺较成熟且己制造出了合格的叶盘。因而该