航空发动机风扇∕压气机叶片制造关键技术

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1、KeyTechnologyofNCMachiningforAeroengineFa州CompressorBlade中航工业西安航空发动机(集团)有限公司李海宁赵赞西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室史耀耀姚倡锋谭靓李海宁机械制造及其自动化专业博士，研究员级高级工程师。中航工业西安航空动力股份有限公司副总经理、总工程师。国防科技工业难加工材料加工技术研究应用中心理事长，陕西省航空学会副理事长。+国家科技重大专项(2013zx04叭1031)资助。34航空制造技术·2013年第16期随着航空发动机涵道比、推

2、重比及服役寿命的不断提高，叶片结构更趋复杂(如薄壁、宽弦、弯掠)，且尺寸更大、材料更难加工、精度要求更高。新结构、新材料的采用对叶片制造技术提出了更为苛刻的要求。风扇和压气机叶片是航空发动机的核心零件，其制造品质直接影响着发动机的服役性能和寿命。随着航空发动机涵道比、推重比及服役寿命的不断提高，叶片结构更趋复杂(如薄壁、宽弦、弯掠)，且尺寸更大、材料更难加工、精度要求更高。新结构、新材料的采用对叶片制造技术提出了更为苛刻的要求。目前世界各著名发动机制造公司都投入了大量的人力、财力和物力对叶片制造技术进行研究，寻求低成

3、本、低污染、高效率、高质量的叶片先进制造技术，以满足航空发动机对叶片制造的需求。我国航空发动机制造企业在叶片装夹手段、切削工艺、制造软件支撑、抛光工艺等方面存在一些亟待解决的问题。本文综合国内外航空发动机叶片制造中的主要问题，系统地对风扇／压气机叶片制造关键技术研究现状进行分析和论述。风扇，压气机叶片制造的关键技术1叶片高效精密加工专用工装设计与制造航空发动机叶片是典型的薄壁结构，进行机械加工时装夹十分困难。如果装夹不合理，加工过程中易产生加工变形，表面加工质量将更加难以控制。传统夹具的稳定性不高，在刚度最弱的叶尖部

4、位是顶尖式装夹方法，不能承受较大的切削力；而且传统夹具对叶片施加的是预紧压力，会加大叶片的“让刀”变形。针对薄壁叶片的结构特点，需对传统夹具进行结构优化设计，使优化后的专用夹具能够实现薄壁叶片精确定位，并提高切削系统的刚度，保证叶片加工精度。薄壁叶片铣削夹具设计时应该满足以下的基本要求：(1)定位要准确：定位准确是叶片铣削夹具的基本准则，榫根处为叶片的定位面，因此夹持榫根处的部位精度和位置度要满足要求。(2)夹具结构要尽量简单，以方便操作。(3)稳定性要高，叶片在加工过程中，叶尖部位的刚度最弱，因此在叶尖处应该尽可能

5、多的限制自由度，提高系统的可靠性。(4)预紧拉力：在叶片两端施加合适的预紧拉力会在叶片内部产生内应力以阻止“让刀”变形。在某型号叶片的专用夹具设计过程中，对叶片榫根部位进行过定位，叶尖采用凸台螺钉联接，通过偏心销轴的设置，利用偏心销轴的自锁来实现夹紧，使叶片加工的时候有一个预紧的拉力，这样可以有效减小加工中叶片在切削力的作用下产生加工振动和变形。该夹具结构简单，安装方便，定位精度高，可多次装拆而不影响定位精度，因此，不但可以提高薄壁叶片的加工精度和质量，而且可提高数控加工效率。2叶片加工过程颤振与变形控制技术随着航空

6、发动机向着大功率、高负荷、高性能发展，导致叶片长度不断增加和厚度不断减小，进而叶片的刚性越来越小，叶片发生气动弹性不稳定性一颤振的可能性愈来愈大。颤振是困扰现代航空发动机叶片发展的主要障碍之一，很多叶片断裂事故都是由于颤振造成的。另一方面，由于叶片结构复杂、叶型厚度薄、刚性差、加工刀具切削力较大的特点，在加工过程中切削力的作用下极易发生弹性变形，这是导致加工误差的主要原因之一。同时在切削颤振、切削热、残余应力等因素的影响下，也会产生变形，使加工精度无法保证，严重时甚至造成零件的报废。因此颤振和变形控制技术是保证航空发

7、动机叶片加工精度和加工质量的关键问题。加工颤振的抑制方法目前主要包括在线预报控制和离线预测控制2种。在线预报控制通过监测加工系统的实际工作状态，及时提取颤振的特性信号，并通过预先设定的控制策略避免颤振的发生川。这类方法弥补了对切削稳定性理论研究的不足，但对预测系统的容错能力、颤振控制策略和判断速度提出了较高的要求。颤振离线预测控制方法主要是通过调整切削工艺参数和改变切削系统结构来抑制颤振。其依据是系统的切削参数稳定性极限图。因此，获取切削参数稳定性极限图是颤振离线预测控制的关键所在，目前主要有三种方法，即时域仿真方法

8、障l、半解析方法【3]和解析方法【4】。另外，在对再生颤振进行了比较全面的研究之后，一些学者提出采用主动振动阻尼方法进行加工过程中颤振的抑制酗】。上述研究大多是在端铣等简单切削条件下对加工过程中的颤振进行抑制，并不涉及具体薄壁零件加工过程中的颤振问题。通过切削试验的方式对复杂薄壁曲面零件加工过程中的颤振抑制问题进行研究是解决该问题的另一种研究方