航空發(fā)動機(jī)葉片加工變形控制研究

1、航空發(fā)動機(jī)葉片加工變形控制研究摘要：航空發(fā)動機(jī)的性能很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計和制造水平,進(jìn)行葉片加工方法研究有助于提高該類零件的加工精度和效率。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,目前較大數(shù)量的葉片采用數(shù)控銑削工藝進(jìn)行加工,但銑削加工過程中易引起葉片的加工應(yīng)力變形,影響加工精度。文章分析了葉片加工過程中產(chǎn)生變形的主要原因，并提出了葉片裝夾方法優(yōu)化、加工參數(shù)優(yōu)化、葉片加工變形補(bǔ)償以及調(diào)整加工方法等方法進(jìn)行改進(jìn)。 關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；葉片；變形控制 1概述 航空發(fā)動機(jī)是航空制造業(yè)的核心技術(shù),航空發(fā)動機(jī)設(shè)計復(fù)雜、加工精度和可靠性要求高，是現(xiàn)代工業(yè)加工制造領(lǐng)域中的一道難題。攻克航空發(fā)動機(jī)加工制造中的各道難題將有

2、助于提升我國航空發(fā)動機(jī)的制造水平，提升航空發(fā)動機(jī)的性能。航空發(fā)動機(jī)葉片屬于具有復(fù)雜曲面的弱剛性零件，機(jī)械加工難度大，加工復(fù)雜，技術(shù)難度大。本文在分析影響航空發(fā)動機(jī)葉片加工質(zhì)量影響因素的基礎(chǔ)上對如何做好航空發(fā)動機(jī)葉片的機(jī)械加工進(jìn)行了分析介紹。 2葉片加工變形影響因素分析 作為航空發(fā)動機(jī)中的重要組成部分，全部葉片的加工量約占航空發(fā)動機(jī)全部機(jī)械加工量的60%，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)葉片型面越來越復(fù)雜，呈葉身扭曲彎度趨大，葉弦趨寬，葉身趨薄，前掠加大等特點(diǎn)，因此葉片復(fù)雜曲面加工困難，加工精度不易保證。本文從影響葉片機(jī)械加工的主要幾個影響因素分析，力求找到控制葉片加工變形的技術(shù)方法，從而減小葉片變形，提高機(jī)械加

3、工精度。2.1葉片受切削力作用。航空發(fā)動機(jī)葉片主要采用的鈦合金、鎳基高溫合金，是典型薄壁的弱剛性零件，其葉片扭角大，型面精度要求高,加之為確保航空發(fā)動機(jī)的性能某些航空發(fā)動機(jī)葉片需要做的很薄,某些型號的航空發(fā)動機(jī)葉片最薄處僅為0.8mm，尤其是對于進(jìn)排氣邊緣的葉片部分加工質(zhì)量要求更高、尺寸也更小，上述種種特性都為航空發(fā)動機(jī)葉片的加工帶來了極大的難度。葉片的材質(zhì)和尺寸特性決定了其所能承受的機(jī)械加工外力是有限的，一旦在銑削加工中其所受切削力作用過大，將會導(dǎo)致葉片產(chǎn)生彈性形變，就是我們常說的“讓刀”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)葉片的理論加工精度和實(shí)際加工精度之間產(chǎn)生一定的偏差,進(jìn)而影響葉片的加工精度。此外

4、，葉片所使用的材質(zhì)其抗塑性變形能力強(qiáng)，加之其還具有較強(qiáng)的耐磨、耐高溫特性，從而導(dǎo)致葉片的機(jī)械切削加工性能較差，較強(qiáng)的耐磨性將加大葉片切削加工中刀具的磨損速度，從而導(dǎo)致了刀具在使用一段時間后磨損嚴(yán)重，需要在加工中進(jìn)行多次刀具參數(shù)的校準(zhǔn)，如若不校準(zhǔn)將產(chǎn)生“讓刀”變形誤差，這一問題在葉片的葉尖和進(jìn)排氣邊緣等剛性較差的部位加工時表現(xiàn)的尤為明顯，其在機(jī)械加工后的彈性變形極為嚴(yán)重，進(jìn)而使得葉片的加工質(zhì)量受到極大的影響。2.2定位和裝夾誤差。葉片的裝夾也是影響葉片制造精度的重要因素之一。良好的葉片裝夾方法會提供良好的定位精度和穩(wěn)定性。但是實(shí)際加工過程中，葉片的裝夾將會在葉片上額外增加了機(jī)械作用力，過大的機(jī)械

5、外作用力作用于葉片上容易導(dǎo)致葉片因夾持力過大導(dǎo)致零件變形，影響葉片的加工精度。2.3加工表面殘余應(yīng)力。葉片機(jī)械加工過程中刀具將會在葉片上產(chǎn)生一定的作用力，這些作用力將以應(yīng)力的形式儲存其中。在葉片加工完成之后，原來毛坯中殘余應(yīng)力的“平衡狀態(tài)”被打破，葉片在應(yīng)力的作用下將會達(dá)到新的“平衡”，而殘余應(yīng)力的作用將會導(dǎo)致葉片發(fā)生一定的變形，殘余應(yīng)力過大將會導(dǎo)致較大的變形且這些變形量是不可控的?？傮w來說，在葉片切削加工的過程所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要為機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，且機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力是隨著機(jī)械加工而不斷累積的，為避免殘余應(yīng)力對航空發(fā)動機(jī)葉片的加工造成影響需要采取針對性的措施積極解決好應(yīng)力“堆積”問題。切削中

6、表面層金屬受熱膨脹產(chǎn)生的塑性變形受里層低溫金屬阻礙而產(chǎn)生應(yīng)力，在切削后的冷卻過程中，表層金屬體積收縮受里層金屬阻礙而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。 3加工變形控制技術(shù) 為改善葉片的機(jī)械加工特性，需要在分析上述影響因素的基礎(chǔ)上采取針對性的舉措控制葉片機(jī)械加工中的變形量，提高葉片的機(jī)械加工質(zhì)量。針對上述葉片變形的三個影響因素，下文將主要從葉片的裝夾方式、機(jī)械加工工藝及加工參數(shù)優(yōu)化、葉片加工補(bǔ)償和超硬磨料砂輪高速磨削等幾個方面對航空發(fā)動機(jī)葉片變形控制方法展開研究。3.1裝夾方式優(yōu)化。為提高葉片的剛性，通過對葉片加工變形量進(jìn)行模擬，找出葉片加工中的最大應(yīng)力部分變形區(qū)段，通過對相關(guān)區(qū)段進(jìn)行定位裝夾或輔助支撐，間接提高

7、葉片的剛性，在減小航空發(fā)動機(jī)葉片在裝夾力作用下所產(chǎn)生變形的同時增強(qiáng)葉片的抗變形能力，從而達(dá)到減小葉片受力變形提高精度的效果。另一方面采用低熔點(diǎn)材料，將融化的低熔點(diǎn)合金澆灌在葉片型面的四周，對其進(jìn)行輔助支撐。航空發(fā)動機(jī)葉片加工的幾何精度和型面精度要求越來越高，通過應(yīng)用5軸加工中心將有助于提高航空發(fā)動機(jī)葉片的加工精度，通過5軸加工中心實(shí)現(xiàn)一體化成型，減少多次裝夾所帶來的誤差。3.2工藝及加工參數(shù)優(yōu)化。在切削加工中，提高刀具的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度能夠有效的提高葉片加工表面的光潔度和表面質(zhì)量。銑削加工時由于切屑在較短時間內(nèi)被切除，絕大部分切削熱被切屑帶走，減少了工件的熱變形；其次，在加工中，由于切削層材料軟

8、化部分的減少，也可減少零件加工的變形，有利于保證零件的尺寸、形狀精度。另外，切削液的使用將能夠有效減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度，減少葉片內(nèi)部的熱應(yīng)力。合理使用切削液對提高刀具的耐用度和加工表面質(zhì)量、加工精度具有重要作用。在切削液選用的過程中需要綜合考慮切削液的特性、葉片的材質(zhì)以及加工中熱量和切屑的多少，從而合理確定切削液的流量。因此，在加工中為防止零件變形必須合理使用充分的切削液。利用加工余量分配調(diào)整加工工藝，增強(qiáng)葉片加工剛性，通過工藝手段使剛性增強(qiáng)也是控制葉片加工變形的有效手段之一。3.3葉片加工變形預(yù)測與補(bǔ)償。葉片的變形預(yù)測前提是需要對航空發(fā)動機(jī)葉片機(jī)械加工過程中葉片的受力建立模型，

9、并計算葉片在機(jī)械加工過程中的彈性變形量，通過將其與機(jī)械加工過程中刀具的運(yùn)動軌跡進(jìn)行對比，模型與刀具軌跡之間的差量就是有準(zhǔn)確的鍛件預(yù)測變形模型，并在模擬計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)葉片的具體結(jié)構(gòu)給出反變形量，通過直接將這些差量補(bǔ)償進(jìn)葉片的毛坯件中，可有效地解決葉片等復(fù)雜曲面鍛件加工余量不足，不均勻的問題。航空發(fā)動機(jī)葉片誤差補(bǔ)償加工也是一種基于反變形的思想，針對葉片在數(shù)控加工過程中出現(xiàn)的變形問題，通過對葉片切削力建模和葉片表層殘余應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)合刀具的運(yùn)動軌跡與葉片表層殘余應(yīng)力的分布規(guī)律來制定葉片機(jī)械加工中的誤差補(bǔ)償方案，葉片補(bǔ)償加工是作用于機(jī)械加工工藝參數(shù)的加工方式，同時也是目前應(yīng)用較為廣泛的葉片綜合變

10、形控制方式。葉片加工中的多次誤差補(bǔ)償通過在單次補(bǔ)償試切的基礎(chǔ)上，綜合考慮前次補(bǔ)償引起的再生變形，對葉片的變形補(bǔ)償量模型進(jìn)行多次反復(fù)修正迭代，通過這一個過程，不斷的縮小葉片加工誤差，直到葉片加工精度滿足相關(guān)精度要求。通過在葉片機(jī)械加工中進(jìn)行多次誤差補(bǔ)償加工，不僅能夠大大地提高加工精度，改善曲面加工質(zhì)量，減少葉片的加工廢品率，還能夠在一定程度上提升葉片的加工效率?？傮w來說葉片補(bǔ)償加工能夠達(dá)到補(bǔ)償葉片加工變形的目的。3.4采用超硬磨料砂輪高速磨削加工?，F(xiàn)在航空發(fā)動機(jī)普遍采用鈦合金和鎳基高溫合金，其材質(zhì)具有較強(qiáng)的耐高溫、耐磨削的性能?，F(xiàn)代超硬磨削技術(shù)所采用的磨料砂輪能夠有效的作用于葉片表面，通過磨削的

11、方式完成葉片的加工。高速磨削加工方式具有磨削能力強(qiáng)，耐磨性好，耐用度高，磨削力小，磨削溫度低等的特點(diǎn)，磨削應(yīng)力小、溫度低能夠有效減少作用于葉片機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，減少葉片的形變。同時磨削加工內(nèi)應(yīng)力小，無燒傷、裂紋等缺陷，能夠有效的提升葉片表面的加工質(zhì)量，是一種能夠很好地適應(yīng)發(fā)動機(jī)高性能葉片精密加工的需要的加工技術(shù)。超高速磨削可以對硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域磨削加工，而且對鈦合金、鎳基耐熱合金等難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。改善工件表面硬化程度和減小表面粗糙度值，改善表面完整性，因此超高速磨削顯示出極大的先進(jìn)性和優(yōu)越性，需要加強(qiáng)對于超高速磨削技術(shù)的研究與應(yīng)用，從而使得其在葉片加工領(lǐng)域中發(fā)揮出更大的作用。 4結(jié)束語 航空發(fā)動機(jī)葉片是航空發(fā)動機(jī)制造中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，本文通過分析航空發(fā)動機(jī)葉片加工變形的影響因素，在現(xiàn)有加工工藝基礎(chǔ)上影響航空發(fā)動機(jī)葉片加工精度的影響因素進(jìn)行了分析，針對葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)