整體葉盤在發動機中的應用

壓氣機轉向葉片零件是航空發動機的重要零件。它具有種類多、數量大、形狀復雜、加工精度要求高的特點。加工質量直接決定了發動機的性能、安全和壽命損失。一般來說,壓氣機轉子類葉片加工的工作量要占整臺發動機葉片加工工作量的40%左右。隨著發動機設計技術、材料技術以及工藝技術的日益發展,各種新型轉子葉片結構不斷涌現,因此如何滿足新形勢下的轉子葉片類零件的高效精密加工成為迫切需要解決的關鍵問題。目前,常見的壓氣機轉子葉片類零件的加工方法有電解加工、精密鑄造、精密鍛造和數控加工等,不同的加工工藝方法都有相應的優缺點和適用的葉片類型。數控加工方法因在葉片類零件的加工中具有葉型精度高、波紋度小、加工柔性好、生產周期較短等特點,一直是中小批量葉片類零件首選的加工方式,在試制及批產中發揮著極其重要的作用。隨著發動機對推重比、結構可靠性和精度一致性要求的不斷提高,整體化結構在發動機中的應用越來越多,如整體葉盤在發動機風扇、壓氣機等轉子部件上的廣泛采用。這類零件在結構簡化、減重增效的同時也對制造工藝提出了更高的要求。另外,由于整體葉盤運行過程中經常受到磨損、沖擊以及冷熱疲勞等作用,極易產生裂紋、腐蝕和磨損等缺陷,如何對存在缺陷和損傷的葉片進行修復加工,也逐漸成為發動機設計和制造人員關注的重點。壓氣機轉子葉片制造技術新一代航空發動機的推重比不斷提高越來越多的依賴于高比強度、低密度、高剛度和耐高溫的先進材料。目前鈦合金、高溫合金、樹脂基及金屬基復合材料和金屬間化合物等均被用于制造航空發動機壓氣機轉子葉片。與其他零件相比,葉片有其自身的形狀特點和性能要求,其制造技術有別于其他類零件。葉片的主要制造工藝過程分為毛坯制造和機械加工兩大階段,毛坯制造分為鑄造、鍛造等;機械加工工藝過程中除了機械加工外,有的還需要焊接、涂層、電加工和熱處理等。壓氣機轉子葉片的制造工藝主要有:(1)普通模鍛,拉、銑削榫頭,銑削葉身型面,拋光。該制造技術適用于各種材料與形狀尺寸的葉片。(2)精密鍛造,化銑,熱處理,數控加工榫頭(包括有阻尼臺葉片的阻尼臺)。該制造技術適用于鈦合金、高溫合金等各類葉片的制造。單葉片的毛坯通常采用模鍛件和精鍛件。模鍛件的突出優勢是強度高,但葉身留有機加余量,在機加去余量時往往會破壞葉片葉身表面的部分流線,會影響葉片強度。與模鍛件相比,精鍛葉片存在強度高、機加余量小等優點,從而大幅縮短加工周期,提高使用壽命。但由于葉片結構復雜和精密鍛造技術的限制,部分葉片精鍛件的阻尼臺、前后緣等部位會留有部分加工余量,通常需要采用機加的方法去除。1銑削成形工藝葉片榫頭的常見加工方法有銑削和拉削,另外也有成形磨削和數控車削的加工方法,各種方法具有不同特點。對于榫頭結構較為簡單的葉片,也可采用通用銑刀進行銑削成形。榫頭銑削加工生產準備簡單、周期短,適用于材料切削性能較好、生產批量小的葉片。成形磨削加工生產準備周期長、費用較高,適用于材料切削性能差的葉片。數控車削加工生產準備簡單、周期短,費用較低,適用于周向圓弧齒、材料切削性能好、生產批量較大的葉片。拉削是加工葉片榫頭的一種高效金屬切削方式,可以用于多種結構葉片榫頭表面的加工,加工精度高、質量好,生產批量大,廣泛應用于葉片榫頭的加工中。2葉片數控加工數控加工方法適用于各類葉片的加工。復雜結構單葉片的加工通常在多軸聯動數控加工機床上進行,通過機床各軸的連續運動獲得很好的加工柔性和表面加工質量。面向單葉片的加工采用專用機床可以獲得較高的加工效率和加工質量。葉片型面的數控加工多采用螺旋銑削方式。在粗加工階段,由于葉片剛性較好,可采用單面銑削的方式去除大余量。在半精加工與精加工階段,為保證型面加工質量,多采用螺旋銑削成形的方法。對于開敞性較好的葉片,可將葉片裝卡在多坐標機床旋轉軸上,沿葉片旋轉軸心線用頂尖固定,在葉片作旋轉運動時,刀具沿葉片表面走出的螺旋形狀軌跡加工出葉片。這種工藝方法可以采用球頭刀或環形刀端銑成型,其切削軌跡分布近似平行于葉片的截面線,并且加工過程中不存在橫向進刀,這樣的軌跡分布能夠實現一次進退刀即可完成整個葉型的加工,因此是一種高效的葉片加工方案,有著良好的工藝連續性和高效性,并且適用于葉片的高速切削。3前后邊緣非配合面葉片阻尼臺的主要作用是形成環形支承,從而增加葉片剛性,阻尼臺上下側面及前后緣屬于非配合面,允許偏差較大;毗鄰面為配合面,加工精度要求較高,允許偏差較小。葉片阻尼臺的加工也可采用螺旋走刀方式,即刀具沿繞阻尼臺的螺旋軌跡進行加工,可以獲得較好的表面加工質量以及阻尼臺與葉身型面之間的光滑轉接。“葉盤”一體化葉盤制造工藝為滿足新一代戰斗機以及未來新概念高推重比發動機性能要求,新一代航空發動機對其部件的氣動、結構設計,以及材料、工藝等方面提出了更高要求。作為提高發動機性能、簡化結構、降低重量、減少故障率、提高耐久性與可靠性的重要措施之一,整體葉盤結構在發動機的風扇、壓氣機以及渦輪上被普遍采用。整體葉盤將葉片和葉盤通過先進的工藝做成一體,可以省去常規葉盤連接的榫頭和榫槽,使結構大大簡化。葉盤的整體結構增加了其生產制造的復雜性,對加工制造工藝提出了更高的要求。目前整體葉盤結構制造采用的方法主要有線性摩擦焊、多軸數控加工與電加工技術等。1結構焊接質盤線性摩擦焊接屬于固態連接技術。在線性摩擦焊接過程中,由于工件的高溫是通過兩配合面間的相互高頻振蕩產生的,焊接處的材料并未熔化,因而不會出現一般焊接中易發生的脫焊現象,連接處也看不出“焊縫”,且其強度與彈性均優于本體材料。該技術可將兩種不同材料的葉片與輪盤焊接在一起,以獲得最佳的減重及性能效果。采用摩擦焊接制盤時,葉片根部和輪盤的連接處通常留有余量,焊接后采用機加方法去除。線性摩擦焊技術可使葉片和葉盤過渡區的晶粒組織變的很細,其靜態、動態力學性能超過非焊接的基體材料。對于線性摩擦焊接整體葉盤,葉身型面部分通常所留余量較少,但在前后緣及葉片根部,為滿足摩擦焊接工藝的要求,留有較大余量。由于線性摩擦焊接時可能造成葉片相對輪轂的位置差異,如扭轉、平動等,需要先對焊接結果進行測量并與葉盤的理論模型進行配準,從而確定葉盤的余量分配、加工區域以及加工軌跡。2葉片加工過程采用數控加工方法可以將整體葉盤一次加工成形。由于葉盤結構復雜,為避免加工過程中的碰撞干涉、保證葉片型面加工質量與加工過程的連續性,整體葉盤加工一般采用聯動性能好、動態性能優異以及轉臺轉動范圍較大的五軸聯動機床進行加工。利用五坐標數控加工方法加工整體葉盤的優點在于加工柔性好、精度高,適合快速試制的要求。采用多軸數控加工方法加工葉盤時通常采用鍛造餅坯,其加工工藝方案如下:(1)分多層粗加工,使加工應力逐步釋放,減少變形;為減小葉片變形和粗加工過程中的側向力,保證粗加工的安全和高效,通常采用插銑方法;(2)采用球頭刀進行葉片型面、輪轂面的精加工,并做清根加工。整體葉盤上葉片加工過程中的一個典型問題是變形和振動。整體葉盤的葉片通常很薄,在加工過程中為減少葉片型面的變形和振動,可以在相鄰葉片之間間斷澆注石蠟、低熔點合金或填充橡皮泥等,增加葉片的剛性。此外,也可合理設計銑削方案,如采用同步半精銑-精銑等方法,降低零件的變形和加工過程中的振動。3電加工技術整體葉盤的加工也可采用數控電解加工和數控電火花銑削加工技術。數控電解加工技術加工整體葉盤時工具陰極無損耗,無宏觀切削力,適合加工各種難加工材料和長、薄葉片及狹窄通道的整體葉盤,加工效率高,表面質量好。美國GE公司20世紀80年代就開始使用電解加工技術進行整體葉盤的加工。此外,電火花銑削加工技術也可以用于整體葉盤的加工。電火花銑削采用類似于數控銑削的方法,使用銅質材料等棒狀電極的連續運動去除工件材料,適合于高溫合金、鈦合金等難加工材料整體葉盤的加工。電火花銑削加工整體葉盤加工效率高、成本低,一般用于整體葉盤的粗加工中,以快速去除整體葉盤毛坯的大余量。面向修復的數控加工技術轉子葉片類零件結構復雜,材料主要是鈦合金、高溫合金等加工難度大的貴重金屬,生產制造周期長,成本高。如果加工過程中出現誤加工損傷或材料缺陷,就會影響零件的正常交付,甚至導致零件報廢。同時,這類零件在使用過程中,由于磨損、腐蝕、高溫、疲勞等因素必然出現局部損傷。為解決上述問題,近年來逐漸發展出針對葉片類零件修復的自適應加工技術。修復技術是延長和提高航空發動機關鍵零部件的使用壽命和運行效能、推動整體化結構應用的關鍵技術。與常規的數控加工工藝不同,面向修復的數控加工技術存在的難點主要表現在以下幾個方面:首先,服役過程中實際葉片類零件的形狀會發生變化,基于理論模型的數控加工軌跡無法直接用于修復加工。此外,零件破損部分的實際模型無法通過檢測手段獲得,需要通過破損部分的邊界提取和零件理論模型構造修復區域的實際模型。同時,當整體葉盤中需要更換幾個葉片時,更換后的葉片由于焊接精度及變形的影響可能造成修復加工余量嚴重不均勻的情況。因此,解決上述問題的關鍵在于必須根據葉盤修復毛坯的實際檢測結果對葉片的定位基準、加工余量以及加工軌跡分布等進行綜合優化。可見,面向修復的多軸數控加工技術是數字化測量-計算機輔助設計-計算機輔助制造技術的一體化集成應用,是一種自適應加工技術。在對缺陷件進行焊接修復處理之后,需要進一步采用自適應加工技術對焊接修復件進行加工。1快速定位功能快速高精度的數字化檢測技術是實現葉片類零件修復加工的基礎。為實現快速高精度檢測,必須根據轉子葉片類零件的結構特點,確定待測區域、無干涉的測量路徑以及需要測量的最小點集。在得到測量結果的基礎上,與轉子葉片理論模型進行匹配,快速確定葉片的實際型面形狀。修復加工過程中的快速尋位與余量優化是實現零件高效、精密修復的關鍵環節。由于待修復零件的原有基準可能發生磨損或變形,無法滿足修復精度的要求。根據測量數據與葉片理論模型的匹配結果,通過葉片特征點位的匹配,實現葉片類零件的快速定位。同時,結合葉片的實際形狀,通過對焊接部分模型的調整實現焊接后的余量優化分布,以獲得更好的修復效果。3局部損傷的修復待修復的零件大多經歷了長時間的服役工作過程或是加工過程中出現了缺陷,無論是零件的裂紋、破損還是工作過程中所產生的局部變形都可能對修復加工精度產生重要影響。因此,可以根據待修復零件當前的實際形狀,基于葉片的理論模型,根據測量數據、尋位及余量優化結果,自動提取破損區域邊界并進行待修復區域模型的重構,用于后續的代碼轉換。4系統的轉換電路在重構待修復區域的模型之后,建立重構模型與葉片理論模型之間的映射關系,并根據該關系將理論模型的加工代碼進行自動變換,以用于重構模型的加工。這種自動變換不需要對重構模型進行重新加工編程,這樣便于聯機實現實時的代碼轉換,特別適用于整體葉盤上不同葉片具有不同缺陷情況的處理。航空發動機采用整體化結構的必要性壓氣機轉子葉片類零件是航空發動機中的關鍵重要零件。隨著航空發動機性能的不斷發展,對這類零件的加工工藝與質量要求越來越高。為滿足新一代航空發動機對高推重比、長航時要求的提高,迫切需要結合航空發動機制造行業的實際需求,開展以下幾方面的研究:(3)開展整體化結構修復技術的預先研究。整體葉盤等整體化構件是新一代航空發動機的核心零部件,先進的修復技術是延長這類產品服役壽命及修復后運行效能的關鍵技術。必須提前開展整體化構件修復技術的研究,以滿足新一代戰斗機及大型運輸機的需求。(4)強化產、學、研、用合作的程度和渠道。充分發揮科研院所、航空制造廠家以及用戶單位的產學研優勢,不斷提高我國航空發動機的整體制造工藝技術水平。隨著發動機對推重比、結構可靠性和精度一致性要求的不斷提高,整體化結構在發動機中的應用越來越多,如整體葉盤在發動機風扇、壓氣機等轉子部件上的廣泛采用。這類零件在結構簡化、減重增效的同時也對制造工藝提出了更高的要求。另外,由于整體葉盤運行過程中經常受到磨損、沖擊以及冷熱