航空发动机叶片加工变形控制技术研究现状

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1、BladeManufacturingTechnology叶片制造技术航空发动机叶片加工变形控制技术研究现状121李勋，于建华，赵鹏（1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191；2.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海201108）[摘要]叶片的加工精度及其稳定性对航空发动机的性能有直接的影响，然而，其加工难度较大，型面轮廓精度和表面质量很难稳定地达到设计要求。为此，国内外研究者提出了许多叶片加工变形的控制方法。在深入分析叶片变形形成机理的基础上，对现有的叶片加工变形控制方法进行分类总结和分析，阐述了不同叶片变形控制方法的原理和特点。同时，结合目前叶片的结构特点、

2、材料特性和主要加工工艺难题指出，控制叶片型面的加工残余应力变形是实现20μm级叶片型面加工精度的关键，并且指出利用超硬砂轮悬臂高速磨削加工是实现中小型叶片型面综合变形控制的有效方法之一。关键词：航空发动机；叶片；变形控制；磨削DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2016.21.041整个发动机机械加工总量30%以上有明显的贡献，美国第六代军用发动的叶片加工一直是我国航空发动机机研究项目ADVENT将实现燃油消[1-4]整体水平提高的“瓶颈”。美国耗下降25%，其中压气机优化设计和NASA-Lewis研究中心的研究结果制造大约占其中的5%~7%。民用发表明，当叶

3、片的轮廓精度在0.025mm动机LEAP-X型号中，将通过优化左右时，如果叶片表面粗糙度Ra由压气机设计和制造降低燃油消耗7%[9]3.1μm降低到0.51μm后，发动机的左右。效率将在设计值附近提高3%~6%；在我国，随着新型战斗机型号的如果发动机叶片的转速工作在设计不断涌现，为了满足新型发动机的值60%的低速状态时，效率也会提高性能需求，叶盘、叶片的制造对材高1%~3%；当叶片的表面粗糙度为料、精度和质量都提出了更高的要0.51μm时，其轮廓误差由0.025mm求。材料从钛合金、镍基高温合金逐降低到0.0125mm时，发动机的压气渐向金属基复合材料、陶瓷基复合材李勋[10]比将

4、再提高1%以上，尤其是进气边料等过渡；叶片向大扭角、厚度更博士，副教授，主要研究方向为高缘占叶片型面10%的轮廓误差对效薄（最厚处约0.8mm）、型面轮廓精度性能材料切削/磨削技术及其表面完整[5-7]率的影响最大。以上研究结果说和表面质量及其一致性要求更高的性。明叶片型面的加工精度和质量对发方向发展；尤其是对进排气边缘的叶片是航空发动机的“心脏”，动机性能有直接的影响，特别是对超质量要求更高，尺寸也向更小（R0.05[8][11]如图1所示，叶片的加工精度和质音速飞机来说，其影响更为明显。mm左右）的方向发展，图2所示量对航空发动机的效率和性能以及另一方面，叶片型面的高精度和高质

5、为某级压气机叶片主要尺寸。可见，安全可靠性都有直接的影响，而占量制造对降低发动机的燃油消耗也提高叶片的加工精度和加工表面质2016年第21期·航空制造技术41论坛FORUM高压压气机叶片低压涡轮叶片钛合金、镍基高温合金或金属基复合风扇叶片材料等性能优良的材料，这些材料的切削加工性较差，切削加工过程中切削力相对较大，而且刀具磨损较快，切削力也会随之增大，加剧了“让刀”变形的程度，尤其是在叶片的叶尖和进排气边缘等刚性较差的部位，变形更为严重。高压涡轮叶片针对叶片在加工过程中因切削力产生的变形，研究者进行了许多分低压压气机叶片析和研究。西北工业大学的单晨伟图1商用航空发动机叶片分布[15

6、][16]等和西安工业大学的贾立伟Fig.1BIadesdistributionofcommerciaIaeroengine等利用有限元分析和具体试验的方是由几种变形综合作用的结果，不同法对仿真叶片模型进行受力变形分变形机理引起的叶片变形要采用不析，研究了不同切削力状态下叶片各同的变形控制方法。部位的变形情况，充分说明了弱刚性目前，数控铣削是叶片型面的叶片在加工过程中存在明显的“让主要加工方式，其变形控制机理和方刀”变形。北京航空航天大学的陈[17]法能够基本满足叶片型面轮廓精度婵娟等对高温合金叶片在超硬砂60mm[1,13-14]72mm在0.05~0.07mm的加工需要。轮磨削

7、加工中的受力变形进行分析，但是，随着航空发动机性能的提升，也得到了同样的结论，如图3所示。25mm对叶片的材料性能和加工精度都叶片因切削力而形成的“让刀”有更高要求，要实现先进航空发动变形主要集中在叶尖和进排气边等机20μm级叶片（型面轮廓误差在刚性较差的部位。由于叶身型面的0.02mm以内）型面的精密加工还存复杂性使得叶片各部位的刚度分布在较大的差距，尤其是针对高温合金不均匀，从而导致受力变形的规律性0.08mm涡轮叶片进行精密加工时，与其他两很差，叶盆、叶背的变形