叶轮叶片抛光技术实践探索

林嘉诚

摘 要：叶轮叶片是航空发动机的核心零件，叶轮表面粗糙度及其微观形貌对发动机的压气效率、热导率和推重比等性能指标具有重要的影响。叶轮、叶片是航空发动机、汽轮机等装置核心的部件。由于其复杂的曲面结构、近乎苛刻的应用环境及所用材料的日新月异，使得叶轮、叶片成为最为典型的难加工结构件，也是国内制造业需要不断攻克的制高点。

关键词：叶轮;叶片;抛光;技术

航空发动机、燃气轮机叶轮（整体叶盘）、叶片加工难点与其叶型形状结构及加工质量要求特点直接相关，叶型在整体上具有的不规则三维空间曲面形式，使得其加工方式上构成了专业性质。叶轮既指装有动叶的轮盘，是冲动式汽轮机转子的组成部分。又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称，叶片设计曲面复杂，加工精度和表面质量工艺要求高，而叶片精加工过程后的抛光处理的高精度表面修形、制造工艺控制和技术方法是困扰国内叶片表面加工的难题。叶轮叶片为了减少气流能量损失，保持气流稳定，必须设计成比较复杂的三维弯扭曲面，正是由于这种不规则的复杂形状，为叶轮叶片的表面抛光带来了难度。

一、粗抛光

叶轮的叶片多为高温合金单晶或钛合金，单晶叶片大大提高了我国大推重比发动机的生产能力，叶片的温度承受极限每提升25℃就可以使其在原有温度下提升至原来寿命的4-8倍。传统的叶片加工工艺，因为叶片结构上的不规则形状，加工数量的成批性质，以及设备功能的局限性，使得叶片的缘板、榫头及型面等部位必须单独进行加工，抛光中的加工工艺呈现很大的分散性，专用工装多，工序长，周转多，效率低。手工抛磨不仅加工效率低、加工精度难以保证，危害工人身体健康，更关键的是，手工抛光质量对工人素质要求极高，在目前高技能工人数量严重不足的情况下，叶片生产生产时间较长，成本居高不下，不能满足低成本，大批量生产航空发动机叶片的迫切需求。叶轮叶片抛光需要一个很好的抛光技能来体现材料本质的性能，但日益精进的技术，创造出无法仿效的镜面精加工效果，从而使用叶轮叶片抛光解决等问题及各种形状复杂的精密零件。目前，随着电加工、机械加工等的多轴联动数控加工技术发展，以及机械手等先进加工技术的日新月异，使得模具加工精度水平实现与热加工相关流程中影响因素获得了较好控制，从而使叶片叶型的净成型加工获得很好的提高发展。

二、半精抛光

叶轮为航空发动机中的重要部件，其曲面特征会影响航空发动机的进气性，进而影响发动机的动力性。叶片是航空发动机中数量最大的零件类别，常常需要在极恶劣的环境下工作，因此叶片的加工精度和质量与发动机的表现是密不可分的。利用计算流体力学方法对磨粒流在不同磨料速度下抛光整体叶轮的加工过程进行了数值模拟，分析了静态压强、动态压强、湍动能、湍流强度和壁面剪切力对磨粒流抛光叶轮研抛作用。当砂轮砂带抛光技术被市场接纳之后，叶轮叶片逐渐进入一个半自动化的抛光时代。随着高速铣削技术、多轴尤其是五轴数控机床及CAM技术的不断发展，应用五轴联动数控机床进行叶轮加工，既可以保证刀具的球头部分对工件进行准确的切削，又可以利用其转动轴工作以避免刀具的刀体或刀杆部分与工件其他部分发生干涉或过切。砂轮抛光的原理是磨削加工，適用于复杂曲面及高精度要求，具有发热低、不易烧伤工件等优点。而砂带磨削从磨削领域独立出来之后，自成体系，具有“万能磨削”之称。在加工技术方面，除却传统的加工方式，3D打印技术的发展，也为叶轮的制造提供了更多方向与可能性。但无论是哪种材料，采用什么样的加工方式，叶轮的表面抛光都是一道必不可少的工序。叶片的表面光洁度每提升一个等级，叶轮的使用寿命就会延长7%或以上。

三、精抛光

由于叶片长期处于高温、高压等恶劣的工作环境下，且承受离心力、水或汽的交变应力作用，为保证叶片的使用可靠性和工作寿命，均采用高硬度、高强度材料制成。目前新机叶片研制的高效加工方式是，通过叶片两端工艺凸台的施加，使叶片能够实现一次装夹完成缘板、榫头和型面几乎全部位置的集成化加工，其专用工装数量减少可达90%，加工周转占比时间缩短可达80%，极大地提高了研制的快速反应能力。叶片的机械及加工主要采用叶片高速铣设备进行铣削和磨削，通常需要使用专门的叶片加工计算机生产加工的程序，才可以进行后续的加工过程。一般情况下，数控加工抛光会端在大余量的叶片型面。切削的加工需要以锻造毛坯为基础，经过一系列加工程序后，通过铣削的手段使毛坯符合最终尺寸。叶片在精加工后，为了满足表面几何尺寸精度和较高的粗糙度值，需要人工对表面进行打磨，满足叶片在进行试验时所需要的较高精度的测量数据。叶轮叶片抛光只是工业制造工艺中很小的一个环节，但从这个小环节中也能管中窥豹，叶轮制造工艺体现了一个国家在材料科学、加工技术以及制造装备领域的综合能力。以多轴联动数控加工中心设备与精密电解加工设备所形成批量生产工艺，具有加工精度质量得到可靠保证，并且具有高效率、低成本的特点，是叶片制造走向高质、高效加工的有效途径。

四、结论

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，为航空器提供飞行所需动力的发动机，其制造过程十分复杂，发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。叶片与叶轮是发动机和燃气轮机气动性能与效率功能实现的直接作用部件，其非常大地决定了发动机和燃气轮机的功能性质，多年来其材料技术、结构技术改变从来没有停止过。所以，不断通过开发抛光叶轮叶片的磨料表面抛光强化设备及工艺，能够显著地提高叶片表面质量和几何精度，提高叶轮试验数据准确性。

参考文献：

[1]季田，离心压缩机窄流道闭式叶轮抛光工艺研究[J];金刚石与磨料磨具工程;2007年06期

[2]刘向东，离心压缩机叶轮流道磨料流抛光及其对压缩机效率的影响[J];组合机床与自动化加工技术;2009年03期