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航空发动机叶片加工工艺 1 航空发动机叶片加工工艺与设计 叶片磷机长加工工作量约占总加工机长加工工作量的30%40%。发动机叶片结构复杂,叶片型面为空间列表曲面。叶片在工作中要承受复杂应力和微震动,对叶片材料、机械加工工艺、热处理及表面喷涂工艺都有极高的质量要求。 航空发动机研制过程中为了满足设计要求,叶片设计改动较为频繁,这对叶片的加工工艺和加工进度提出了特殊要求。叶片加工的周期和质量直接影响到航空发动机的研制周期。 2 航空发动机叶片加工工艺的探索 航空发动机研制中的叶片加工工艺与发动机批生产中的叶片加工工艺有比较大的差异。专业生产厂叶片的生产准备周期通常为12～24个月,有时甚至更长,而发动机研制中的叶片加工周期仅为6～12个月。发动机研制中叶片的生产批量都很小,通常是几台份甚至单台份的小批量生产。 在航空发动机研制中,为了缩短叶片加工周期,降低生产成本,叶片工艺应当尽量采用通用高效的机床、夹具、刀具、测具,尽量避开生产周期长、成本高的工艺方案。 建所初期为了满足发动机研制的迫切需要,组建了叶片加工车间,为了减少叶片加工工装的设计加工工作量,同时成立了具有一定规模的组合夹具站。在几十年的发动机研制过程中经过逐渐积累完善,摸索出了一套适合我国航空发动机研制的叶片加工工艺,基本具备了大尺寸风扇叶片、钛合金叶片、铝合金叶片、各种钢制叶片的加工能力。满足了多种型号发动机研制的需要。 3 等截面风力叶片的加工 叶片加工主要分为两个阶段:毛坯制造和机械加工阶段。机械加工主要分叶身加工、安装板加工和榫头加工等几部分。 涡轮叶片目前全部采用无余量精密铸造工艺,专业生产厂按发动机研制要求组织生产,叶片车间目前仅进行各种涡轮叶片的补加工和修复工作。 发动机研制过程中需要加工大量的等截面吹风叶片,采用传统机械加工方法加工叶栅叶片生产周期长达几个月,目前已采用数控线切割加工工艺替代传统加工工艺,加工周期仅需2周,加工质量完全满足叶栅吹风试验要求。 图1为一典型转子叶片,该叶片为某高性能压气机试验用转子叶片。 叶片的主要工艺流程: 该叶片共有82道工序,工夹量具22套,利用组合夹具拼装铣削、磨削、电加工夹具20套。实际机械加工周期6个月。 3.1 模锻件的选择 为了满足叶片的质量要求,该叶片采用模锻件。叶片毛坯叶身法向余量为3mm,榫头余量为4mm。国内目前已具备叶片小余量毛坯精密模锻能力,但精密锻造模具生产周期长,锻造费用昂贵。采用较大余量的模锻件可以显著降低毛坯加工成本,并大大缩短毛坯生产周期。 对于工期要求特别紧的叶片,为了缩短毛坯加工周期,也可采用锻造方料毛坯。 3.2 拉削加工刀具 叶片榫头是叶片的设计和加工基准,经过模锻后的转子叶片要以叶身为基准加工出叶片榫头,通过浇注方箱将叶身基准转化到方箱上,然后以方箱表面为基准加工榫头。该工作叶片的榫头形式为目前常见的燕尾式。燕尾式榫头最理想的加工工艺手段为拉削、缓进磨削加工。拉削加工效率高、质量好,但拉削加工刀具的设计和加工周期长达几个月,并且成本非常高,当叶片榫头尺寸改动后,拉刀就要重新设计生产,拉削工艺不适宜发动机研制中的叶片榫头加工。目前各叶片生产厂也广泛采用了缓进磨削加工榫头,特别是双面缓进磨可以一次装夹完成叶片榫头的加工,效率很高,由于省去了拉刀设计制造,仅需要设计制造较简单的砂轮修整轮,综合成本比拉削低,是比较适合航空发动机研制中的叶片榫头加工工艺。 由于目前没有配备缓进磨床,榫头加工一般采用普通铣削加工去除余量,然后用平面磨削保证榫头最终精度要求。钛合金铣加工效率非常低,刀具损耗大。经过论证,采用线切割工艺进行榫头的半精加工,然后经过磨削最终达到图纸要求,同时磨削加工也去除了电加工带来的表面微裂纹和再铸层。该榫头加工工艺效率较高,综合成本比较低,是一种适宜小批量叶片榫头加工的新工艺方案。 3.3 叶身电加工设备的改进 叶身机械加工量占整个叶片机械加工量的60%以上,叶身是空间曲面,叶身加工是叶片加工的重点和难点。批生产中叶身型面通常采用靠模铣、砂带磨、电解等加工手段,特别是型面电解工艺在国内外应用的最为广泛。对于航空发动机试制中的小批量叶片,这些手段都有其一定的局限性。靠模铣削加工需要制作靠模工装,加工周期长。电解加工效率非常高,加工质量比较好。叶片车间曾长期采用电解工艺作为叶片叶身加工的主要手段,但电解加工设备维护困难,加工中产生大量有毒废液,电极加工复杂。近年来已采用电火花加工工艺代替了电解工艺。电火花工艺较之电解工艺主要的优点是工艺准备时间短,电极制作容易,设备维护简单,电火花工艺加工后的表面质量比采用电解工艺加工的略低。 叶身电加工前采用铣削去除大部分的加工余量,叶片进、排气边也要铣削去除余量。 叶片安装板和叶片阻尼台均采用铣削加工去除余量,安装板内表面可以和叶身一起进