航空发动机复杂结构零件加工技术探索

薛奂

摘要：现阶段，科学技术的发展迅速，航空事业的发展也有了很大的改善。航空发动机作为飞机的动力装置，是飞机的心脏，其设计与制造技术对于航空工业的发展起着关键性的作用，是体现一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一。航空发动机零件结构复杂、制造难度大、技术含量高，代表制造业发展的方向，被称为制造业一颗璀璨的明珠。数控加工技术和设备起源于满足航空航天制造的需求，并在不断满足高、精、尖加工要求的过程中发展提高，成为现代航空航天制造业的基础性关键技术。国内外航空航天制造业一直是数控技术与数控机床的最大用户，在航空航天制造企业中，数控机床制造企业的比例高达80%以上。

关键词：航空发动机；复杂结构；零件加工技术探索

引言

航空发动机零件的制造具有材料难加工、形状结构复杂、容易变形振动、加工精度高等特点，代表着一个国家制造技术的实力和国防现代化的发展水平。以航空发动机叶片、叶轮、机匣、盘轴类零件为研究对象，分析了这些典型零部件的材料和结构特性、加工工艺方法与特点、加工装备等，总结了航空发动机零件加工对数控机床性能与功能的要求，并展望了航空发动机制造技术的发展趋势。

1加工复杂结构零件的机床工具特征

刀具在解决航空难加工材料复杂结构零件的加工中起着至关重要的作用。先进的航空产品要求航空零件具有更优异的性能、更低的成本和更高的环保性。加工工艺要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重复精度和可再现性。航空钛合金、高温合金零件难切削的工件材料、复杂而薄壁的形状、高精度的尺寸和表面粗糙度要求及大的金属去除量等特点，对刀具质量一致性提出了更高的要求。现代高效精准加工要求刀具具有高精度、高耐磨性、高抗冲击性和高可靠性的特点，即具有高性能刀具的全部特征。高质量的刀具方案明显标志是刀具结构形式、刀具材料与被加工零件的材料、结构相适应。国外各著名数控机床制造商不遗余力的开发高性能数控机床，进一步针对高动态响应、高精度和高刚性等展开研发。高刚性以及高承载性能的线性导轨确保了全行程内光滑连续地移动，获得了工件的高几何精度和表面质量，也保证了高加工效率。机床的高刚性减小了加工系统的振动，延长了刀具使用寿命。高性能刀具涉及刀具材料、刀具涂层技术、刀具结构设计与优化、刀具配套技术及刀具的应用等很多方面。刀具结构的创新体现在刀具结构的优化、切削负荷的合理分布、断屑槽型以及各种新型可转位刀片结构。零件的精准加工对刀具的装夹提出了新的要求，它要求装夹精度高、径向圆跳动小、夹持刚性好、结构紧凑且操作简单等。

2典型零件加工

2.1叶片加工

航空发动机叶片多采用钛合金、高温合金等材料，材料切削性能差，尺寸精度要求严格，表面质量要求高。叶片的加工部位主要包括叶身型面加工、叶片榫头和榫齿加工、阻尼台加工、安装板及叶冠加工。叶片加工的复杂性在于叶身部分由复杂曲面组成，曲面按成形原理可分为直纹面和非直纹面，直纹面分为可展和不可展。对于可展直纹面，可以采用常规机械加工技术加工。对于不可展直纹面和自由曲面，则必须采用多轴数控机床加工，如五轴联动加工中心和五轴高速龙门铣床。叶根榫头采用拉床和缓进给强力磨床加工，缓进给强力磨床具有换砂轮功能，配备滚轮修砂轮装置，在加工中还有在线测量、程序调整和自动补偿功能。叶片机械加工以铣削和磨削为主，通常采用叶片高速铣等专用加工设备，由专用叶片加工的计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造（CAM）软件生成叶片加工程序。叶片的型面一般为大余量锻造，经数控加工后抛光而成。切削加工主要以锻造毛坯为基础，经过粗、半精、精加工等加工工序，以铣削方式将毛坯加工至最终尺寸。叶片加工一直是数控加工领域具有挑战性的课题，需要解决的问题复杂繁多，如叶片造型、加工方式选择、刀具路径规划、叶片变形控制等。根据刀具与叶片的接触方式，叶片加工可以采用点铣法和侧铣法。点铣法能较精确加工叶片的设计型面，而且走刀方向与流线方向基本一致，有利于保护叶片的气动性能，适用于自由曲面的叶片加工，不足之处是加工效率低下，刀具磨损严重，增加了产品的生产成本。侧铣法避免刀具与工件接触区集中于一点，从而减缓刀具磨损，显著改善了叶片的表面粗糙度，提高了叶片的加工效率。现在国内应用较多的是分片侧铣法，把叶片按加工特征和工艺要求分成若干片，用侧铣的方法加工。首先用刀具侧刃加工最外边的一片，然后不断地进退刀，加工相邻的分片。理论上分片越多，叶片与刀具的接触线越短，加工精度就越高，但频繁的进退刀和更换装夹方式又限制了加工效率。

2.2整体叶轮加工

其中，开式整体叶轮一次装夹可以完成所有数控铣削加工。而对于闭式整体叶轮而言，由于轮箍的存在，一般采用两次装夹、分区域铣削的加工方式。整体叶轮主要采用车削和铣削加工，特别是采用数控点铣和侧铣来加工叶片、轮毂及叶根圆角等曲面。整体叶轮也分为粗、半精和精加工3个阶段。粗加工多选择平底立铣刀或带有圆角的铣刀，刀具有效切削面积大，切除材料效率高。精加工多采用球头铣刀或高刚性的锥柄球头铣刀。刀具尺寸根据叶轮几何尺寸进行选择：粗加工尽量选择大直径刀具，以提高材料去除效率；精加工刀具球头半径则与曲面曲率半径有关。整体叶轮最容易发生干涉的部分是叶片与轮毂之间的叶根圆角，刀具球头半径应不大于叶根圆角曲面的最小曲率半径。加工叶根圆角和加工叶片部分可以选择不同直径的刀具，以提高效率。精加工主要加工叶片、轮毂和叶根圆角。

2.3盘轴类零件加工

航空发动机盘类零件包括高低压涡轮盘、高低压压气机盘。盘类零件结构一般由轮缘、腹板、轮毂、封严篦齿等组成，在轮缘上有安装叶片的榫槽，腹板上有起平衡作用的小孔。盘类零件通常采用高温合金、钛合金材料，材料难加工，尺寸精度高，表面质量要求严格，壁薄易变形，对加工设备、加工刀具和测量工具的要求较高。航空发动机盘类零件机械加工包括车加工、钻镗、拉削和磨削等，主要加工部位包括内外圆、前后端面、腹板、篦齿和榫槽等。一般选用整体锻造或焊接毛坯，再经加工而成。数控铣削加工灵活快速、可靠性高，因此发达国家多采用五坐标加工中心铣削加工整体叶盘。整体叶盘数控加工关键是叶片的数控铣削。轴类件主要指风扇轴、压气机轴、涡轮轴等，是航空发动机转子的重要组成部分，对航空发动机的可靠性起着至关重要的作用。轴类零件通常采用高性能的耐热合金材料。航空发动机轴类件工作时以每分钟上万转的高速旋转，负荷状态复杂，工作时要求平稳、振动小，抗疲劳强度要求高，因此轴配合尺寸精度、形位公差、表面质量和表面完整性也要求高。轴类件加工包括内外表面车削、磨削和深孔镗加工。

结语

航空发动机复杂结构零件的加工依赖于工艺方法的创新。其制造水平直接决定了航空发动机的性能。我们必须建立在可靠的研制基础之上，促进航空制造技术的不断提升。

参考文献:

[1]王聪梅.航空发动机典型零件机械加工[M].北京：航空工业出版社，2014.