浅谈航空发动机整体叶轮的加工方法

王宏睿

（南京工程学院机械工程学院，江苏 南京 211167）

0 引 言

航空发动机叶片是发动机的核心部件之一，随着发动机性能要求的提高，整体叶轮的形状也更趋复杂，其特点是：叶片薄，扭曲大，叶片间隔小。这给整体叶轮的制造加工带来了极大的困难。20世纪80年代后期以来，美国、欧洲按照IHPTET、UEET、ACME等航空发动机采用整体叶盘结构就是在开发新结构方面取得的成果。整体叶轮结构与常规的机械连接式叶轮相比具有以下优点：1）可以省掉由叶片榫头、锁片和榫槽连接结构所带来的额外重量。2）整体叶轮可消除常规叶轮中气流在榫根与榫槽间缝隙中逸流造成的损失，使发动机工作效率增加，从而使整台发动机推重比显著提高。3）省去了安装用的螺柱、螺母和锁片等连接件，极大减少了零部件，也避免了榫槽损伤和断裂等潜在故障。但是，由于整体叶轮结构复杂，加工精度要求高，整体叶轮的机械制造加工面临越来越强的挑战。（1）整体叶轮加工困难。除了叶型复杂外，精度要求高，且叶型薄，受力后变形大，同时叶片数较多，其加工量很大。（2）发动机在使用过程中，叶片常会遇到外物打击而损伤或因振动疲劳而出现裂纹。整体叶轮要更换叶片非常困难，有可能因为一个叶片损坏，而报废整个整体叶轮，因此整体叶轮叶片的制造技术，是整体叶轮扩大应用前必须解决的关键问题。国内外已经采用的加工整体叶轮的方法主要有精密铸造、数控铣削、电解套料加工、仿形电解加工、数控电解加工和数控电火花加工。下面简单介绍几种方法。

1 精密铸造、锻造技术

1.1 精密铸造技术

采用精密铸造工艺加工可以大大提高材料的利用率，节约大量贵金属材料。由于精密铸造工艺的新发展，特别是采用定向凝固（DS）、热等静压（HIP）等先进铸造技术后，使得铸造合金组织和性能大大改善，尤其是解决了叶片疲劳断裂的裂纹沿垂直于叶片主应力方向的晶粒边界发生、熔模铸造内部存在疏松缺陷等问题[1]，使叶片的抗疲劳性、应力断裂寿命大为提高，同时，铸造工艺也有利于大量成批生产，满足现代工业对各种叶片的大量需求。国外GeneralMotors，Allied Sig⁃nal，Howmet，Ford Motor，Allison Engine，Rolls Royce等公司都进行了双性能整体叶盘精密铸造技术研究，并成功铸造出叶片为定向柱晶或单晶，轮盘为等轴细晶的整体叶轮，并在航空发动机上获得了应用。但是精铸技术难度大，成品率低，现在只能适用于可铸合金，对于高转速、高负荷的叶轮仍难以采用。

1.2 精密锻造技术

随着精密锻造技术的发展使锻压工艺彻底突破了毛坯生产的范畴，可以加工出接近成品的零件。我国哈尔滨工业大学对叶轮的半固态挤压锻造过程进行了数值模拟,获得了叶轮成形的主要参数变化规律并利用等温锻模技术加工出钛合金及铝合金整体叶轮；宝山钢铁股份有限公司也采用等温锻造技术加工出钛合金整体叶盘；美国GE公司已用等温锻造技术制造出了压气机整体叶盘转子，材料利用率提高4倍[2]。通过采用计算机辅助设计、分析和制造软件、预测模型和计算机模拟技术实现了“实体造型”以及铸、锻过程用计算机模拟仿真，这些技术提高了金属填充和凝固质量，消除了疏松，避免了热裂，从而提高了精密铸造和精密锻造的质量与效率，降低了成本。虽然精密锻造能节省贵重金属材料，减少难切削材料的机械加工量，但由于叶轮固有的几何复杂性，使其很难用于叶轮的最终精密加工，同时钛合金、高温高强度合金等高性能金属材料的锻造也是一个困难。精密锻造生产效率高，精度可满足要求，但生产过程复杂、技术难度大，仅少数工业发达国家掌握该项技术，我国还没有完全掌握该种技术。目前精密锻造和精密铸造一般都作为毛坯制作手段。

2 数控铣削

多轴数控铣削加工是最常规的整体叶轮的制造方法，通常需要在5轴联动数控机床上进行。可加工复杂轮廓和光洁表面，并保持较高的材料去除率，如BR715的第1级和第2级压气机整体叶轮是在五座标数控铣床上加工的；美国休斯飞机公司已采用五座标高速数控铣床加工第三代和第四代战斗机的液压、燃油和环控系统中的整体叶轮；还有美国GE公司和英国R.R公司等在研制整体叶轮时，均采用了五座标数控铣削加工技术。对于整体叶轮数控铣削国外研究较多，国内在这方面也做了许多工作，只是数控铣削加工所需的高精度机床、数控系统、五轴联动编程、刀具等关键问题并没有完全解决[3,4]，大多还需要进口，尽管如此但数控铣削方法在实际应用时却面临一些主要问题：1）对广泛用于制造耐高温整体叶轮的钛合金和镍基高温合金进行铣削仍很困难；2）对于带叶冠的整体叶轮或叶片具有很大中弧线弯角的整体叶轮，采用数控铣削加工时，铣刀与叶盘可能干涉，或能使用的铣刀太过纤细，导致了刀具的刚性很差和加工可达性困难；3）对于直径较小、叶片较多且叶间通道比较窄的整体叶轮，其通道结构对于数控加工也是比较大的挑战，因此数控铣削通常用于不锈钢叶轮等具有开放叶片（无叶冠）而且叶间通道较大的整体叶轮。

3 电火花加工

1943年苏联科学家利用电火花的蚀除作用开发了电火花加工，由于其独特的加工能力，电火花加工已广泛应用于航空航天等领域[5]。电火花加工是蚀除而非切削材料，被加工材料的机械性能对加工没有影响，故电火花加工广泛用于各种难加工材料，如铬镍铁合金、蒙乃尔合金、哈斯特镍合金等材料叶轮的复杂形体加工，其加工精度及加工稳定性很高。特别是近年来，多轴数控系统与电火花加工技术的结合使得电火花加工技术成为一种高水平的特种精密加工工艺，可实现多自由度联动加工。现代电火花加工技术已经达到高精度（微米级）、低表面粗糙度，不产生表面裂纹的水平。该项技术已经应用于小型航空涡轮喷气发动机上整体叶轮的加工。英、美、俄等国家用于加工带冠整体叶轮,我国也逐步掌握这项技术。但是由于在加工过程中电极损耗会影响成型精度，需经常更换电极，导致加工成本高，加工速度慢，高性能机床还需要进口，同时加工表面的再铸层对零件疲劳强度会产生非常不利的影响，这又限制了此种加工方法的大量使用。

4 电解加工

电解加工是利用金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工过程，在加工难切削材料及复杂形状工件方面，相比其他加工方法具有明显优势[6]。在叶轮加工过程中经历了以下几种加工方法。

4.1 电解套料加工

电解套料加工生产率高，表面质量好，阴极无损耗，可加工任何难切削材料，加工中无机械切削力，可加工薄壁件，无变形且加工过程稳定，在国内外应用较多。我国采用小间隙电解套料加工叶片型面精度可达0.02 mm，位置精度高于±0.03 mm，表面粗糙度Ra达0.4~1 μm；德国AEG公司采用SMH-1-C单头卧式机床电解套料加工的不锈钢20Cr13整体叶轮，叶型精度达±0.05 mm。但是电解套料这种加工技术只能加工等截面叶片整体叶轮，并不能加工变截面的扭曲叶片整体叶轮。

4.2 仿型电解加工

传统仿形电解加工是采用成型阴极按拷贝方式加工型腔、型面，加工速度快，加工精度可满足生产要求，但由于一种叶轮需对应一种仿形模具及夹具，其设计、制造、调整的工作量大，制造周期长，影响因素多，并且对工人的技术水平要求也高，加工柔性低，生产准备工作量大，使得拷贝式加工的复制精度、重复精度都不太高。目前我国已成功将此种技术应用于加工变截面扭曲叶片整体叶轮。

4.3 数控电解加工

电解加工与数控技术相结合的数控电解加工技术，能综合发挥计算机数控和电解加工的技术优势，同时又能取长补短。美国GE公司在电解加工先进航空发动机的整体叶盘时，采用了以成形或近成形阴极进行多坐标数控送进运动的加工方式。在制造为装备“先进战斗机ATF(即F22)”而研制的GE37/YE120发动机的钛制整体叶盘及F414发动机整体叶盘时，与美国Lehr precision公司合作发展了五轴数控电解加工技术。与单用五坐标数控铣削叶片相比，加工工时减少约85%（对于长叶片省时更多），同时还避免了在叶片加工中产生的残余应力。电解加工分粗加工、半精加工和精加工。在粗加工时，是将ECM的专用工具置于GE公司专利的五座标数控机床上，对坯料沿圆周进行开槽；在半精加工和精加工时，则采用具有叶型型面的电极对坯料进行加工，加工出的叶片叶型厚度公差+0.01mm，型面公差+0.01 mm，可不需手工抛光。

而俄罗斯则采用机械仿形电火花与电解加工的组合工艺。电解加工既可以提高加工速度，又可以去除电火花加工后的表面变质层，提高表面质量。电火花——电解加工的组合工艺在新型发动机，特别是火箭发动机带冠整体涡轮的研制中发挥了重要作用。

4.4 数控电火花

电解加工整体叶轮的方法与数控电解加工整体叶轮的方法相比，其基本特点是相同的，即工具阴极无损耗，无宏观切削力，适宜加工各种难切削材料和长、薄叶片及狭窄通道的整体叶轮，加工效率高，表面质量好，这些优点是数控铣削所不具备的；它又具有数控的优点，能以计算机数控方式实现三维运动，可用于加工各类复杂结构、多品种、小批量零件，甚至单件试制的生产中，这些优点又是一般拷贝式电解加工所不具备的。虽然数控电火花——电解加工的精度及加工稳定性更高，但加工速度却不及数控电解加工。数控电火花——电解加工这种工艺具有电解加工的优点，因此，非常适合于加工用数控铣削、精密锻（铸）造难加工或不能加工的零件，如小直径、多叶片、小叶间通道（1.5～3 mm）零件，难切削材料变截面扭曲叶片整体叶轮以及数控铣无法加工的带冠整体叶轮等。数控电火花—电解加工整体叶轮的方法与数控电解加工整体叶轮都是一种优质、高效、低成本，且具有快速响应能力的新加工技术。

[1] 汤鑫，曹腊梅，盖其东，等.高温合金双性能整体叶盘铸造技术[J].航空材料学报，2006，26(3)：93-98.

[2] 吴建民.大直径整体叶轮数控电解加工技术研究[D].南京：南京航空航天大学博士学位论文，2008：6-10.

[3] 王强.国际精密锻造技术的新进展[J].锻压装备与制造技术，2004(2)：15-19.

[4] 陈皓晖，刘华明，孙春华．国内外叶轮数控加工发展现状[J].航天制造技术，2002(2)：45-48.

[5] 林胜.数控高速切削加工技术[J].航空制造工程，1997(2)：16-17.

[6] Johanna Senatore，Frederic Monies，Jean-Max Redonnet，et al.Improved positioning for side milling of ruled surfaces:Analy⁃sis of the rotation axis’s influence on machining error[J].Inter⁃national Joural of Machine Tools&Manufacture，2007（47）：934-945.

[7] 李刚，王振龙，赵万生，等.带冠整体涡轮盘电火花加工CAD/CAM技术[J].南京航空航天大学学报，2007，39(2)：253-257.