一級(jí)專(zhuān)家、研究員級(jí)高工談葉輪葉片制造技術(shù)受益匪淺

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪葉片加工難點(diǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)葉輪（整體葉盤(pán)）、葉片加工難點(diǎn)與其葉型形狀結(jié)構(gòu)及加工質(zhì)量要求特點(diǎn)直接相關(guān)，葉型在整體上具有的不規(guī)則三維空間曲面形式，使得其加工方式上構(gòu)成了專(zhuān)業(yè)性質(zhì)，而其同時(shí)具有的薄壁形式，又成為曲面結(jié)構(gòu)精度要求達(dá)到始終不能避免的影響因素，葉型表面質(zhì)量近乎苛刻的要求，也是成型精度保證在加工方式選擇上必須考慮的問(wèn)題。

由于葉輪（整體葉盤(pán)）、葉片的葉型是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)中的高溫高壓的氣體介質(zhì)實(shí)施作用，受到離心、氣體沖刷與復(fù)合振動(dòng)等性質(zhì)的交變應(yīng)力作用，使得其材料性質(zhì)必須具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高耐疲勞性能及耐腐蝕等綜合性能，為此，零件材料就呈現(xiàn)了復(fù)雜的難加工性質(zhì)，從而加劇了其加工的更大難度。為了實(shí)現(xiàn)葉輪（整體葉盤(pán)）、葉片高質(zhì)量與高效的加工需求，其加工技術(shù)具有多專(zhuān)業(yè)、多種形式及持續(xù)性的創(chuàng)新發(fā)展，以適應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料改變所富裕功能不斷提高所具有的需求。多軸聯(lián)動(dòng)加工中心設(shè)備對(duì)葉片制造技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)1.

葉片型面凈成型制造技術(shù)的發(fā)展葉片制造傳統(tǒng)的高效加工技術(shù)發(fā)展，主要是體現(xiàn)在葉型的凈成型方面，即降低或完全去除葉型機(jī)械加工切削量（其中包含很多的手工鉗修打磨操作）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)加工效率的提升，其中具有代表性的技術(shù)是精鍛、輥軋與精鑄技術(shù)（見(jiàn)圖1）。圖1然而該幾種加工方式，由于受到加工模具精度水平與熱加工相關(guān)流程中需要手工修磨保證等，操作技術(shù)不十分先進(jìn)的因素限制，給葉片毛料生產(chǎn)帶來(lái)了很大難度，使其生產(chǎn)壓力具有很大的增加。

目前，隨著電加工、機(jī)械加工等的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展，以及機(jī)械手等先進(jìn)加工技術(shù)的日新月異，使得模具加工精度水平實(shí)現(xiàn)與熱加工相關(guān)流程中影響因素獲得了較好控制，從而使葉片葉型的凈成型加工獲得很好的提高發(fā)展；并且由于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削、磨削加工的發(fā)展，使得利用精鍛與輥軋形成葉型的進(jìn)排氣邊補(bǔ)充加工，也由原來(lái)的手工打磨方式改變?yōu)闄C(jī)械控制加工方式，加工質(zhì)量與效率水平也得到了促進(jìn)提高，使傳統(tǒng)的高效加工技術(shù)獲得了新的促進(jìn)發(fā)展。

2.

葉片加工快速反應(yīng)能力提升技術(shù)發(fā)展由于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控切磨削加工技術(shù)的發(fā)展，使得葉片制造適應(yīng)新機(jī)研制需求的快速反應(yīng)能力獲得了非常大的提升。傳統(tǒng)的葉片加工工藝，因?yàn)槿~片結(jié)構(gòu)上的不規(guī)則形狀，加工數(shù)量的成批性質(zhì)，以及設(shè)備功能的局限性，使得葉片的緣板、榫頭及型面等部位必須單獨(dú)進(jìn)行加工，加工工藝呈現(xiàn)很大的分散性，專(zhuān)用工裝多，工序長(zhǎng)，周轉(zhuǎn)多，效率低。該種加工方式對(duì)于新機(jī)研制而言所存在的弊端尤其難以令人接受，主要體現(xiàn)是生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，工序加工調(diào)試時(shí)間占比大，周轉(zhuǎn)與加工時(shí)間比例不協(xié)調(diào)，完全不能滿(mǎn)足新機(jī)研制所需的快速反應(yīng)要求。

隨著功能強(qiáng)大的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心設(shè)備的出現(xiàn)，葉片加工工藝的改變具有了非常良好的基礎(chǔ)。目前新機(jī)葉片研制的高效加工方式是，通過(guò)葉片兩端工藝凸臺(tái)的施加，使葉片能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成緣板、榫頭和型面幾乎全部位置的集成化加工，其專(zhuān)用工裝數(shù)量減少可達(dá)90%，加工周轉(zhuǎn)占比時(shí)間縮短可達(dá)80%，極大地提高了研制的快速反應(yīng)能力。比較典型的兩種集成化加工工藝方式如圖2、圖3所示。

圖2葉片數(shù)控五坐標(biāo)銑削加工中心設(shè)備集成化加工示意圖圖3渦輪葉片數(shù)控磨削集成加工示意圖3.

葉盤(pán)加工技術(shù)的發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4）的出現(xiàn)，很大層面的因素是由于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工設(shè)備與編程軟件控制技術(shù)的發(fā)展，盡管整體葉盤(pán)的粗加工開(kāi)槽方式先后出現(xiàn)了水切割、電火花銑削等方式（見(jiàn)圖5），但是由于整體葉盤(pán)、葉片之間流道所呈現(xiàn)的非線(xiàn)性且狹窄空間的特點(diǎn)，使得葉片型面幾何精度的最終保證，仍然主要依靠于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心設(shè)備的功能作用。圖4開(kāi)閉式整體葉盤(pán)示意圖圖5整體葉盤(pán)數(shù)控加工示意圖特種加工工藝對(duì)葉片加工技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)1.

葉片型面精密振動(dòng)電解加工技術(shù)發(fā)展葉片型面的多軸聯(lián)動(dòng)加工方式盡管能夠?qū)崿F(xiàn)較好的快速反應(yīng)能力，但其刀具的加工成本是非常大的，尤其對(duì)于高溫合金一類(lèi)的難加工材料而言，刀具損耗量幾乎可以占到成本的30%～40%，并且型面的成型加工是走刀軌跡的集成，加工效率的提升空間有很大的局限性。

而葉片型面精鍛、輥軋的凈成型加工技術(shù)，存在著加工變形、加工精度保證難度大的問(wèn)題，并且該兩種方式還存在進(jìn)排氣邊圓弧部分需要補(bǔ)加工的問(wèn)題，補(bǔ)加工部分與已有型面部分的交接完好程度保證難度也比較大。

目前，新型的振動(dòng)電解加工設(shè)備的出現(xiàn)，改變了型面加工精度保證、成本降低與效率提升之間的矛盾，其加工精度可達(dá)到0.02mm左右水平，由于加工是利用電極的全型面復(fù)映方式，葉片盆背兩側(cè)加工可以?xún)啥送瑫r(shí)進(jìn)給加工，效率水平高，并且理論上而言電極是不磨損的，因此，成本上也較低，但是對(duì)于葉片型面精度的達(dá)到，應(yīng)該是有一定難度的，需要對(duì)電解液、電解參數(shù)及電極精度等因素的匹配控制，對(duì)于大批量葉片加工具有優(yōu)勢(shì)。以多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心設(shè)備與精密電解加工設(shè)備所形成批量生產(chǎn)工藝，具有加工精度質(zhì)量得到可靠保證，并且具有高效率、低成本的特點(diǎn)，是葉片制造走向高質(zhì)、高效加工的有效途徑。

2.

葉片超塑成型加工技術(shù)發(fā)展目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片普遍采用小展弦比的寬弦葉片，其主要目的是增大單級(jí)葉片的氣動(dòng)效率，同時(shí)解決振動(dòng)與抗外來(lái)物打傷的能力，但是如果該種葉片采用傳統(tǒng)的制造方式則存在質(zhì)量大大增加的問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)難以承受大質(zhì)量葉片旋轉(zhuǎn)后形成的強(qiáng)大離心力。

為了解決相關(guān)問(wèn)題，目前的做法是將葉片做成空心或使用復(fù)合材料進(jìn)行制造，采用鈦合金進(jìn)行制造的一種技術(shù)是，葉盆和葉背為兩個(gè)分體的板片結(jié)構(gòu)，利用材料的超塑性能使用模具進(jìn)行成型，在成型的同時(shí)采用新型的擴(kuò)散連接焊接技術(shù)將分體結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體葉片，中部空心部分采用蜂窩夾芯進(jìn)行剛性加強(qiáng)，如圖6所示。

圖6

該種方式大大減輕了葉片的質(zhì)量，較好實(shí)現(xiàn)了小展弦比寬弦葉片的功能。采用復(fù)合材料進(jìn)行的葉片制造，是將連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料利用復(fù)雜的工藝制造成為多個(gè)面板，然后將多個(gè)面板按風(fēng)扇葉片尺寸要求制成疊合組件，最后利用超塑成形和擴(kuò)散連接形成為整體葉片，該種葉片質(zhì)量更輕、耐沖擊破壞強(qiáng)度更好，更好實(shí)現(xiàn)了寬弦葉片的功能。

3.

雙性能整體葉盤(pán)制造技術(shù)目前壓氣機(jī)部分的整體葉盤(pán)基本是盤(pán)體和葉片采用同種金屬材料，其制造基本是采用一個(gè)盤(pán)件的鍛件通過(guò)最終加工成形。而渦輪部分的整體葉盤(pán)則根據(jù)盤(pán)體和葉片工作環(huán)境差異，而采用不同的材料進(jìn)行制造，比較典型的是由高溫合金粉末盤(pán)與單晶高溫合金葉片復(fù)合成形為整體葉盤(pán)。在制造工藝上，高溫合金粉末盤(pán)與葉片分別采用熱等靜壓法和鑄造完成坯料制造，然后經(jīng)過(guò)機(jī)加工分別完成各自成形加工，最后采用以下之一的方式完成雙性能的整體葉盤(pán)制造，分別是：電子束焊接法、擴(kuò)散連接法、線(xiàn)性摩擦焊接法及鍛接法等，其使發(fā)動(dòng)機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)幾乎達(dá)到了極致完美狀態(tài)。

4.

葉片3D打印凈成型加工技術(shù)3D打印對(duì)于復(fù)雜的葉片坯料制造工藝改變具有非常大的意義，利用激光熔化燒結(jié)鈦合金、高溫合金粉末材料進(jìn)行的葉片坯料制造，改變了傳統(tǒng)鍛、鑄造工藝需要進(jìn)行模具制造，多道次的加熱鍛打，或進(jìn)行蠟型壓制、型殼制造及澆鑄等的眾多工藝環(huán)節(jié)，大大簡(jiǎn)化了制造流程，并且具有較迅速的快速制造能力。

目前3D打印技術(shù)進(jìn)行的葉片坯料制造，具有型面或空心內(nèi)腔表面實(shí)現(xiàn)凈成型，其他表面余量精確控制的狀態(tài)。然而，產(chǎn)品制造所需的粉末材料性能保證、坯料冶金缺陷質(zhì)量控制、熱處理等技術(shù)滿(mǎn)足使用要求的程度，仍然是制約工程化應(yīng)用的重點(diǎn)研究環(huán)節(jié)。但是隨著研究工作的不斷進(jìn)行，3D打印的葉片制造技術(shù)正在不斷完善，其應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越接近于成熟。結(jié)語(yǔ)葉片與葉輪是發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)氣動(dòng)性能與效率功能實(shí)現(xiàn)的直接作用部件，其非常大地決定了發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的功能性質(zhì)，多年來(lái)其材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)改變從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。伴隨著零件材料與結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性發(fā)展，其制造技術(shù)也呈現(xiàn)了多學(xué)科與