整體葉盤在發(fā)動機中的應(yīng)用

整體葉盤在發(fā)動機中的應(yīng)用

壓氣機轉(zhuǎn)向葉片零件是航空發(fā)動機的重要零件。它具有種類多、數(shù)量大、形狀復(fù)雜、加工精度要求高的特點。加工質(zhì)量直接決定了發(fā)動機的性能、安全和壽命損失。一般來說,壓氣機轉(zhuǎn)子類葉片加工的工作量要占整臺發(fā)動機葉片加工工作量的40%左右。隨著發(fā)動機設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)以及工藝技術(shù)的日益發(fā)展,各種新型轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn),因此如何滿足新形勢下的轉(zhuǎn)子葉片類零件的高效精密加工成為迫切需要解決的關(guān)鍵問題。目前,常見的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片類零件的加工方法有電解加工、精密鑄造、精密鍛造和數(shù)控加工等,不同的加工工藝方法都有相應(yīng)的優(yōu)缺點和適用的葉片類型。數(shù)控加工方法因在葉片類零件的加工中具有葉型精度高、波紋度小、加工柔性好、生產(chǎn)周期較短等特點,一直是中小批量葉片類零件首選的加工方式,在試制及批產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。隨著發(fā)動機對推重比、結(jié)構(gòu)可靠性和精度一致性要求的不斷提高,整體化結(jié)構(gòu)在發(fā)動機中的應(yīng)用越來越多,如整體葉盤在發(fā)動機風(fēng)扇、壓氣機等轉(zhuǎn)子部件上的廣泛采用。這類零件在結(jié)構(gòu)簡化、減重增效的同時也對制造工藝提出了更高的要求。另外,由于整體葉盤運行過程中經(jīng)常受到磨損、沖擊以及冷熱疲勞等作用,極易產(chǎn)生裂紋、腐蝕和磨損等缺陷,如何對存在缺陷和損傷的葉片進行修復(fù)加工,也逐漸成為發(fā)動機設(shè)計和制造人員關(guān)注的重點。壓氣機轉(zhuǎn)子葉片制造技術(shù)新一代航空發(fā)動機的推重比不斷提高越來越多的依賴于高比強度、低密度、高剛度和耐高溫的先進材料。目前鈦合金、高溫合金、樹脂基及金屬基復(fù)合材料和金屬間化合物等均被用于制造航空發(fā)動機壓氣機轉(zhuǎn)子葉片。與其他零件相比,葉片有其自身的形狀特點和性能要求,其制造技術(shù)有別于其他類零件。葉片的主要制造工藝過程分為毛坯制造和機械加工兩大階段,毛坯制造分為鑄造、鍛造等;機械加工工藝過程中除了機械加工外,有的還需要焊接、涂層、電加工和熱處理等。壓氣機轉(zhuǎn)子葉片的制造工藝主要有:(1)普通模鍛,拉、銑削榫頭,銑削葉身型面,拋光。該制造技術(shù)適用于各種材料與形狀尺寸的葉片。(2)精密鍛造,化銑,熱處理,數(shù)控加工榫頭(包括有阻尼臺葉片的阻尼臺)。該制造技術(shù)適用于鈦合金、高溫合金等各類葉片的制造。單葉片的毛坯通常采用模鍛件和精鍛件。模鍛件的突出優(yōu)勢是強度高,但葉身留有機加余量,在機加去余量時往往會破壞葉片葉身表面的部分流線,會影響葉片強度。與模鍛件相比,精鍛葉片存在強度高、機加余量小等優(yōu)點,從而大幅縮短加工周期,提高使用壽命。但由于葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜和精密鍛造技術(shù)的限制,部分葉片精鍛件的阻尼臺、前后緣等部位會留有部分加工余量,通常需要采用機加的方法去除。1銑削成形工藝葉片榫頭的常見加工方法有銑削和拉削,另外也有成形磨削和數(shù)控車削的加工方法,各種方法具有不同特點。對于榫頭結(jié)構(gòu)較為簡單的葉片,也可采用通用銑刀進行銑削成形。榫頭銑削加工生產(chǎn)準(zhǔn)備簡單、周期短,適用于材料切削性能較好、生產(chǎn)批量小的葉片。成形磨削加工生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長、費用較高,適用于材料切削性能差的葉片。數(shù)控車削加工生產(chǎn)準(zhǔn)備簡單、周期短,費用較低,適用于周向圓弧齒、材料切削性能好、生產(chǎn)批量較大的葉片。拉削是加工葉片榫頭的一種高效金屬切削方式,可以用于多種結(jié)構(gòu)葉片榫頭表面的加工,加工精度高、質(zhì)量好,生產(chǎn)批量大,廣泛應(yīng)用于葉片榫頭的加工中。2葉片數(shù)控加工數(shù)控加工方法適用于各類葉片的加工。復(fù)雜結(jié)構(gòu)單葉片的加工通常在多軸聯(lián)動數(shù)控加工機床上進行,通過機床各軸的連續(xù)運動獲得很好的加工柔性和表面加工質(zhì)量。面向單葉片的加工采用專用機床可以獲得較高的加工效率和加工質(zhì)量。葉片型面的數(shù)控加工多采用螺旋銑削方式。在粗加工階段,由于葉片剛性較好,可采用單面銑削的方式去除大余量。在半精加工與精加工階段,為保證型面加工質(zhì)量,多采用螺旋銑削成形的方法。對于開敞性較好的葉片,可將葉片裝卡在多坐標(biāo)機床旋轉(zhuǎn)軸上,沿葉片旋轉(zhuǎn)軸心線用頂尖固定,在葉片作旋轉(zhuǎn)運動時,刀具沿葉片表面走出的螺旋形狀軌跡加工出葉片。這種工藝方法可以采用球頭刀或環(huán)形刀端銑成型,其切削軌跡分布近似平行于葉片的截面線,并且加工過程中不存在橫向進刀,這樣的軌跡分布能夠?qū)崿F(xiàn)一次進退刀即可完成整個葉型的加工,因此是一種高效的葉片加工方案,有著良好的工藝連續(xù)性和高效性,并且適用于葉片的高速切削。3前后邊緣非配合面葉片阻尼臺的主要作用是形成環(huán)形支承,從而增加葉片剛性,阻尼臺上下側(cè)面及前后緣屬于非配合面,允許偏差較大;毗鄰面為配合面,加工精度要求較高,允許偏差較小。葉片阻尼臺的加工也可采用螺旋走刀方式,即刀具沿繞阻尼臺的螺旋軌跡進行加工,可以獲得較好的表面加工質(zhì)量以及阻尼臺與葉身型面之間的光滑轉(zhuǎn)接。“葉盤”一體化葉盤制造工藝為滿足新一代戰(zhàn)斗機以及未來新概念高推重比發(fā)動機性能要求,新一代航空發(fā)動機對其部件的氣動、結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及材料、工藝等方面提出了更高要求。作為提高發(fā)動機性能、簡化結(jié)構(gòu)、降低重量、減少故障率、提高耐久性與可靠性的重要措施之一,整體葉盤結(jié)構(gòu)在發(fā)動機的風(fēng)扇、壓氣機以及渦輪上被普遍采用。整體葉盤將葉片和葉盤通過先進的工藝做成一體,可以省去常規(guī)葉盤連接的榫頭和榫槽,使結(jié)構(gòu)大大簡化。葉盤的整體結(jié)構(gòu)增加了其生產(chǎn)制造的復(fù)雜性,對加工制造工藝提出了更高的要求。目前整體葉盤結(jié)構(gòu)制造采用的方法主要有線性摩擦焊、多軸數(shù)控加工與電加工技術(shù)等。1結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)盤線性摩擦焊接屬于固態(tài)連接技術(shù)。在線性摩擦焊接過程中,由于工件的高溫是通過兩配合面間的相互高頻振蕩產(chǎn)生的,焊接處的材料并未熔化,因而不會出現(xiàn)一般焊接中易發(fā)生的脫焊現(xiàn)象,連接處也看不出“焊縫”,且其強度與彈性均優(yōu)于本體材料。該技術(shù)可將兩種不同材料的葉片與輪盤焊接在一起,以獲得最佳的減重及性能效果。采用摩擦焊接制盤時,葉片根部和輪盤的連接處通常留有余量,焊接后采用機加方法去除。線性摩擦焊技術(shù)可使葉片和葉盤過渡區(qū)的晶粒組織變的很細,其靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)性能超過非焊接的基體材料。對于線性摩擦焊接整體葉盤,葉身型面部分通常所留余量較少,但在前后緣及葉片根部,為滿足摩擦焊接工藝的要求,留有較大余量。由于線性摩擦焊接時可能造成葉片相對輪轂的位置差異,如扭轉(zhuǎn)、平動等,需要先對焊接結(jié)果進行測量并與葉盤的理論模型進行配準(zhǔn),從而確定葉盤的余量分配、加工區(qū)域以及加工軌跡。2葉片加工過程采用數(shù)控加工方法可以將整體葉盤一次加工成形。由于葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為避免加工過程中的碰撞干涉、保證葉片型面加工質(zhì)量與加工過程的連續(xù)性,整體葉盤加工一般采用聯(lián)動性能好、動態(tài)性能優(yōu)異以及轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動范圍較大的五軸聯(lián)動機床進行加工。利用五坐標(biāo)數(shù)控加工方法加工整體葉盤的優(yōu)點在于加工柔性好、精度高,適合快速試制的要求。采用多軸數(shù)控加工方法加工葉盤時通常采用鍛造餅坯,其加工工藝方案如下:(1)分多層粗加工,使加工應(yīng)力逐步釋放,減少變形;為減小葉片變形和粗加工過程中的側(cè)向力,保證粗加工的安全和高效,通常采用插銑方法;(2)采用球頭刀進行葉片型面、輪轂面的精加工,并做清根加工。整體葉盤上葉片加工過程中的一個典型問題是變形和振動。整體葉盤的葉片通常很薄,在加工過程中為減少葉片型面的變形和振動,可以在相鄰葉片之間間斷澆注石蠟、低熔點合金或填充橡皮泥等,增加葉片的剛性。此外,也可合理設(shè)計銑削方案,如采用同步半精銑-精銑等方法,降低零件的變形和加工過程中的振動。3電加工技術(shù)整體葉盤的加工也可采用數(shù)控電解加工和數(shù)控電火花銑削加工技術(shù)。數(shù)控電解加工技術(shù)加工整體葉盤時工具陰極無損耗,無宏觀切削力,適合加工各種難加工材料和長、薄葉片及狹窄通道的整體葉盤,加工效率高,表面質(zhì)量好。美國GE公司20世紀80年代就開始使用電解加工技術(shù)進行整體葉盤的加工。此外,電火花銑削加工技術(shù)也可以用于整體葉盤的加工。電火花銑削采用類似于數(shù)控銑削的方法,使用銅質(zhì)材料等棒狀電極的連續(xù)運動去除工件材料,適合于高溫合金、鈦合金等難加工材料整體葉盤的加工。電火花銑削加工整體葉盤加工效率高、成本低,一般用于整體葉盤的粗加工中,以快速去除整體葉盤毛坯的大余量。面向修復(fù)的數(shù)控加工技術(shù)轉(zhuǎn)子葉片類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,材料主要是鈦合金、高溫合金等加工難度大的貴重金屬,生產(chǎn)制造周期長,成本高。如果加工過程中出現(xiàn)誤加工損傷或材料缺陷,就會影響零件的正常交付,甚至導(dǎo)致零件報廢。同時,這類零件在使用過程中,由于磨損、腐蝕、高溫、疲勞等因素必然出現(xiàn)局部損傷。為解決上述問題,近年來逐漸發(fā)展出針對葉片類零件修復(fù)的自適應(yīng)加工技術(shù)。修復(fù)技術(shù)是延長和提高航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件的使用壽命和運行效能、推動整體化結(jié)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。與常規(guī)的數(shù)控加工工藝不同,面向修復(fù)的數(shù)控加工技術(shù)存在的難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面:首先,服役過程中實際葉片類零件的形狀會發(fā)生變化,基于理論模型的數(shù)控加工軌跡無法直接用于修復(fù)加工。此外,零件破損部分的實際模型無法通過檢測手段獲得,需要通過破損部分的邊界提取和零件理論模型構(gòu)造修復(fù)區(qū)域的實際模型。同時,當(dāng)整體葉盤中需要更換幾個葉片時,更換后的葉片由于焊接精度及變形的影響可能造成修復(fù)加工余量嚴重不均勻的情況。因此,解決上述問題的關(guān)鍵在于必須根據(jù)葉盤修復(fù)毛坯的實際檢測結(jié)果對葉片的定位基準(zhǔn)、加工余量以及加工軌跡分布等進行綜合優(yōu)化?？梢?面向修復(fù)的多軸數(shù)控加工技術(shù)是數(shù)字化測量-計算機輔助設(shè)計-計算機輔助制造技術(shù)的一體化集成應(yīng)用,是一種自適應(yīng)加工技術(shù)。在對缺陷件進行焊接修復(fù)處理之后,需要進一步采用自適應(yīng)加工技術(shù)對焊接修復(fù)件進行加工。1快速定位功能快速高精度的數(shù)字化檢測技術(shù)是實現(xiàn)葉片類零件修復(fù)加工的基礎(chǔ)。為實現(xiàn)快速高精度檢測,必須根據(jù)轉(zhuǎn)子葉片類零件的結(jié)構(gòu)特點,確定待測區(qū)域、無干涉的測量路徑以及需要測量的最小點集。在得到測量結(jié)果的基礎(chǔ)上,與轉(zhuǎn)子葉片理論模型進行匹配,快速確定葉片的實際型面形狀。修復(fù)加工過程中的快速尋位與余量優(yōu)化是實現(xiàn)零件高效、精密修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于待修復(fù)零件的原有基準(zhǔn)可能發(fā)生磨損或變形,無法滿足修復(fù)精度的要求。根據(jù)測量數(shù)據(jù)與葉片理論模型的匹配結(jié)果,通過葉片特征點位的匹配,實現(xiàn)葉片類零件的快速定位。同時,結(jié)合葉片的實際形狀,通過對焊接部分模型的調(diào)整實現(xiàn)焊接后的余量優(yōu)化分布,以獲得更好的修復(fù)效果。3局部損傷的修復(fù)待修復(fù)的零件大多經(jīng)歷了長時間的服役工作過程或是加工過程中出現(xiàn)了缺陷,無論是零件的裂紋、破損還是工作過程中所產(chǎn)生的局部變形都可能對修復(fù)加工精度產(chǎn)生重要影響。因此,可以根據(jù)待修復(fù)零件當(dāng)前的實際形狀,基于葉片的理論模型,根據(jù)測量數(shù)據(jù)、尋位及余量優(yōu)化結(jié)果,自動提取破損區(qū)域邊界并進行待修復(fù)區(qū)域模型的重構(gòu),用于后續(xù)的代碼轉(zhuǎn)換。4系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路在重構(gòu)待修復(fù)區(qū)域的模型之后,建立重構(gòu)模型與葉片理論模型之間的映射關(guān)系,并根據(jù)該關(guān)系將理論模型的加工代碼進行自動變換,以用于重構(gòu)模型的加工。這種自動變換不需要對重構(gòu)模型進行重新加工編程,這樣便于聯(lián)機實現(xiàn)實時的代碼轉(zhuǎn)換,特別適用于整體葉盤上不同葉片具有不同缺陷情況的處理。航空發(fā)動機采用整體化結(jié)構(gòu)的必要性壓氣機轉(zhuǎn)子葉片類零件是航空發(fā)動機中的關(guān)鍵重要零件。隨著航空發(fā)動機性能的不斷發(fā)展,對這類零件的加工工藝與質(zhì)量要求越來越高。為滿足新一代航空發(fā)動機對高推重比、長航時要求的提高,迫切需要結(jié)合航空發(fā)動機制造行業(yè)的實際需求,開展以下幾方面的研究:(3)開展整體化結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)的預(yù)先研究。整體葉盤等整體化構(gòu)件是新一代航空發(fā)動機的核心零部件,先進的修復(fù)技術(shù)是延長這類產(chǎn)品服役壽命及修復(fù)后運行效能的關(guān)鍵技術(shù)。必須提前開展整體化構(gòu)件修復(fù)技術(shù)的研究,以滿足新一代戰(zhàn)斗機及大型運輸機的需求。(4)強化產(chǎn)、學(xué)、研、用合作的程度和渠道。充分發(fā)揮科研院所、航空制造廠家以及用戶單位的產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢,不斷提高我國航空發(fā)動機的整體制造工藝技術(shù)水平。隨著發(fā)動機對推重比、結(jié)構(gòu)可靠性和精度一致性要求的不斷提高,整體化結(jié)構(gòu)在發(fā)動機中的應(yīng)用越來越多,如整體葉盤在發(fā)動機風(fēng)扇、壓氣機等轉(zhuǎn)子部件上的廣泛采用。這類零件在結(jié)構(gòu)簡化、減重增效的同時也對制造工藝提出了更高的要求。另外,由于整體葉盤運行過程中經(jīng)常受到磨損、沖擊以及冷熱