航空发动机叶片加工中二次造型的研究及应用

张宝峰

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

航空发动机叶片加工中二次造型的研究及应用

张宝峰

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

摘要：航空发动机是一个国家工业实力的重要体现，尤其是近些年来，我国加大了对于航空工业的投入，使得我国的航空发动机实现了较大的发展。在航空发动机的加工制造中，叶片类零件属于薄壁类零件，在航空发动机叶片的加工过程中受到切削力的影响会导致航空发动机叶片在加工过程中出现一定程度的变形，从而导致航空发动机叶片的加工精度降低，影响航空发动机叶片的使用效果及使用寿命。通过在航空发动机叶片加工的过程中使用材料力学的分析法来对叶片的变形规律进行分析，并在此基础上提出通过采用二次造型的方法来对航空发动机的叶片进行加工以确保航空发动机叶片的加工精度。

航空发动机；叶片加工；变形；二次造型

航空发动机是飞机的心脏，其制造精度的高低对于航空发动机的使用性能有着极为重要的影响，其中航空发动机叶片由于属于薄壁类零件，其在加工的过程中容易受到切削力及材料的影响而导致航空发动机叶片出现一定的变形从而影响航空发动机叶片的加工精度。通过使用材料力学与有限元分析法找出航空发动机叶片在加工过程中变形的规律，并在此基础上对产生的叶片变形进行二次造型以提高航空发动机叶片的加工精度。

1.导致航空发动机叶片加工变形的因素分析

航空发动机叶片属于薄壁类零件，在航空发动机叶片的加工过程中会造成其加工变形的影响因素众多，这些影响因素相互影响相互制约工作共同影响航空发动机叶片的加工精度。现今在航空发动机叶片的加工变形的原因分析中多考虑的是加工中的弹性变形对航空发动机叶片加工所造成的影响。而在航空发动机叶片的加工过程中，采用数控补偿的方式来对航空发动机叶片进行加工时，毛坯件刚度不足所导致的航空发动机叶片加工变形是影响航空发动机叶片加工精度的主要影响因素。在对航空发动机叶片进行铣削加工时，加工所产生的铣削力会使得航空发动机叶片毛坯件产生一定的弹性变形，而当刀具完成了对于因切削力而导致变形的叶片部分时，叶片会弹性恢复，从而导致实际切削量偏少从而使得加工后的航空发动机叶片壁厚过大的加工误差，因此，在航空发动机叶片加工时因叶片变形会导致让刀而导致切削量较小从而造成超差。因此，通过分析航空发动机叶片加工时由于切削力而导致的航空发动机叶片变形的规律并在数控加工过程中予以相应的加工补偿以确保加工后工件弹性恢复后能够形成符合公差要求的弧面。

在分析航空发动机叶片加工过程中因切削力所导致的切削加工变形可以使用材料力学和有限元分析法来对相应的变形量进行分析。航空发动机叶片属于自由曲面，因此其截面形状极为复杂，因此在分析由于切削力所导致的变形量的计算上所使用的惯性积、惯性矩等的参数不能仅仅通过采用简单的代数运算算出，需要在分析航空发动机叶片参数的基础上采用数值积分的方式予以计算。在对叶片受力分析建立模型的过程中假定刀具切削过程中所产生的切削力的大小保持不变且航空发动机叶片在加工过程中所产生的变形主要是由弯曲和扭转两个主要因素所造成的，在分析航空发动机叶片沿长度方向的加工弯曲变形时，应忽略夹具对叶片所造成的影响。在刀具的加工过程中，刀具切削所产生的切削力会垂直于叶片表面形成向下的切削力，从而导致航空发动机叶片产生弯曲和扭转，因此假定造成航空发动机叶片变形的力主要是由于刀具所产生的垂直于航空发动机叶片表面的一个向下的作用力，此作用力会导致叶片变形并造成让刀从而影响航空发动机叶片的加工精度。

通过对航空发动机叶片加工过程中的受力变形进行建模分析可以推出航空发动机叶片的最大弯曲变形发生在航空发动机叶片叶身中间靠近顶尖端的部位，约在航空发动机叶片长度接近60%的部位。在切削力产生一个弯曲变形的同时也会在航空发动机叶片上产生一个扭转的作用力，其中扭转变形的特点是在航空发动机叶片截面的中间区域变形不大而在航空发动机叶片的缘头区域则会剧烈的增大。其中，航空发动机叶片的变形量主要与叶片的宽度有关，通过对航空发动机叶片的弯曲与扭转受力变形进行综合分析可以看出：航空发动机叶片从叶片的根部、叶尖直至航空发动机叶片的最大弯曲变形处这一弯曲变形量呈现出线性分布的特点，而航空发动机叶片的扭转变形则主要产生于叶尖端缘头处。在航空发动机叶片的截面内，从中部指向缘头区域，航空发动机叶片的扭转变形以二次曲线规律增大。通过对航空发动机叶片受力变形使用有限元进行建模分析验证，确保航空发动机叶片的加工变形量与分析结果相一致。

2.航空发动机叶片加工变形的解决措施

在航空发动机叶片的加工质量会受到切削力、刀具、毛坯件的质量等多种因素的影响，同时在完成了对于航空发动机叶片的加工变形后由于加工应力的释放会导致航空发动机叶片产生一定的弯扭变形。为解决加工所带来的加工误差，需要在总结分析航空发动机叶片加工过程中变形规律的基础上对航空发动机叶片进行二次造型以提高航空发动机叶片的加工精度。在对航空发动机叶片进行加工的过程中对弯扭变形后的叶片模型作为目标实体进行加工，从而使得叶片在加工前具有一定的反应变形用以抵消航空发动机叶片加工过程中由于切削力和热应力而导致的叶片变形，从而确保航空发动机叶片的加工精度。

结语

航空发动机叶片的加工是确保航空发动机加工质量的重要一环，本文在分析造成航空发动机叶片加工变形影响因素的基础上对如何做好航空发动机叶片的二次造型加工进行了分析阐述。

[1]克钦，张亚双.航空发动机叶片加工新工艺与可靠性分析[J].中国机械，2014（3）：92-93.

[2]刘维伟，张定华，史耀耀，等.航空发动机薄壁叶片精密数控加工技术研究[J].机械科学与技术，2004，23（3）：329-331.

[3]刘维伟，李杰光，赵明，等.航空发动机薄壁叶片加工变形误差补偿技术研究[J].机械设计与制造，2009（10）：175-177.

V225

A