航空发动机叶片加工新工艺与可靠性分析

克钦　张亚双

摘要：叶片是航空发动机关键零件，它的制造量占整机制造量的三分之一左右。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件，如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。本文将主要探讨航空发动机叶片加工新工艺与可靠性。

关键词：航空发动机；叶片加工；新工艺

前言

随着科技的迅速发展，机械制造业中像叶片这样的复杂曲面构件的加工量与日俱增。传统的叶片设计生产过程各个工序之间独立性较强，工厂中形成相互独立的信息孤岛，从而使叶片的研制周期过长。另外，叶片类零件属于复杂零件，零件种类繁多，而且叶片型面是由复杂的三维自由曲面组成，几何精度要求较高，传统的加工方法无法满足叶片的精度要求[1]。因此，现代的数控加工技术越来越广泛地被用于叶片加工过程中，使叶片在普通切削加工中备受困惑的问题得到解决。

1.叶片数控加工传统工艺路线

叶片数控加工传统工艺是单个叶片依次加工，毛坯锻造可以是模锻也可以是自由锻。 在铣削加工和车削加工前必须合理设计工装， 并高精度地制造出来，这样才能保证叶片的精度，工装的精度对叶片的制造精度影响很大。在叶片铣削加工全部完成后，必须把叶片组合成一周，通过车削来完成内、外橼板的加工。

通过数控铣床高速加工的方法加工叶片，加工质量好、精度高，特别是引起叶片薄壁部分变形的径向力明显下降，减少叶片在加工过程中的变形，从而有利于叶片的加工。由于切削力小，工艺系统符合，因此有利于机床精度的保持。在叶片加工过程中，产生的热量主要被切屑带走，故切削时叶片温度较低，热变形小，这也有利于叶片的加工制造。切削过程的激振频率很高，故切削过程不易产生振动，可以提高叶片表面加工质量，使其表面粗糙度与磨削加工所达到的值接近。

2.基于UG的航空发动机叶片加工工艺分析

2.1 .工艺分析.

发动机叶片材料大多采用金属材料。就发动机叶片的结构和使用要求而言，采用 UG 中的 CAM模块经过处理生成数控代码，完成对发动机叶片的加工是当前的主流方案。基于对发动机结构的分析，需要使用数控铣加工中心来完成模具的加工。由于发动机的结构相对比较复杂，各个叶片之间有重叠，加工起来难度很大，加之发动机叶片的曲面较为复杂，机床原有的夹具无法对其进行固定加工，所以对发动机叶片的加工需采用专用夹具，并且采用五轴数控加工中心，才可能完成。通过控制刀轴各个矢量方向的改变来加工曲面，各曲面的刀路要重叠相接[2]。

2.2.工艺过程

在加工过程中要选择合适的加工坐标系，针对表面选择加工方法，根据零件表面质量要求来设定加工参数。叶片材料为六面体方钢。先使用铣床将材料进行六个基准面的铣削加工，粗加工时首先要进行UG 软件的建模界面，通过加工模块的操作、基准坐标系的选取、相应参数的设置才可以进行叶片的加工仿真。其中，相应参数包括刀具直径、切削参数、进给速率、切削方向、铣削方式的选取等。本次加工的铣削方式为跟随周边。完成加工仿真后创建小平面得到实体，完成粗加工程序。通过程序处理器的处理得到粗加工的程序段用于驱动机床。叶片加工包括叶根过渡圆角、阻尼台、进气边、出气边等特殊部位加工。前期工作概述：铣削加工背弧气边倒角，初精铣背平面、凸台，叶冠；叶冠叶根内径方向去余量，粗精铣叶根型线和叶冠径向面；铣气道型线，铣削叶根端面等。

3. 叶片加工过程中的方法和可靠性分析

3.1. 主型面的加工

叶片主型面是空间自由曲面，各部分的曲率扭转较大还是薄壁件，采用截面法加工比较适合，其生成的刀轨均匀，走刀轨迹容易控制。而且刀具与曲面的接触点轨迹在同一平面上。在加工过程中采用与叶片高度方向垂直的一系列平面作为截平面，与叶片主型面作交运算，生成一系列交线，由交线生成刀轨轨迹。

3.2. 阻尼台加工

加工阻尼台同样采用截面法。此过程中截面法矢的选取是关键，加工中选择阻尼台中点的法矢作为截面法矢。这样会很容易避开干涉，从而提高加工效率。

3.3. 叶片的清根加工

叶片的主型面是通过过渡曲面与根榫头进行连接的，而过渡曲面又是由多个片体形成的自由曲面。这些曲面是由圆角曲面形成的，采用截面法加工，比较容易实现加工。在加工过程中刀轨可以形成一个环，走刀流畅连贯加工效率大大提高[3]。

3.4. 阻尼台的清根加工

在叶片加工时，采用较大的进给量和较小的切深可使切削力减小，同时可以节省动力消耗。加工叶片时，要保证表面粗糙度，应注意以下因素[4]：

3.4.1.工件材料与刀具材料的匹配。与一般加工一样，高速加工工件材料与刀具材料的匹配也很重要，它不仅影响切削加工的性能，对加工表面粗糙度的影响也是很明显的。

3.4.2.工件材料的硬度。高速切削时，被加工工件材料的硬度对加工表面粗糙度也有影响。高速切削时的表面粗糙度随工件材料硬度的变化规律与传统低、中速切削时不同，工件材料硬度的增加会使表面粗糙度降低。

3.4.3.进给量和切削速度。传统切削理论认为：切削脆性材料时切削速度对表面粗糙度基本上没有影响，但在切削塑性材料时，在低、中切削速度的情况下，易产主积屑瘤及鳞刺，从而表面粗糙度增大，随着切削速度的提高，积屑瘤和鳞刺减少甚至消失，工件材料的塑性变形也减小，因而可以减小表面粗糙度；进给量增大，会导致刀具残留面积增大，从而使表面粗糙度增大。

3.4.4.振动的影响。高速切削机床（包括加工中心）具有很高的刚度，但是高次谐振的影响可能会激起工件以固有频率振动，从而影响表面粗糙度。

3.4.5.其它因素。如切削液、机床性能等。

由于精加工要用球头铣刀来完成，因此计算球头铣刀铣削残留高度是必不可少的工艺过程。铣削残留高度是影响铣削表面粗糙度的主要因素，所以往往通过控制它的大小来控制表面加工质量。目前确定球头铣刀铣削残留高度的方法大多建立在估算公式上。

4.结束语：

本文应用 UG 软件完成五轴数控编程加工发动机叶片，达到了实际生产需求，缩短了生产周期。实例主要说明了关键加工过程的加工方法，至于实际加工参数设置并未进行详细说明，加工方法的选择直接影响加工效率与表面结构参数。本文对叶片的建模与加工有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 王丽，宋成，李美荣. 航空发动机叶片型面的旋流式光整加工实验研究[J]. 航空精密制造技术，2012，06：36-39.

[2] 肖建国，方秋生. 基于有限元法微小高精度叶片加工过程控制研究[J]. 金属加工（冷加工），2013，03：67-68.