中航商用航空發(fā)動機有限責任公司 閆 雪 韓秀峰

整體葉盤最初用于軍用低壓壓氣機，而后發(fā)展用于高壓壓氣機，目前商用航空發(fā)動機也越來越多采用整體葉盤結構。圖1[1]所示為整體葉盤在航空發(fā)動機中的應用發(fā)展趨勢。整體葉盤結構可以降低航空發(fā)動機重量，同時增加發(fā)動機工作效率，從而提升發(fā)動機推重比。同時，整體葉盤結構避免了榫頭、榫槽間的微動磨損、微觀裂紋、鎖片損壞等意外故障，大大提高了發(fā)動機工作壽命和安全可靠性。

商用航空發(fā)動機的整體葉盤主要應用于風扇及壓氣機，材料多為鈦合金和高溫合金鍛件，均屬于難切削材料，如圖2所示。

圖1 整體葉盤在軍用及民用航空發(fā)動機中的應用發(fā)展

整體葉盤結構復雜，葉片型面為自由曲面，且壁薄、剛性差，加工過程中易發(fā)生變形，通道開敞性差，加工過程中極易發(fā)生干涉。與傳統(tǒng)的盤片分離結構相比，整體葉盤的加工及維修難度更大，因此，加工及維修成本也相應提高。發(fā)動機整體葉盤的制造工藝和維修的復雜性是目前影響其應用與推廣的兩大主要因素。

整體葉盤從結構形式上分為整體式和焊接式兩類。焊接式是將復雜困難的葉形加工成單個葉片進行葉型加工，焊接精度和焊縫質(zhì)量與整體葉盤的性能和工作可靠性密切相關，對焊接工藝的要求很高，一般采用電子束焊、線性摩擦焊、真空固態(tài)擴散連結等[2]。

目前，整體式是整體葉盤的主要形式，即從整體的鍛造或鑄造毛坯加工出葉型。根據(jù)商用航空發(fā)動機的性能要求，一般采用鍛造工藝制造毛坯，加工方式主要有銑削加工及電化學加工，如圖3所示。整體葉盤的加工程序主要包括毛坯的粗/精車、通道粗加工、葉片型面半精加工和精加工等，其中材料去除余量大部分是通過通道粗加工完成。因此，實現(xiàn)通道高效粗加工，對于縮短整體葉盤制造周期、降低加工成本具有重要意義[3]。

圖2 典型商用航空發(fā)動機中的整體葉盤

圖3 整體葉盤加工方式發(fā)展

整體葉盤通道加工工藝方法

對于整體葉盤通道加工，可采用銑削加工、電火花加工、電化學加工等方法。下面對幾種工藝方法及其研究應用現(xiàn)狀進行介紹。

1 銑削加工（Milling）

銑削加工是目前最普遍的整體式葉盤加工工藝，對于通道加工，主要有側銑、插銑和擺線銑幾種不同的銑削方式。

1.1 側銑（Flank Milling）

傳統(tǒng)的整體葉盤通道粗加工采用分層側銑方式。圖4為側銑加工整體葉盤的示意圖，側銑加工時，刀具主要受徑向力作用，隨著通道銑削深度的逐步加深，刀具剛性變差，在徑向力的作用下刀具容易變形、產(chǎn)生顫振，導致刀具磨損加劇，加工效率低，嚴重時，刀具發(fā)生斷損，對保證生產(chǎn)安全和提高加工效率不利。

圖4 側銑加工整體葉盤示意圖

1.2 插銑（Plunge Milling）

(4)運用儀表控制，在各車間及生活區(qū)總閘處安設總電度表及分電度表，通過數(shù)據(jù)找出合理耗電量，制定嚴格耗電考核措施。

插銑是一種高效粗加工方法，被越來越廣泛地應用于大余量復雜結構件的粗加工過程。插銑又稱Z軸銑削法，加工過程中，刀具沿刀軸方向做進給運動，利用底部切削刃進行鉆、銑組合切削。如圖5[4]所示，ae為徑向切深，S為插銑側向步距。整體葉盤插銑粗加工采用直紋面逼近自由曲面，具有切削力相對穩(wěn)定、刀具振動小等特點。試驗研究證明，在增大側向步距的情況下，插銑仍能保持平穩(wěn)切削，而且刀具和零件的接觸面切削溫度低，十分適合進行鈦合金、高溫合金等難切削材料的高速切削，實現(xiàn)提高切削速度，降低刀具磨損，進而降低加工成本的目的。

圖5 插銑加工示意圖

1.3 擺線銑（Trochoidal Milling）

擺線銑加工過程中，刀具在自轉(zhuǎn)的同時，沿著由圓弧運動和直線運動合成的擺線軌跡進行走刀。擺線銑過程中刀具軌跡的參數(shù)方程為：

其中，v是刀具沿直線運動的進給速度，ω是刀具進行圓弧運動的角速度，R是刀具圓弧運動的軌跡半徑，t為切削時間。

實際刀具的開槽切削寬度L=2R+D（D為銑刀的有效切削半徑）。

采用擺線形走刀方式，可以減小刀具與工件的接觸角，在實現(xiàn)相對較低的刀具磨損量的同時，得到較高的材料去除率。圖6為擺線銑與傳統(tǒng)銑削開槽加工時的接觸角對比[5]。

2 電火花加工（EDM）

在航空發(fā)動機加工領域，電火花加工一般用于加工渦輪葉片的氣膜冷卻孔，但是隨著加工設備及技術的發(fā)展，電火花加工已經(jīng)逐漸擴展到其他加工領域。電火花加工整體葉盤主要有電火花成形加工（Sinking-EDM）和線切割開槽加工（Wire-EDM）。電火花加工過程中存在電極損耗，會影響成型精度，需要經(jīng)常更換電極，導致加工成本高，效率低下。同時加工表面的再鑄層對零件的疲勞強度會產(chǎn)生不利影響，限制了此加工方法的推廣使用。

圖6 擺線銑削與傳統(tǒng)銑削方法開槽加工時的接觸角對比

3 電化學加工（ECM）

電化學加工是利用金屬工件在電解液中發(fā)生陽極溶解的一種加工過程，如圖7所示。電化學加工具有工具陰極無損耗、無宏觀切削力、無熱影響區(qū)等特點，在加工難切削材料工件方面，具有明顯的優(yōu)勢。在整體葉盤電化學加工方面，目前主要有電解套料、仿形電解加工和數(shù)控電解加工等技術。

圖7 電化學加工示意圖

3.1 電解套料粗加工

電解套料加工最大的優(yōu)點是加工效率高，且加工過程穩(wěn)定，質(zhì)量一致性好。在英、美、俄等國家已有成熟應用，國內(nèi)航天企業(yè)也已普遍采用電解套料方法加工航天發(fā)動機整體葉輪[5]。采用電解套料進行整體葉盤通道加工，尤其是鎳基高溫合金整體葉盤，能夠充分發(fā)揮電解高效復制加工的優(yōu)勢。電解套料的局限在于只能加工等截面葉片整體葉盤，不能加工變截面扭曲葉片的整體葉盤。

3.2 仿形電解加工

仿形電解加工采用成形陰極，以拷貝的方式加工復雜型面，針對不同形狀和尺寸的型面設計不同的陰極。仿形電解加工可加工變截面扭曲葉片的整體葉盤，加工速度快，加工精度較電解套料加工高，但是由于工具陰極與工裝夾具的設計制造難度大，生產(chǎn)準備周期長，加工柔性低，一般不適合單件小批量生產(chǎn)，適用于批量生產(chǎn)。

3.3 數(shù)控電解加工

數(shù)控電解加工技術綜合了數(shù)控加工和電解加工技術的特點，通過計算機控制簡單形狀的陰極完成電解加工，在工具陰極無損、無宏觀切削力的情況下，以數(shù)控技術實現(xiàn)復雜葉片型面的加工，是一種優(yōu)質(zhì)、高效、具有快速響應能力的新加工技術，圖8所示為數(shù)控電解加工曲面的示意圖[6]。

電化學加工目前的局限性在于加工精度還不夠高，生產(chǎn)準備周期長，而且由于加工附屬設備較多，對設備的剛性和防腐蝕性要求較高，并且需要解決環(huán)境污染等問題[7]。

圖8 數(shù)控電解加工曲面示意圖

整體葉盤通道粗加工工藝性分析

1 加工效率分析

相比側銑，插銑具有更好的加工精度，同時可以提高切削速度，并增長刀具壽命。在國內(nèi)，西北工業(yè)大學針對整體葉盤插銑加工做了大量研究，驗證了插銑工藝的優(yōu)越性，并實現(xiàn)了工程應用[3-4]。通過直紋包絡面逼近整體葉盤葉片的自由曲面，采用插銑工藝進行整體葉盤通道粗加工，與傳統(tǒng)側銑加工通道相比，插銑工藝徑向切削力小（降低約60%），且分布比較均勻，能有效避免機床-刀具系統(tǒng)的振動，加工效率提升1倍以上，特別是對于刀具伸長量大的情況，效果尤其顯著。插銑能夠有效降低切削溫度，在加工鈦合金、高溫合金等難加工材料時，可大幅提高刀具耐用度，進而降低加工成本。

在擺線銑加工葉片通道的過程中，刀具的進給速度以及瞬時切屑厚度較小，在不同的圓弧運動周期內(nèi)，切削力穩(wěn)定，刀具不存在沖擊，因此，擺線銑能夠得到較好的加工質(zhì)量，可以用于對質(zhì)量要求較高的情況。擺線銑和插銑的共同特點是切削過程不連續(xù)，針對整體葉盤通道加工，擺線銑中刀具與零件接觸角遠遠小于插銑加工，也能夠大大降低刀具磨損率。但在相同加工工況要求下，擺線銑的加工軌跡與插銑相比要長很多，而且加工程序編制難度較插銑高，目前國內(nèi)尚未實現(xiàn)工程應用。

直流電化學加工或脈沖電化學加工的材料去除率在給定電解液和電流密度的情況下，只與材料的電化學加工性能相關。Klocke[8]通過試驗采用圓柱工具電極和外沖刷方式，研究了多種鈦合金及鎳基合金的電化學可加工性。Ti-6Al-4V等鈦合金的電化學有效材料去除率約為1.78mm3/(A·min)。對于鎳基合金，晶粒尺寸越細小，電化學的可加工性越好，Inconel 718等鎳基合金的電化學材料去除率約為1.51mm3/(A·min)。Klocke的研究顯示，粉末合金具有較好的電化學加工性，材料去除率范圍在 1.77～2.13mm3/(A·min)。

對于整體葉盤常見的兩種材料，Ti-6Al-4V和Inconel 718，不同加工工藝進行簡化通道粗加工的加工效率對比如表1所示[9]?？梢钥闯?，對于Ti-6Al-4V材料，銑削加工材料去除率最高，而對于Inconel 718材料，電化學加工材料去除率較高。

表1 整體葉盤通道加工不同工藝的平均材料去除率

2 經(jīng)濟性分析

對于商用航空發(fā)動機，制造成本是衡量工藝性的一個重要因素。整體葉盤的制造成本中，與原材料成本相比，加工成本占有很大比重，因此降低加工成本是降低整體葉盤成本的主要途徑。Klocke基于簡化的整體葉盤通道幾何模型，分析了擺線銑、電火花線切割、電化學加工Inconel 718和Ti-6Al-4V兩種材料整體葉盤通道的經(jīng)濟性，該研究針對批量生產(chǎn)的整體葉盤加工成本進行分析，認為對于Ti-6Al-4V的整體葉盤，銑削加工和電化學加工經(jīng)濟性最高，對于年產(chǎn)量超過400的Inconel 718材料整體葉盤加工來說，電化學加工是經(jīng)濟性最高的工藝，雖然電化學加工工具電極的設計制造成本較高，但在加工過程中損耗少，因此十分適合批產(chǎn)加工。

結束語

高性能商用航空發(fā)動機的發(fā)展越來越依賴于先進材料和工藝的進步。在保證發(fā)動機性能質(zhì)量和可靠性的同時，降低發(fā)動機制造成本和提高市場競爭力，對發(fā)動機關鍵零件的關鍵加工工藝提出了更高的要求。實現(xiàn)整體葉盤通道高效粗加工對于縮短整體葉盤制造周期，降低加工成本具有很重要的意義。本文分析了國內(nèi)外整體葉盤通道加工工藝方法的技術特點、研究進展以及工藝特點及經(jīng)濟性對比。通過分析可以看出，對于鈦合金整體葉盤，從工藝性及經(jīng)濟性考慮，銑削加工是適合的加工方法，并且插銑加工及擺線銑加工均可以用于通道加工。對于鎳基高溫合金材料的整體葉盤，電化學加工可以實現(xiàn)較高的材料去除率，對于批量生產(chǎn)的鎳基高溫合金材料的整體葉盤，電化學加工的經(jīng)濟性更好。

國內(nèi)針對整體葉盤通道粗加工進行了大量研究，其中插銑加工已經(jīng)實現(xiàn)了工程化應用，在刀軸控制、加工路徑設計和加工參數(shù)優(yōu)化等關鍵技術方面都取得了一定的進展。對于電化學加工，目前國外已經(jīng)實現(xiàn)成熟應用，而國內(nèi)仍處于實驗室研究階段，電極的設計技術、加工參數(shù)優(yōu)化技術以及加工質(zhì)量的控制技術等，與國外仍存在較大的差距。

[1]Bu?mann M, Kraus J, Bayer E. An integrated cost-effective approach to blisk manufacturing//Proceedings of 17th Symposium on Air Breathing Engines. München, 2005:1-9.

[2]黃春峰. 現(xiàn)代航空發(fā)動機整體葉盤及其制造技術.航空制造技術，2006(4)，94-100.

[3]任軍學,田衛(wèi)軍,田榮鑫,等.開式整體葉盤通道側銑粗加工技術的研究.機械科學與技術，2008，27(10)，1220-1224.

[4]任軍學,姜振南,姚倡鋒,等.開式整體葉盤四坐標高效開槽插銑工藝方法.航空學報, 2008, 29(6),1692-1698.

[5]張明岐，傅軍英.高溫合金整體葉盤精密振動電解加工方法的應用分析.航空制造技術, 2009(22), 26-29.

[6]吳建民，大直徑整天葉輪數(shù)控電解加工技術研究[D].南京:南京航空航天大學，2008.

[7]徐家文，云乃彰，嚴德榮.數(shù)控電解加工整體葉盤的研究、應用和發(fā)展.航空制造技術，2003(6):31-34.

[8]Klocke F, Zeisa M, Klinka A, et al.Experimental research on the electrochemical machining of modern titanium-and nickel-based alloys for aero engine components. Procedia CIRP, 2013(6):368-372.

[9]Klocke F. Technological and economical comparison of roughing strategies via milling, EDM and ECM for titaniumand nickelbased blisks. Procedia CIRP, 2012(6):98-101.