航空发动机叶片加工变形分析与控制措施

修 娟

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

0 前言

航空发动机叶片是航空发动机中的重要组成部分，航空发动机叶片的机械加工量能够占到航空发动机加工量的30%及以上，航空发动机叶片所具有的复杂的外形及较高的精度一直困扰着航空发动机叶片的机械加工。据美国NASA的研究结果表明，航空发动机叶片表面粗糙度的降低和轮廓精度的提升分别能为航空发动机的性能带来3%～6%的提升。做好航空发动机叶片机械加工，提升航空发动机叶片的加工精度，可以在提高航空发动机工作效率的同时有效地降低航空发动机的油耗，从而使得航空发动机的经济性和适用性大幅提高。

1 航空发动机叶片的变形因素分析

我国航空发动机叶片所使用的材料经历了钛合金—镍基高温合金到—金属基次材料—陶瓷基复合材料的发展转变。而新型材料在硬度、耐高温、耐腐蚀性方面都有着相应的提升。在机械加工方面，航空发动机叶片机械加工中大量使用多轴联动数控机床，使得高刚性的复杂曲面加工精度得到了有效的保证，而弱刚性的航空发动机叶片在机械加工中受多种因素的影响而产生变形，极易导致加工精度超差，影响叶片的使用性能。

造成航空发动机叶片加工变形的原因主要有以下几点：

（1）航空发动机叶片在机床机械外作用力的作用下所导致的变形。（2）航空发动机叶片因装夹误差而导致的变形；（3）航空发动机叶片在机械加工中存在于航空发动机叶片中的残余应力所导致的变形。

航空发动机叶片最终的机械加工变形量是上述几种因素多种复合作用的结果。在现今的航空发动机叶片的机械加工中主要采用的是铣削加工，能够完成轮廓精度在0.05mm～0.07mm的航空发动机叶片的机械加工，而在高精度的航空发动机叶片尤其是针对高温合金涡轮叶片机械加工中，造成航空发动机叶片变形的各项因素中残余应力占据着极大的比重。做好航空发动机叶片变形的原因分析，并积极控制好航空发动机叶片机械加工中的残余应力，对于控制航空发动机叶片因机械加工所产生的变形有着极为重要的意义。

2 做好航空发动机叶片机械加工中的变形控制

现今对于航空发动机叶片机械加工变形的控制主要集中在装夹方式的优化、工艺的改进优化以及加工过程中的补偿和参数优化等几个方面，或是采用砂轮机高速磨削等方法。下面就几种常用的航空发动机叶片变形控制的方法进行分析介绍。

（1）针对航空发动机叶片因切削力而导致的变形，最简单的应对措施是优化航空发动机叶片的装夹定位和辅助支撑，使得航空发动机叶片从弱刚性转变为高刚性，从而减少航空发动机叶片在机械加工中的切削变形。现今这一方法在航空发动机叶片的机械加工中应用较多也是较为广泛。据相关研究表明，在航空发动机叶片的机械加工中，双端定位辅助装夹这一装夹方式对于提高航空发动机叶片在机械加工中的抗变形能力有着大幅提升。在航空发动机叶片的装夹定位中因定位装夹或是辅助支撑装置的制造误差对航空发动机叶片加工精度产生影响也是客观存在的。在航空发动机叶片装夹定位中对于装夹夹具有着极高的精度和稳定性要求。此外，采用装夹定位优化的方式能够有效地控制航空发动机叶片机械加工中因切削力而引起的“让刀”变形，但是在机械加工中，由于机械力的积聚所引起的残余应力在航空发动机叶片装夹约束装置消除后将会使航空发动机叶片产生较大的变形。装夹方式的优化能够用在一些残余应力变形较小的航空发动机叶片的机械加工中，而在航空发动机叶片的机械加工中需要根据航空发动机叶片的加工精度来确定航空发动机叶片装夹夹具及辅助支撑的精度。

（2）做好航空发动机叶片机械加工参数的优化。航空发动机叶片机械加工变形的最主要原因是其属于弱刚性，通过对航空发动机叶片的加工工艺进行优化，能够确定较良好的加工效果。传统的加工方法是逐层来剥除航空发动机叶片加工中的叶片加工余量。此外，利用对称加工工艺和自适应夹具控制能够有效地降低残余应力在航空发动机叶片中的堆积，从而使得残余应力对航空发动机叶片机械加工所造成的影响得到有效控制，将机械加工变形控制在可接受的范围内。通过优化航空发动机叶片机械加工中的加工工艺以及加工参数提高航空发动机叶片在机械加工中的刚性，提高航空发动机叶片的抗变形能力。此外，对于辅助装夹及辅助工艺参数应当加强研究，最大限度地降低因辅助装夹及辅助工艺参数不当造成的航空发动机叶片机械加工变形。对于因机械加工所导致的航空发动机叶片变形，可以通过热校正的方式来纠正航空发动机叶片在冷切削加工中出现的变形，从而提高航空发动机叶片的加工精度。

（3）做好航空发动机叶片的加工补偿。加工补偿是一种通过参数补偿来抵消航空发动机叶片因机械加工而产生变形量的加工工艺，通过抵消加工所引起的变形量，能够有效地提高航空发动机叶片的机械加工精度。这一方式利用建模分析对航空发动机叶片在加工过程中可能产生的变形进行模拟、仿真用以获取航空发动机叶片在稳定的加工工艺情况下的变形规律和变形分布。而后通过对航空发动机叶片在机械加工中出现的变形规律采取补偿措施来对航空发动机叶片机械加工出现的误差进行补偿，用以确保航空发动机叶片机械加工后能够具有良好的型面加工精度。这一方式能够在航空发动机叶片的大规模加工中取得良好的效果。但是需要注意的是应用补偿等方式在消除航空发动机叶片的变形误差时，航空发动机叶片误差规律的分析和补偿方式直接影响着航空发动机叶片的加工精度。在航空发动机叶片的机械加工中，导致航空发动机叶片加工变形的原因众多，而采用补偿方式时需要经过大量的试验后才能取得较为良好的补偿效果。

结语

航空发动机叶片的加工变形对于航空发动机叶片的加工质量有着较大的影响。现在我们应当积极做好航空发动机叶片机械加工变形的研究，通过研究掌握影响航空发动机叶片变形的原因并采取相应的措施控制航空发动机叶片的变形量，提高航空发动机叶片的加工精度。本文对航空发动机叶片在机械加工中产生变形的原因进行了分析并对航空发动机叶片机械加工的变形控制措施进行了分析介绍。