整流叶片轴颈加工变形控制

金秀杰　梁巧云　蔺治强

摘 要：零件在加工过程中的变形，是不可避免的，但是如何采取相应的措施控制变形量，使所加工的零件尺寸满足图纸要求，是需要进行工艺技术研究的。文章针对某整流叶片轴颈在加工中的变形问题，分析了叶片结构特点和轴颈加工变形的影响因素，提出了控制叶片轴颈加工变形的有效措施，满足弱刚性叶片轴颈加工的需求。

关键词：叶片轴颈；弱刚性；变形；加工方法

引言

整流叶片是通过叶片缘板安装部位或轴颈装配在发动机的机匣中，为压气机转子叶片提供确定方向、流量的稳定压缩空气，使压气机转子叶片得到稳定的工作条件。安装部位的尺寸精度，直接决定了叶片在机匣中的位置是否正确，是影响发动机性能的主要因素之一。对于轴颈结构的叶片，一般的加工方法就是采用车或磨加工方法来保证其尺寸，但是对于细长轴、刚性弱的叶片轴颈加工，其加工变形问题，还没有很好的解决办法。

1 叶片结构及材料特点

某发动机整流叶片，由上下轴颈和叶身型面组成，大端轴颈直径Ф7mm，长度30mm，小端轴颈Ф4mm，长度8mm，截面厚度的最大值为1.43，最大弦长22mm，叶片型面总长40左右，如图1所示。

这种结构尺寸造成该类叶片成为典型的弱刚性体零件，增加了叶片每个特征的加工难度，增大了加工变形系数。

该叶片采用的TC4钛合金属难加工材料，此材料是一种典型的α+β型两项合金，是当前最常用的叶片合金。其材料特点是比强度高，具有较好的热强性和低温韧性，优良的耐腐蚀性能。但因其弹性模量小，也具有变形不易消除的特性[1]。

2 工艺试验及变形因素分析

叶片毛料为模锻件，叶身余量1.0mm，轴颈直径余量单面2mm， 按照典型零件的常规加工工艺，首先是要将两端轴颈进行半精加工，作为叶身型面加工基准，然后进行叶身型面加工。由于加工叶身型面时，会产生弯曲变形，因此引起两端轴颈的弯曲。为了保证两端大小轴颈的尺寸精度和跳动要求，需要在叶身型面加工后，对两端大小轴颈进行磨削加工。影响轴颈尺寸精度的工序，主要有叶片型面加工引起的轴颈变形及轴颈精加工工序的尺寸精度保证。

2.1 工艺试验

（1）型面加工工序。按工艺要求完成叶身型面加工后，进行轴颈跳动值检测，检测结果分析叶片弯曲变形严重。（2）精加工轴颈工序。由于型面加工后的弯曲变形影响，轴颈留有加工余量进行精加工，保证轴颈的最终尺寸。但采用车床进行精车加工后进行尺寸检测，轴颈跳动不能满足工艺要求。

2.2 原因分析

2.2.1 定位装夹方式对加工变形的影响。（1）叶身型面加工时，采用夹紧一端轴颈、顶紧叶片另一端中心孔的装夹方式，在加工刚性较弱的叶片时，顶紧力过小，加工叶身型面容易出现振动，顶紧力过大又直接造成了叶片弯曲且无法消除。同时，顶紧力与加工刀具轴向力的复合作用又造成了叶片弯曲变形。（2）精车轴颈时，采用两端中心孔定位压紧，由于叶身型面已加工完，刚性较弱，在两端顶尖顶紧后，发生弯曲现象，造成车加工后轴颈椭圆，不能保证尺寸公差和跳动值。

2.2.2 残余应力对加工变形的影响。残余应力是一种存在于零件内部并保持平衡的弹性应力，由于外部环境的变化而引起材料的不均匀变形，造成局部应力释放，使零件发生变形。残余应力所受影响因素较多，在不同的材料、加工工艺和使用状态下，残余应力的分布、数值不同，所引起的变形不同。

2.2.3 切削力对弯曲变形的影响。某整流叶片为模锻件，叶片型面采用一次数控铣削加工，留有余量手工抛光。由于切削余量较大，切削力可造成叶片较大的弯曲变形。叶片型面的弯曲变形，直接影响到两端轴颈的弯曲。

下面对叶片型面加工过程中的弯曲变形进行理论分析：为便于分析叶身弯曲变形，将叶片简化为简支梁进行受力分析。如图2所示，从受力模型可以看出，点C即为刀具的切触点，因此问题转化为求解截面C的弯曲变形上。

AC段是已加工区域，抗弯刚度为EI1，长度为a（0

yC=Fx2（L-x）/6EI2L2*{Lx-[2（L-x）2+kx（3L-2x）]}

式中：Fx两端点支撑力，k=EI2/EI1-叶片前后截面刚度的变化。

为了研究叶片整体的弯曲变形规律，借助仿真软件MATLAB，取k=1.1，1.2，1.3时，将挠度变形量拟合成曲线，如图3所示[2]。对比三条挠度曲线，发现叶片从叶根到叶片的变形趋势基本一致，从叶根、叶尖到叶身中间区域，弯曲变形逐渐增大，最大弯曲变形发生在叶身中间。

3 采取的工艺措施

经过上述变形影响因素的分析，采取了相应的改进措施。

3.1 工艺路线的优化

根据叶片的结构特点和技术要求，合理规划叶片加工工艺路线和工序安排。对原工艺路线进行了优化。将叶身型面数控铣工序分为粗、精铣两道工序加工，通过控制切削量来降低数控铣型面的加工变形。同时在其中间增加去应力热处理工序，消除一部分加工应力，可减少后续的加工变形量。增加热处理后叶片的大小轴颈磨削加工工序，通过控制两端轴颈的同轴度来有效控制叶片加工弯曲变形量。

3.2 浇注夹具设计

针对轴颈精加工，考虑需要增加叶身型面的刚性，以改善装夹的弯曲变形，增加叶身浇注低熔点合金的工序。夹具设计思路：所设计的夹具要保证浇注合金后的叶片具有足够的刚性，并在车削或磨削回转时，尽量不产生偏心，同时要尽量减小重量，减小离心力。

4 措施效果验证

将技术措施应用到叶片研制中，大端轴颈尺寸精度有了明显的提高。叶片轴颈跳动可达到0.01～0.02之间，可满足要求。

通过上述改进措施的验证和实施，我们对弱刚性叶片轴颈加工的变形机理有了较为深刻的认识。所采取的技术措施可以有效地控制零件的变形，同时可为其他结构相近的叶片加工变形控制起到一定的借鉴作用。

参考文献

[1]刘艳.《透平机械现代化制造技术丛书》总编委员会.叶片制造技术[M].北京：科学出版社，2002，10.

[2]赵明，刘维伟，李杰光[J].机械设计与制造，2009，6：106-108.

作者简介：金秀杰（1963-），辽宁省沈阳市，高级工程师，本科，主要研究方向：压气机叶片的加工技术。