某增压级静子叶片加工技术研究

葛术宇　郭富丽

摘 要：叶片做为影响气动性能的主要部件，在发动机生产制造过程中占有举足轻重的地位。叶片的形状直接影响发动机的气流流动性能，近年来随着发动机性能的提升，叶片形状越来越复杂。本文论述了某增压级静子叶片的加工、检测难点及解决办法。

关键词：叶片；端弯；加工；检测

0引言：叶片是航空发动机的重要部件，是提供发动机动力的重要部件，在航空发动机制造中比重约占百分之三十。随着发动机技术的发展，叶片形状越来越复杂，这样给叶片的加工与检测带来极大困难。传统的加工、检测方法已经无法满足新型叶片的加工需要，为满足新型发动机叶片制造需要探索一种新的加工、检测方法势在必行。

1 技术条件分析

1.1 零件特性

该叶片叶根、叶尖相对于叶型积叠轴分别弯曲约30°和50°屬于端弯偏心叶片。叶片材料为钛合金属难加工材料

1.2 零件主要技术特性

缘板公差分别为0.03和0.04；叶身型面进排气边缘5mm长度内，型面轮廓度分别允许减薄0.02mm以内或增厚0.06mm以内；中间部位型面轮廓度分别允许减薄0.06mm以内或增厚0.06mm以内；叶型的允许扭转角度偏差值为±15′；叶身型面相对于积叠轴的位置度为？0.35；叶身型面表面粗糙度为Ra0.4。

1.3 类似叶片加工现状

传统类似叶片机加工艺使用大量专用夹、量具，研制周期长，而且多套夹具与测具装夹重复性差，加工精度难以保证；叶身型面依赖两次手工抛光保证叶型最终设计尺寸，加工过程受人为影响较大，叶片加工精度较低；型面测量采用型面测具、样板和推规、外卡，无法满足新一代叶片的检测需求。

2 缘板叶身一体化加工

2.1毛料形式的选择

就几何形状而言，叶片是由多个不规则几何体构成的多边体。如何在加工和测量过程中实现稳定装夹和精确定位是精密加工的关键，而叶片本身结构特点决定了其自身无法提供出便捷的可供精密加工的定位基准，需要借助“外来基准”，通过实际加工证明毛料预留工艺台是一种十分有效的方式。选用工艺台做为基准具有装夹稳定、加工基准统一、定位准确和节省工装数量、降低工装设计制造难度等优点。

2.2 工艺台的选择

在定制毛料工艺台时应从尺寸和相对位置来考虑。一般来说工艺台尺寸越大在后续加工过程中定位越准确。但工艺台大小受毛料锻造工艺、所要求叶身余量和制造成本等因素影响，总体说来工艺台横截面积不应大于最厚叶身处横截面积。工艺台对于叶身榫头的相对位置对于未来叶片加工尤为重要。因为叶片型面在数控铣削时为螺旋加工，首先要保证叶片中心线与机床回转中心重合，所以要靠虑到工艺台、夹具和机床回转中心之间的位置关系。其次应力求工艺台去除余量较小而且尽量没有台阶差。但是如果叶片叶尖部相对于榫头或缘板弯曲过大，那么就不应该强求工艺台之间不允许存在台阶差，否则会造成叶片延长部分过于弯曲而不利于加工。最后通过工艺台还要尽量保证叶片在旋转过程中的平衡性。

2.3 工艺台的加工

本级叶片工艺台采用数控铣的方法进行加工。从使用工装角度可分为快换工装和组合工装两种。组合工装的优点是所需夹具结构简单，缺点是需要变换不同的工位进行加工，所需工序较长，而且不同的加工顺序加工结果不同。这里应该注意的是在零件装夹过程中由于工艺台表面是毛料表面，如果在加工过程中采用工艺台互为基准的定位方式则定位表面应该采用“顶”的方式，夹紧面采用“压”的方式，而且压紧面应小于定位面，同时压紧力不应大于顶紧力。

2.4叶身、缘板一体化加工

一般来说叶身型面测量基准为缘板上的面，所以叶身与缘板之间有着严格的位置关系。叶身、缘板若分开加工可能会引进误差，同时由于缘板多为不规则形状，所以将会为装夹定位带来困难，而且也会加大工装的设计和制造难度。基于上述原因的考虑，在某增压级一级静子叶片研制过程中采用了缘板叶身一体化加工技术。该方法通过一次装夹完成缘板与叶身全部加工，有效地保证了叶身缘板之间的相互精度。

近年来叶片形状逐渐向弱刚性体、大扭角化发展，工艺设计的装夹方式和夹具系统的功能是解决叶片数控加工变形，保证数控加工精度的主要途径。

夹具充分考虑叶片变形等因素，力求在装夹过程中保持“自由”状态，有效减少了装夹带来的变形。叶片毛料状态时余量一般在1.5～2mm之间为了消除加工产生的应力，同时防止应力释放变形，需要在粗加工之后预留0.3～0.5mm的余量进行热处理。加工过程中，叶片缘板加工采用UG编程，叶身加工采用叶片专用软件编程，在加工过程中运用了数控无余量加工技术，改变了传统依靠抛光保证最终型面的加工模式。避免了因抛光产生的削边、方头和缩颈现象的产生，大大提高了叶片的气动性能。加工轨迹示意图如图2.6所示。加工顺序由刚性薄弱区向刚性好的区域进行加工。表2.8为叶身精加工顺序和所留余量

3 测量

公司多年以来已经形成了一套完备的叶型测量方案，型面测具、样板、推规、外卡和榫高型座是测量叶型的“标配”。但随着发动机技术的发展叶片形状向“端弯”、“扭转”化发展，叶型进排气边缘由圆型逐渐向椭圆形发展，传统的测量方法已经无法满足测量需要。在本次增压级一级静子叶片研制过程中采用了三坐标测量法，极大地提高了零件的检测精度和可靠性。该叶片三坐标检测技术包括基于CAD模型引导的非型面特征部位检测技术和Blade型面检测技术，前者用于测量安装板内侧面尺寸，后者用于叶片型面测量，两者的核心都是高精度坐标系的建立方法。

该叶片的装配基准为安装板和内侧面，测量坐标系则必须以此为主基准。安装板狭窄、面积小，叶身与安装板在径向长度之比高达20：1，以安装板为单一基准建立坐标系评价叶身会使位置度成倍放大，因此必须考虑在叶身上取一元素构建联合基准，这种基准小的叶片类似全叶型叶片，建立测量坐标系应使用迭代法.

从模型安装板周边、叶身及流道表面共取6个点，安装板上分布3点、叶身2点、流道表面1点作为理论点，建立0.01mm精度、5mm搜索半径的迭代坐标系。执行程序，对应着在零件上采集与6点相近的点，运行到坐标系命令后会反复采集，一直迭代至与理论点误差在0.01mm范围内。若零件加工的状态与模型理论差距比较大时，程序会提示超差，通过评价每个点的位置度来观察其X、Y、Z方向的偏离程度，视其对坐标系的影响程度来决定是否使用。6点分布在安装板、流道表面及叶型上，点数比重保证安装板为最大，流道表面选取1点，叶身取2点校正姿态，完全限制6个自由度。此方法已不再依赖工艺台为测量基准，不再受其精度限制，仅以加工后叶片本身为基准，解决了叶片作为自由曲面而难以测量的难题，可称谓一种通用的坐标系建立方法。叶片型面检测需要PC-DMIS、BLADE和BLADERUNNER三个软件配合才能完成，BLADERUNNER软件作为核心，调用PC-DMIS软件执行测量程序，调用BLADE软件对采集的数据进行评价，如图3.2所示。

完成一叶型测量必须准备坐标系文件、四个BLADE文件和通用测量程序。坐标系文件是坐标系建立程序执行完成后保存得一个*aln文件，在通用测量程序中通过调用外部坐标系来加载； 四个BLADE文件分别为理论文件、算法文件、公差文件和操作者文件，都是在BLADE软件中创建，PC-DMIS软件会调用其中文件内容完成循环测量；通用测量程序是一循环测量程序，会根据*nom文件中各截面数量及参数来完成测量。

4结论

在某增压级静子叶片的研制过程中，分别运用了缘板叶身一体化加工技术、随形夹具技术、数控无余量加工技术和三坐标测量技术。与传统方法比较，这些新工艺的推广应用能够极大地缩短加工周期，同时提高叶片的加工质量。