李文輝，溫學杰，李秀紅，張 演

（1. 太原理工大學航空航天學院，晉中 030600；2. 精密加工山西省重點實驗室，太原 030024；3. 太原理工大學機械與運載工程學院，太原 030024）

先進航空發(fā)動機的加工制造水平是國家綜合科技水平、工業(yè)基礎實力和綜合國力的重要標志[1]。整體葉盤作為航空發(fā)動機的核心零件，創(chuàng)新性地將葉片和輪盤作為整體結構，取代了傳統(tǒng)的榫頭榫槽結構，減少了零件數量，使結構大為簡化，同時便于裝配平衡，工作效率和可靠性也得到提升[2]。與傳統(tǒng)結構相比，整體葉盤結構重量可減輕約50%[3]；GE 公司研制的F414 發(fā)動機采用了5 級整體葉盤結構，使其推重比提升至9.1[4]。目前，整體葉盤結構已在YF22、FA18、F22A 等戰(zhàn)斗機和波音787、空客A380 等客機上得到應用[5]。國家在“兩機”專項、《中國制造2025》、“十三五”科技重大專項等重大戰(zhàn)略規(guī)劃中都重點強調了上述高端裝備制造的重要地位[6]。

表面完整性是從加工表面的幾何紋理狀態(tài)和物理力學性能變化等方面來評價和控制表面質量的技術指標，主要包括表面粗糙度、表面殘余應力、表面紋理等[7]。整體葉盤長期服役于高溫、高壓、高速的復雜工況下，其表面完整性對發(fā)動機的服役性能和壽命影響巨大。例如，葉片表面粗糙度增大是發(fā)動機性能下降的重要原因[8]；Gilge 等[9]發(fā)現壓氣機葉片粗糙度增大會導致壓力升高，增加發(fā)動機的燃油消耗率；Liu等[10]通過試驗研究了葉片表面粗糙度對壓氣機性能和噪聲的影響，結果表明，隨著葉片表面粗糙度的增加，壓氣機總壓比和等熵效率逐漸降低，總噪聲級增加，當發(fā)動機轉子葉片的加工精度從60 μm 提高至12 μm，表面粗糙度Ra由0.5 μm 降至0.2 μm時，發(fā)動機的效率將從89%提升至94%[11]；同時，表面粗糙度增大還會導致抗疲勞性、抗腐蝕性降低，而表面殘余壓應力能夠阻礙裂紋擴展，延長其疲勞壽命[12–13]。

整體葉盤制造工藝技術包括近凈成形毛坯制造技術、精確成形技術和表面成性技術[14]。精確成形制造主要依賴于精密加工技術的發(fā)展，但成形加工后，整體葉盤的表面完整性仍不滿足使用要求。例如，數控銑削后表面粗糙度Ra在1.6 μm 左右，存在加工紋理和接刀痕，且表面存在殘余拉應力[15–16]；電解加工后表面粗糙度Ra可達0.6 μm，且加工穩(wěn)定性不易控制[17]；電火花適用于加工閉式整體葉盤，加工后表面粗糙度Ra在0.8～1.6 μm，表面存在殘余拉應力，且表面存在重熔層、微裂紋等缺陷[18–19]。

目前，表面完整性已成為制約整體葉盤質量提升的難題。針對整體葉盤成形加工后不滿足使用要求的問題，本文從整體葉盤的材料特性、結構特征、加工要求3 個層面總結分析了整體葉盤的拋磨特點；對整體葉盤現有拋磨工藝 （手工拋磨、數控拋磨、磨粒流拋磨、磁力研磨、滾磨光整加工）的發(fā)展歷程、研究現狀、拋磨效果、技術優(yōu)勢與局限性進行了綜述，并提出了整體葉盤拋磨技術的發(fā)展趨勢，為高性能整體葉盤的成性制造提供了研究思路與方向。圖1 為研究內容結構圖。

圖1 研究內容結構圖Fig.1 Structure chart of research content

1 整體葉盤拋磨特點

整體葉盤長期處于高溫、高壓、高速環(huán)境下，受離心載荷、氣動載荷、高周疲勞載荷等多種載荷作用，容易產生外物損傷失效、腐蝕失效、疲勞失效等[20–21]。圖2[22]為葉片失效原因統(tǒng)計，可見葉片的材料、加工技術等對其使用壽命有很大影響。隨著航空發(fā)動機服役性能和壽命要求的持續(xù)提升，對整體葉盤的材料、結構和加工質量提出了更高的要求，其拋磨特點包括難加工的材料特性、復雜的結構特征和較高的加工要求。

圖2 葉片失效原因統(tǒng)計[22]Fig.2 Statistical of blade failure causes[22]

1.1 材料特性

整體葉盤常用材料包括鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復合材料等，具體牌號如表1 所示，不同的材料對拋磨過程影響不同。由于鈦合金導熱系數小，與磨具材料的化學親和性較強，容易造成磨屑黏附，還會形成較大熱應力，造成局部燒傷或變形[23–25]；高溫合金中鈷、鉻、鉬等強化元素含量較高，高溫強度高，且導熱系數小，容易造成表面燒傷[26–27]；不銹鋼導熱系數小，線膨脹系數較大，在拋磨過程中容易引起表面燒傷或變形[28–29]；復合材料導電性能低、硬度高、脆性大，拋磨過程中易造成磨具磨損，且容易導致表面燒傷、產生表面拉應力等[30]。針對不同的材料，需要選擇合適的拋磨工藝以實現難加工材料的高效率、高質量去除。

表1 整體葉盤常用材料Table 1 Blisk commonly used material

1.2 結構特征

如圖3 所示，整體葉盤在結構上呈現出葉片厚度薄且薄厚不均、葉型復雜、彎扭度大、葉展長、流道深且窄等結構特征，使得整體葉盤拋磨的難度和成本大幅增加。整體葉盤葉片型面為復雜自由曲面，薄厚不均使得其加工余量分布不均勻，磨具系統(tǒng)讓刀現象嚴重；葉片厚度薄，使得其剛性差，在拋磨過程中極易發(fā)生變形，從而影響表面質量和型面精度；進排氣邊厚度更薄，如大型風扇整體葉盤葉片進排氣邊厚度約0.3 mm，小型壓氣機葉盤葉片厚度甚至可達0.1 mm，在拋磨過程中易發(fā)生過拋現象；由于流道深且窄的特點，磨具系統(tǒng)的可達性差，在拋磨過程中磨具易與葉片發(fā)生干涉，使得整體葉盤葉根處及流道面的拋磨效果較差[30–33]。

圖3 整體葉盤Fig.3 Blisk

1.3 加工要求

由于整體葉盤的表面完整性和型面精度對航空發(fā)動機的服役性能和壽命影響巨大，使得其具有較高的加工要求。圖4 為整體葉盤拋磨部位示意圖，包括葉盆型面、葉背型面、進氣邊、排氣邊、葉端、輪盤端面、輪盤流道面等，其拋磨要求如下：葉片全型面表面粗糙度Ra低于0.4 μm，輪盤流道表面粗糙度Ra低于0.8 μm，輪盤端面Ra低于1.6 μm；輪盤端面輪廓度0.1 mm、流道面輪廓度0.2 ～ 0.4 mm；壓氣機整體葉盤葉片型面輪廓度為– 0.03 ～ + 0.05 mm，風扇整體葉盤的葉片型面輪廓度為– 0.12 ～ + 0.08 mm；材料去除深度為0.002 ～ 0.020 mm；表面殘余壓應力在– 800 MPa 左右[30，34–36]。

圖4 整體葉盤拋磨部位示意圖Fig.4 Schematic diagram of the polishing parts of blisk

2 整體葉盤拋磨技術

目前整體葉盤拋磨技術包括手工拋磨、數控拋磨 （數控拋光輪拋磨、數控砂帶拋磨、機器人輔助拋磨）、磨粒流拋磨、磁力研磨、滾磨光整加工等。手工拋磨依靠技術人員利用手持式砂帶或砂輪拋光機對整體葉盤進行拋磨，最終的表面質量主要取決于工人的經驗和技能，且拋磨效率低、勞動強度大、加工質量不穩(wěn)定，因此迫切需要發(fā)展其他拋磨技術以適應整體葉盤日益增長的需求。

2.1 數控拋磨

數控拋磨是利用多軸數控機床或機器人等夾持拋光輪、砂帶等磨具，根據整體葉盤結構特征，執(zhí)行一定的運動軌跡，從而實現對整體葉盤型面的數控拋磨。根據數控設備和磨具的不同，數控拋磨分為數控拋光輪拋磨、數控砂帶拋磨、機器人輔助拋磨等。

2.1.1 數控拋光輪拋磨

20世紀80年代美國開始研究整體葉盤的數控CBN 砂輪拋磨技術，到20世紀末，美國HUFFMAN公司已開發(fā)出了系列化的砂輪和砂帶磨削機床。在國內，北京航空航天大學提出了利用CBN 砂輪實現整體葉盤及其葉片型面的拋磨方法，并研制出QMK50A 和QMK100 兩種型號的五軸聯動磨床[37]。中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司黎先才等[16]從拋光輪結構、拋磨軌跡及工藝參數等方面對中小型整體葉盤進行拋磨研究，拋磨后銑削紋理被完全去除，表面粗糙度Ra小于0.4 μm。中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司陳雷等[38]針對窄流道整體葉盤構型特征，分別設計了用于拋磨葉片型面、流道及葉根處的拋光輪，拋磨后表面粗糙度Ra小于0.4 μm。

北京航空航天大學陳志同教授團隊從拋磨工藝、拋磨軌跡、拋光輪設計等方面對數控CBN 砂輪拋磨整體葉盤工藝進行研究：Li 等[39]采用電鍍CBN 砂輪對GH4169 整體葉盤進行拋磨試驗，拋磨后葉片表面顯微硬度為538.6HV，殘余壓應力可達–1200 MPa，顯著提高了表面完整性；Zhu 等[40]研究了插磨加工、螺旋加工、寬行加工3 種拋磨軌跡對整體葉盤的拋磨效果；徐汝鋒等[41]采用分層對稱周磨、分層對稱插磨、螺旋周磨和對稱插磨4 種拋磨軌跡對GH710 整體葉盤進行拋磨，4 種拋磨軌跡如圖5 所示；Zhang 等[42]提出一種近凈成形整體葉盤葉片前后緣的五軸自適應加工方法，拋磨后葉片前后緣尺寸精度滿足加工要求，表面粗糙度Ra在0.3 μm 左右。

圖5 拋磨軌跡簡圖[41]Fig.5 Diagram of polishing trajectory[41]

由于CBN 砂輪磨削力較大，拋磨過程中砂輪和葉片為剛性接觸，不僅容易引起葉片變形，還可能出現過拋現象，嚴重時導致整體葉盤報廢。為此，西北工業(yè)大學自主研發(fā)了“五軸數控+柔性磨頭+彈性磨具”的拋磨裝置用于整體葉盤拋磨，裝置示意圖如圖6（a）所示[30]。該機床采用龍門式結構，X、Y、Z為直線坐標軸，為磨具提供3 向直線運動；A、C為旋轉坐標軸，A軸實現磨具提供擺動，C軸實現工作臺旋轉從而帶動整體葉盤做旋轉運動。為實現柔性化，設計了浮動主軸機構，如圖6（b）所示[30]，通過調節(jié)氣缸流量來調節(jié)拋光力的大小。

圖6 整體葉盤拋磨裝置示意圖[30]Fig.6 Schematic diagram of the blisk polishing device[30]

西北工業(yè)大學史耀耀教授團隊對拋磨工藝參數和砂布輪軌跡進行優(yōu)化研究：Zhang 等[43]采用響應曲面法建立表面粗糙度與砂布輪直徑、接觸力、主軸轉速、進給速度等參數的預測模型，優(yōu)化后葉片表面粗糙度Ra在0.4 μm 以下，拋磨前后對比如圖7 所示；Huai[44]和Lin[45–46]等利用正交試驗和響應曲面試驗確定了表面粗糙度Ra、材料去除深度和表面殘余應力對拋磨參數的敏感性和相對敏感性程度，得到較優(yōu)的拋磨參數區(qū)間，拋磨后表面粗糙度Ra為0.32 μm，材料去除深度為2 μm 左右，殘余壓應力可達–786.62 MPa；淮文博等[47]基于砂布輪拋磨原理提出了拋磨效率優(yōu)化方法，通過灰色關聯度分析獲得較優(yōu)的工藝參數，拋磨時間為32 min，表面粗糙度Ra由0.96 μm 降至0.37 μm；Huai 等[48]提出了一種砂布輪拋磨路徑軌跡規(guī)劃方法，給出了偏移曲面、拋磨間距、拋磨步長和刀軸矢量的計算公式，使得拋光輪在拋磨過程中與葉片有效貼合，且拋磨力的方向和大小基本相同；Wang 等[49–50]建立了砂布輪拋磨曲面的物理模型，分析了砂布輪位置對壓縮量偏差和晶粒軌跡的影響規(guī)律，在此基礎上提出砂布輪位置優(yōu)化方法，拋磨后表面粗糙度Ra可達0.20～0.25 μm。

圖7 砂輪拋磨前后整體葉盤表面形貌對比[43]Fig.7 Comparison of surface morphology of blisk before and after grinding wheel polishing[43]

2.1.2 數控砂帶拋磨

重慶大學黃云教授團隊對砂帶拋磨整體葉盤開展了大量研究：基于整體葉盤構型特征，程榮凱[51]分析了整體葉盤砂帶磨削特點，在UG環(huán)境下探究了整體葉盤多磨頭式、刀庫式、內外弧砂帶磨削及機器人磨削方案的優(yōu)缺點，得到整體葉盤全型面磨削集成裝備；張疊[52]進行整體葉盤砂帶當量磨削試驗，得出當量磨削對表面質量的影響規(guī)律；為保證整體葉盤的加工均勻一致性，肖貴堅等[53]提出一種砂帶磨削新方法，基本原理如圖8 所示，運用該方法對整體葉盤葉片型面進行拋磨，加工后表面粗糙度Ra低于0.25 μm，表面殘余應力為–200 ～ –400 MPa，均勻一致性較好；劉秀梅等[54]分析了數控砂帶拋磨整體葉盤葉身、葉緣和葉根部位的過程，提出了帶有壓力反饋的磨削壓力控制系統(tǒng)來實現磨削變形的控制，葉身和葉根部位拋磨前后對比如圖9 所示；Xiao[55–56]和梅科[57]等利用ANSYS 等軟件對砂帶磨削過程仿真，分析各工藝參數對拋磨過程中振動現象的影響規(guī)律。

圖8 砂帶拋磨新方法基本原理[53]Fig.8 Basic principle of new abrasive belt polishing method[53]

圖9 葉片型面和葉根拋磨前后對比[54]Fig.9 Comparison of blade profile and blade root before and after polishing[54]

為消除多次定位和裝夾產生的誤差，吉林大學張雷教授團隊設計了一種用于整體葉盤拋磨檢測一體化的砂帶拋磨裝置，裝置分為基礎結構、工作臺模塊、加工模塊、檢測模塊、數控系統(tǒng)和冷卻潤滑系統(tǒng)，可實現整體葉盤的拋磨加工和檢測一體化功能[58–59]。在該設備基礎上，高亞鵬[60]基于模糊PID 控制方法開發(fā)恒壓力拋磨控制軟件，并通過試驗證明了該方法的有效性。賀昌龍[61]針對葉片葉身、葉緣和葉根部分不同的特征，分別設計了專用的拋磨工具。袁強[62]對整體葉盤的拋磨和測量軌跡進行了規(guī)劃，并進行整體葉盤砂帶拋磨試驗，驗證了該裝置拋磨系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)的性能。

2.1.3 機器人輔助拋磨

工業(yè)機器人已應用于搬運、噴涂及焊接等簡單作業(yè)和尺寸測量、磨削等精密作業(yè)，在航空航天、汽車、船舶等領域有著廣泛的應用前景[63]。機器人具有靈活性強、通用性強、智能化、操作空間大等優(yōu)點，已被應用于整體葉盤的拋磨加工中。美國ACME、HUCK 等公司采用機器人砂帶拋磨整體葉盤[30]。對于國內而言，各高校主要將機器人應用于單個葉片的拋磨加工中[64–66]，對于整體葉盤的機器人拋磨研究較少。中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司李飛等[67]利用等弦誤差法對整體葉盤機器人砂帶拋磨軌跡進行優(yōu)化，優(yōu)化后整體葉盤加工效率提高42.9%，表面粗糙度Ra可達0.26 μm，其表面紋理較均勻一致，拋磨后表面形貌如圖10 所示。華中科技大學嘗試將機器人拋磨技術應用于整體葉盤拋磨，李鼎威[68]提出了規(guī)劃接觸力方向角的力控方法，并進行了仿真分析和試驗驗證。陳霖[69]搭建了整體葉盤機器人拋磨系統(tǒng)，并基于葉片曲面主曲率特征對拋磨軌跡進行規(guī)劃，對拋磨力、轉速和進給速度等參數進行優(yōu)化和拋磨試驗驗證。

圖10 機器人拋磨后表面形貌[67]Fig.10 Surface morphology after robot polishing[67]

隨著數控技術的蓬勃發(fā)展，整體葉盤數控拋磨裝置已逐漸走向成熟，國內眾多高校從拋磨工藝參數優(yōu)化、拋磨軌跡規(guī)劃、拋磨工具設計等方面對整體葉盤數控拋磨技術開展研究。但由于砂帶和砂輪易磨損、拋磨過程中易發(fā)生顫振等問題導致整體葉盤各部位的接觸狀態(tài)、受力情況、運動軌跡發(fā)生變化，從而使得加工均勻性變差；且拋磨工具易與葉片之間發(fā)生干涉，使得葉根處的拋磨效果較差。為解決這些問題，應當分析拋磨過程中的顫振遠離，并采用數控編程技術、拋磨工藝參數優(yōu)化、提高系統(tǒng)剛性等方式抑制拋磨過程中的顫振作用；基于力控原理控制拋磨工具與整體葉盤之間的接觸力，從而實現各區(qū)域具有相同的材料去除率；通過無干涉拋磨路徑規(guī)劃、拋磨軌跡運動仿真等技術避免拋磨過程中的軌跡干涉問題。

2.2 磨粒流拋磨

磨粒流拋磨是指磨料介質在壓力作用下沿著夾具與整體葉盤形成的特定流道運動，使磨粒與整體葉盤表面發(fā)生相對運動，從而對整體葉盤進行加工，達到材料去除、表面拋光及提高表面完整性的目的。磨粒流拋磨具有拋磨效率高、質量好、形狀適應性強等優(yōu)點，目前已應用于航空航天、生物醫(yī)學、汽車、增材制造等領域零件的拋磨加工[70]。

美國DYNATICS、EXTRUDEHONE等公司采用磨粒流拋磨整體葉輪，提高了發(fā)動機性能，解決了葉輪因應力集中而斷裂的問題[71]。GE 公司采用磨粒流技術拋磨T700 發(fā)動機上I 級壓氣機葉盤1 h 后，表面粗糙度Ra從2.0 μm 降至0.8 μm[72]。法國SNECMA公司將磨粒流技術應用于粗銑前、精銑前和精銑后整體葉盤的拋磨加工[1]。首都航空機械公司陳濟輪等[71]利用加工實例說明磨粒流技術對電解加工、電火花加工、數控銑削和精密鑄造后的葉輪等零件均有較好的拋磨效果。北京航空工藝研究所郭應竹等[73]介紹了磨粒流技術在航空發(fā)動機擴壓器葉片和渦輪泵轉子等關鍵零部件中的應用，與手工拋磨相比，磨粒流拋磨效率提高數十倍。沈陽鼓風機有限集團劉向東等[74]采用磨粒流技術對窄流道閉式葉輪進行拋磨，拋磨后流道表面粗糙度Ra可達0.14 ～ 0.45 μm，效率提高1%左右；季田等[75]采用磨粒流技術對離心壓縮機閉式葉輪流道進行拋磨，拋磨后表面粗糙度Ra可達0.29 μm 左右，且各流道加工效果較均勻。

大連理工大學高航教授團隊建立了整體葉盤磨粒流拋磨試驗平臺，并開展了大量模擬分析和可行性研究：Fu 等[76–77]采用數值模擬和試驗相結合的預測方法，對單個和多個顆粒進行了材料去除分析，說明了單向和雙向磨粒流的材料去除分布規(guī)律，并進行了試驗驗證，通過模擬分析整體葉輪流道內的磨料流場分布，如圖11 所示，磨料介質在葉片前后緣發(fā)生不規(guī)則運動，導致葉片前后緣發(fā)生過拋現象，并設計了一種帶導向塊的新式夾具用于調節(jié)整體葉輪葉片前后緣附近的磨料流動，改善葉片表面加工均勻一致性，表面粗糙度Ra從0.513 μm 降至0.141 μm；為提高整體葉輪和葉盤的表面完整性，Fu 等[78]提出了旋轉磨粒流拋磨方法，基本原理如圖12 所示；朱建輝[11]從理論上分析了旋轉磨粒流拋磨過程中的磨粒運動及材料去除模型，模擬分析了單個葉片流道的流場動力學特性；高航等[79]采用旋轉磨粒流機床拋磨鈦合金整體葉輪，以整體葉輪運動狀態(tài)和磨粒流擠壓出口有無背壓為變量進行對比試驗，拋磨前后對比如圖13 所示。

圖11 磨料介質流場分布[77]Fig.11 Flow field distribution of abrasive medium[77]

圖12 旋轉磨粒流加工原理圖[78]Fig.12 Schematic diagram of rotary abrasive flow machining[78]

圖13 磨粒流拋磨前后對比[79]Fig.13 Comparison before and after abrasive flow polishing[79]

國內其他高校也對磨粒流拋磨整體葉輪和整體葉盤開展了一些研究。李俊燁等[80]采用Fluent 軟件模擬了磨粒流拋磨整體葉輪的過程，分析了磨料速度對靜態(tài)壓強、動態(tài)壓強、湍動能、湍流強度和壁面剪切力的影響。趙路等[81]利用Fluent 軟件仿真分析夾具對流場的影響規(guī)律，優(yōu)化夾具結構并用于整體葉盤拋磨試驗，驗證了夾具對于整體葉盤的適用性。孫冉[82]分析了渦輪整體葉盤構型特征，在此基礎上設計了磨粒流拋磨整體葉盤的夾具，并進行了拋磨試驗。藺小軍等[83]提出一種整體葉盤磨粒流拋磨專用夾具，能夠正確引導磨料流動，避免整體葉盤在拋磨過程中發(fā)生葉片進排氣邊過拋、變形等現象。

目前，磨粒流拋磨整體葉盤技術已在國內外企業(yè)中得到應用，但由于磨粒流技術的局限性，難以拋磨大尺寸的整體葉盤。此外，整體葉盤的復雜構型特征使得葉片進排氣邊處容易發(fā)生過拋，葉片型面各區(qū)域加工不均勻。因此，需通過仿真分析磨料介質的流場分布特征和動力學行為，設計夾具以改變整體葉盤葉片附近磨料介質的流動特性，緩解葉片進排氣邊處磨料的運動紊亂現象，適應不同大小、間距的葉盤流道，從而改善葉片型面的加工均勻性，滿足高性能整體葉盤零件的拋磨要求。

2.3 磁力研磨

磁力研磨是利用磁性磨粒在磁場作用下形成柔性磁刷，并產生研磨壓力，施加運動使得磁刷與整體葉盤發(fā)生相對運動，從而實現整體葉盤拋磨[84]。由于其良好的適應性、自銳性、可控性，又可與數控機床或機器人結合，對于復雜曲面拋磨具有較大的優(yōu)勢[85–87]。

遼寧科技大學陳燕教授團隊提出一種整體葉盤磁力研磨方法：杜兆偉等[88]采用該方法對GH4169 高溫合金整體葉盤拋磨30 min 后，表面粗糙度Ra由0.82 μm 降至0.25 μm；郭龍文等[89]對2017 硬質鋁合金的整體葉盤葉背區(qū)域進行拋磨，從表面粗糙度、微觀形貌和殘余應力等方面驗證了拋磨效果；陳燕等[90]分析了磁極布置形式、開槽形狀、比例等對加工效果的影響，得出徑向磁力研磨可避免磁極與整體葉盤葉片發(fā)生干涉，開矩形槽可有效增大研磨壓力，從而提高拋磨效率；為進一步提高效率，于克強等[91]提出了超聲波輔助磁力研磨加工整體葉盤的方法，加工60 min 后，表面粗糙度Ra由1.38 μm 降至0.18 μm，效率比無超聲波研磨更高，表面更加細密、均勻，圖14 為拋磨前后表面形貌對比；此外，Du 等[92]提出了電解磁力復合研磨GH4169 高溫合金整體葉盤的加工工藝方案，與傳統(tǒng)磁力研磨工藝相比，復合工藝效率提高約50%，但電解加工時需嚴格控制影響因素，避免加工質量下降。

圖14 磁力研磨拋磨前后表面形貌對比[91]Fig.14 Comparison of surface morphology before and after magnetic abrasive finishing[91]

隨著加工技術向高效、精密和超精密方向發(fā)展，具有納米級光整潛力的磁力研磨方法已得到廣泛應用與研究。但與其他拋磨技術相比，其材料去除率低，對鎳基合金等難加工材料的加工效果有限。為此，應著重分析磁性磨粒的組成成分，制備新型磁性磨粒以提高磁性磨粒的硬度和強度，從而增強磁性磨粒的加工能力和使用壽命；深入探究磁場源產生磁場的機理，通過改變磁場分布來提高磁性磨粒的研磨壓力；探索磁力研磨與其他加工技術的復合工藝，如超聲復合、化學復合、電化學復合等，充分發(fā)揮各加工技術的優(yōu)勢，從而進一步提高加工質量和加工效率。

2.4 滾磨光整加工

滾磨光整加工是將顆粒介質和液體介質放入容器中，依據一定的幾何約束和運動約束，構成強制的動態(tài)平衡的液粒耦合流場；整體葉盤以不同的預設位置及不同的預設運動方式運動，與顆粒介質發(fā)生相對運動，顆粒介質以不同程度的作用力對整體葉盤表面進行碰撞、滾壓、劃擦、刻劃等綜合的微量磨削作用，從而提高整體葉盤的表面完整性，實現整體葉盤的成性制造，整體葉盤滾磨光整加工內涵如圖15 所示[93]。

圖15 整體葉盤滾磨光整加工內涵[93]Fig.15 Connotation of barrel finishing technology of blisk[93]

國內外企業(yè)采用振動設備對整體葉盤進行拋磨。Feldmann 等[94–95]利用噴丸強化、振動光飾、振動噴丸方法加工三級整體葉盤，并從表面粗糙度Ra值、表面殘余應力和高周疲勞強度等方面評價其加工效果，研究表明振動噴丸方法使得表面粗糙度Ra降低至0.25 μm 以下，殘余壓應力可達–800 MPa，疲勞強度提高約35%；噴丸強化顯著提高了表面殘余壓應力和疲勞強度，但增大了表面粗糙度Ra值，不同工藝改善殘余應力效果如圖16 所示。Alcaracz 等[96]提出了一種DEM–FEM 耦合方法研究振動噴丸三級整體葉盤的拋磨強化過程，結果表明，滾拋磨塊的相對速度和法向累積接觸能量影響整體葉盤的表面強化效果，而滾拋磨塊的接觸力和切向累積接觸能量影響整體葉盤的拋磨效果。中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司何堅等[97]采用R420DL 振動光飾機和RCP 203/05 ZS–V 滾拋磨塊對鈦合金和高溫合金整體葉盤進行拋磨，使得整體葉盤葉片表面粗糙度Ra值提高1～1.5 個等級。汪斌等[98]闡述了振動光飾技術在航空發(fā)動機葉片、整體葉盤等重要零件拋磨中的應用情況，拋磨后整體葉盤表面粗糙度Ra值提高1～1.5 個等級，采用合理的工藝方法和參數以及葉緣保護裝置，可避免葉緣過拋。中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司劉隨建等[35]采用BJG–2500 振動光飾機對整體葉盤進行拋磨，加工4 h后表面粗糙度Ra值由1.6 μm降至0.4 μm 以下。楊萬輝等[99]采用無島式振動光飾機對整體葉盤進行拋磨，其表面粗糙度Ra值提高1～2 個等級，在葉片表面引入殘余壓應力，表層顯微硬度和疲勞強度提高。張文明等[100]提出了一種整體葉盤振動光飾保護方法，對進排氣邊進行仿形保護，緩解進排氣邊的過拋問題。

圖16 不同工藝改善殘余應力效果[94]Fig.16 Improvement effect of residual stress of different processes[94]

基于大量的滾磨光整工藝研發(fā)和工業(yè)應用，太原理工大學嘗試采用新的滾磨光整加工方法實現整體葉盤葉片型面拋磨：王秀枝等[101]利用EDEM 軟件對航空發(fā)動機盤類零件滾磨光整加工過程進行模擬，提取了多個區(qū)域滾拋磨塊的接觸力、相對速度和磨損量，得出一定條件下振動式優(yōu)于回轉式和離心式方法的結論，為航空發(fā)動機盤類零件加工工藝的選擇提供了參考依據；在此基礎上，李鵬[102]、郭鵬輝[103]、閆澤昭[104]等以接觸力、磨損量、累積接觸能量等為評價指標，分析了振幅、頻率、回轉速度、滾拋磨塊填充量等參數對整體葉盤加工效果的影響規(guī)律，得出振動回轉式方案可得到較好的加工效果，并采用振動平臺進行了整體葉盤模擬件加工試驗，驗證了仿真的有效性；此外，對滾拋磨塊在不同工況下的流場分布特征和動力學行為進行了深入研究，圖17 為振動回轉式滾磨光整加工整體葉盤過程中滾拋磨塊流場分布，由于整體葉盤的復雜結構特征，葉片型面不同區(qū)域所受的滾拋磨塊作用行為呈現出較大差別，導致加工均勻一致性差；為此，閆澤昭等[104]嘗試采用擋條等裝置調控流場分布，改善葉片型面的加工均勻性。

圖17 滾拋磨塊流場分布Fig.17 Flow field distribution of the granular block

相較于其他拋磨工藝，滾磨光整加工設備簡單，操作方便，成本較低，且滾拋磨塊兼具微量材料去除、表面光整和表面強化的作用，現已在眾多航空企業(yè)中得到應用，已成為提高整體葉盤服役性能和壽命的一種極具發(fā)展?jié)摿Φ某尚灾圃旒夹g。滾磨光整加工技術可較好地適應整體葉盤的特殊型面，但加工均勻一致性同樣難以保證。為使得滾磨光整加工技術有效解決整體葉盤葉片型面光整加工均勻一致性難題，首先應當通過模擬分析振動式、回轉式等多種工藝下滾拋磨塊之間的相互作用關系，探究整體葉盤的復雜構型特征對于顆粒流場的影響規(guī)律，研究滾拋磨塊在拋磨過程中的流場分布、速度場和作用力場特征；其次研究拋磨過程中的加工機理，從微觀、介觀、宏觀多角度分析滾拋磨塊作用特征和加工效果之間的映射關系；然后通過優(yōu)化加工工藝參數、滾筒形狀、夾具設計等手段使得滾拋磨塊對整體葉盤進行“適流道”加工，提高整體葉盤的加工均勻性；同時，研究滾拋磨塊對整體葉盤的表面強化作用，綜合改善整體葉盤的表面完整性。

2.5 對比分析

通過對整體葉盤拋磨技術的發(fā)展歷程、研究現狀、拋磨效果的分析可知，針對整體葉盤拋磨國內高校和企業(yè)已進行大量研究，但各類拋磨技術大多處于研究階段，在拋磨效率、拋磨質量、拋磨成本等方面存在差異，基于此對各類拋磨技術的特點、局限性和拋磨效果進行對比分析，如表2 所示。

表2 整體葉盤不同拋磨工藝對比Table 2 Comparison of different blisk polishing processes

3 整體葉盤拋磨技術發(fā)展趨勢

目前，先進航空發(fā)動機已朝著高推重比、長壽命和低油耗方向發(fā)展，其服役性能和壽命的提高強烈依賴于先進設計技術、先進材料和先進制造技術的發(fā)展。整體葉盤大多采用鈦合金、鎳基高溫合金及金屬基復合材料等典型難加工材料，而整體葉盤結構上呈現出葉片薄、扭曲大、葉展長、流道深且窄等特點，其難加工的材料特性和復雜的結構特征使得拋磨難度顯著提升。我國航空發(fā)動機整體葉盤拋磨技術處于發(fā)展階段，難以滿足整體葉盤日益增長的市場需求，針對現有整體葉盤拋磨技術的局限性及研究現狀，提出其發(fā)展趨勢，即探索形性協(xié)同式、多工序組合式的拋磨工藝，實現拋磨工藝的智能決策化，并向綠色環(huán)保方向轉型發(fā)展。

（1）整體葉盤的型面精度同樣對航空發(fā)動機的服役性能有較大影響，其葉片前后緣的形狀尺寸決定了氣流方向，影響航空發(fā)動機的氣動性能。現有拋磨技術在研究過程中或重點關注型面精度，或關注表面完整性，沒有全面分析。形性協(xié)同式拋磨，即在保證整體葉盤型面精度的前提下，提升其表面完整性。需深入研究各類拋磨技術的加工機理和表面完整性創(chuàng)成機理；采用理論研究、仿真分析、試驗驗證相結合的手段研究拋磨工藝參數對整體葉盤型面精度和表面質量的影響規(guī)律；以整體葉盤表面粗糙度Ra值、型面精度、殘余應力等為評價指標，研發(fā)具有形性協(xié)同拋磨優(yōu)勢的拋磨技術，滿足整體葉盤對于型面精度和表面完整性的加工要求。

（2）各類拋磨技術在拋磨效率、拋磨質量、拋磨成本上存在差異，具有不同的優(yōu)勢和局限性，采用一種拋磨工藝或一道拋磨工序難以實現整體葉盤全型面拋磨要求。采用多工序組合式拋磨工藝，即充分發(fā)揮各類拋磨技術的優(yōu)勢，選用最優(yōu)的拋磨工序組合，實現整體葉盤優(yōu)質拋磨。應基于各類拋磨技術的加工機理，結合各類拋磨技術的特點設計不同的多工序組合式拋磨工藝，分析不同工序組合對整體葉盤型面精度和表面質量的作用規(guī)律，指導研發(fā)最優(yōu)的拋磨工藝，進一步提高整體葉盤的拋磨質量。

（3）隨著航空發(fā)動機服役性能和壽命要求的不斷提高，整體葉盤材料更為特殊，結構更加復雜，為適應整體葉盤多樣化的發(fā)展趨勢及日益增長的市場需求，實現拋磨工藝的智能決策化勢在必行。目前，國外對整體葉盤拋磨技術及其裝備嚴格保密，國內拋磨技術大多處于研究和試驗階段，導致整體葉盤拋磨工藝數據較少，難以實現對后續(xù)整體葉盤拋磨的指導作用?；诟黝悞伳ゼ夹g的整體葉盤拋磨案例構建拋磨工藝案例庫，具體涉及整體葉盤材料特性、結構特征、加工要求、拋磨工藝及拋磨效果；結合人工智能、大數據、云平臺等手段，基于案例庫開發(fā)面向整體葉盤成性制造的智能工業(yè)軟件，通過深度學習、遺傳算法等方法對整體葉盤拋磨過程進行智能化分析、判斷、決策，優(yōu)選拋磨工藝方案；利用先進的檢測手段實時監(jiān)測并控制拋磨過程，提高拋磨質量，并將拋磨過程及時反饋至案例庫中。通過一系列手段實現整體葉盤拋磨技術的智能決策化，這也與《中國制造2025》中智能制造工程戰(zhàn)略高度融合。

（4）隨著可持續(xù)發(fā)展的不斷深入，資源和環(huán)境問題成為整體葉盤拋磨工藝必須考慮的因素。各類整體葉盤拋磨技術中磨具損耗、磨液排放等問題引起的能源損耗和環(huán)境污染使得拋磨成本急劇增加。為響應《中國制造2025》中“全面推行綠色制造”和實施“綠色制造工程”的戰(zhàn)略部署，整體葉盤拋磨工藝應向綠色環(huán)保方向轉型發(fā)展。一方面，需要從磨具高效利用、磨具與磨液回收、磨液后處理等方面開展研究，減少環(huán)境污染、資源浪費；另一方面，探索高效率、高質量的整體葉盤拋磨技術，提高整體葉盤壽命裕量，減少拋磨成本和維修成本，實現綠色制造。