新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中普遍采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。美國(guó)的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)(ATF)計(jì)劃把整體葉盤設(shè)計(jì)制造列為核心技術(shù)，例如F414發(fā)動(dòng)機(jī)采用了共5級(jí)的整體葉盤。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部的高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)的第3階段計(jì)劃，到2020年，戰(zhàn)斗機(jī)上安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪都將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。

　　我國(guó)在新型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中也采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。整體葉盤的剛性好，平衡精度高。它提高了結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)效率，省去了連接用的榫頭和榫槽，避免了榫槽損傷等潛在的故障，從而使整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比得到顯著提高。

　　整體葉盤的毛坯從結(jié)構(gòu)上分為整體式和焊接式2類：

　　（1）整體式毛坯一般采用鍛壓技術(shù)，鍛造出一整塊毛坯；

　　（2）焊接式毛坯把采用不同性能材料的盤體和葉片焊為一個(gè)整體，或者把空心葉片焊在盤體上，以實(shí)現(xiàn)更特殊的性能。

　　國(guó)內(nèi)外整體葉盤制造采用的主要工藝有：精密鑄造、數(shù)控銑削、電解加工、電火花加工等。這些工藝各有其優(yōu)缺點(diǎn)，而數(shù)控銑削加工靈活快速、可靠性高，因此發(fā)達(dá)國(guó)家多采用五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工整體葉盤。整體葉盤毛坯一般采用高強(qiáng)度難加工材料，不允許有裂紋和缺陷，葉片薄、扭曲度大、葉展長(zhǎng)、受力易變形，而且由于葉片間的通道深而窄、開(kāi)敞性很差，材料切除率很高，嚴(yán)重影響了數(shù)控銑削的可加工性。

　　數(shù)控銑削加工技術(shù)包括高精度五坐標(biāo)機(jī)床技術(shù)、工藝技術(shù)、五軸聯(lián)動(dòng)編程技術(shù)、刀具技術(shù)等，它代表了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)和最高水平，是新型高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　鈦合金整體葉盤加工工藝分析

　　鈦合金整體葉盤的盤體和葉片材料通常采用(α+β)雙相熱強(qiáng)鈦合金，具有良好的高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性、斷裂韌性、熱穩(wěn)定性和蠕變性能，能夠滿足損傷容限設(shè)計(jì)和高結(jié)構(gòu)效益及低制造成本等要求。

　　某鈦合金整體葉盤毛坯采用焊接結(jié)構(gòu)，盤體粗加工和葉片毛坯采用線性摩擦焊方式成為一個(gè)整體葉盤毛坯。葉片為變截面扭曲結(jié)構(gòu)，彎扭度大、葉展長(zhǎng)、葉片外緣薄、進(jìn)氣邊緣和排氣邊緣厚度更薄（不足0.5mm）。葉盤盤體外型面為圓錐面，葉片外輪廓也是一個(gè)倒圓錐面（如圖1所示）。

　　焊接整體葉盤數(shù)控加工關(guān)鍵就是葉片的數(shù)控銑削，必須突破下面幾個(gè)重大的技術(shù)難題：

　　(1)葉片之間的通道窄而深，扭曲角度很大，刀具的可達(dá)性受到限制，必須采用五坐標(biāo)方式并嚴(yán)格控制刀具的軸向軌跡；

　　(2)葉片為變截面扭曲結(jié)構(gòu)，葉展長(zhǎng)、葉片薄，造成葉片遠(yuǎn)端剛性極差，葉片厚度公差不足±0.1mm，較小的刀具切削力就會(huì)使葉片外緣產(chǎn)生較大彈性變形，從而使葉片厚度公差難以保證；

　　(3)鈦合金優(yōu)異的彈性性能使得精加工振顫加劇，必須采取有效的減振措施，避免振動(dòng)對(duì)葉型表面完整性、粗糙度、厚度公差及焊縫造成不利影響；

　　(4)鈦合金屬難切削材料，切削加工本身就是個(gè)難題，葉片根部與盤體轉(zhuǎn)接半徑僅為R3（3mm），只能采用小直徑刀具清根，讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重；

　　(5)盤體的外形為錐面，葉片外廓也是一個(gè)錐面，加工困難；

　　(6)葉片的型面不但扭曲角度大，進(jìn)、排氣邊緣厚度為0.3mm，而且排氣邊緣有形狀要求，刀具端刃切削時(shí)易崩刃；

　　(7)焊接后葉片是一塊長(zhǎng)方塊形毛坯，余量分布極不均勻，此外還有摩擦焊擠出的飛邊，又高又細(xì)，銑削十分困難。

　　總之，該整體葉盤五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工的關(guān)鍵技術(shù)包括葉盤通道與刀軸矢量的控制、刀具軌跡設(shè)計(jì)及光順處理、通道的高效粗加工技術(shù)、葉片型面的精確加工技術(shù)、加工變形控制和葉片與刀具減振技術(shù)等。數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)及數(shù)控編程必須考慮到以上問(wèn)題，采取有效的工藝措施才能保證設(shè)計(jì)要求。

　　整體葉盤數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)

　　1選擇合適的機(jī)床

　　對(duì)整體葉盤進(jìn)行數(shù)控銑削最理想的機(jī)床應(yīng)該是帶轉(zhuǎn)臺(tái)和主軸、能夠擺角的五坐標(biāo)臥式加工中心，并且主軸的擺角范圍要足夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換。

　　由于受設(shè)備、任務(wù)調(diào)度限制，該葉盤的加工采用了雙擺頭立式五坐標(biāo)龍門銑，AB擺角范圍為A±30°、B±30°。該設(shè)備的缺點(diǎn)在于沒(méi)有轉(zhuǎn)臺(tái)，不能分度，AB擺角范圍有限。因此必須針對(duì)每個(gè)葉片都有一套數(shù)控程序，程序量比帶轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)床多出了30多倍。

　　通過(guò)采取上述手段，此類機(jī)床能勝任該整體葉盤的數(shù)控加工。另外由于該葉盤上葉片的厚度為50mm，葉展為90mm，采取立式加工方式可使用更短的刀具，因此宜采用立式加工。

　　2 設(shè)計(jì)專用工裝

　　整體葉盤的工裝設(shè)計(jì)應(yīng)能夠滿足角向定位和分度的要求，滿足翻面定位夾緊的要求，并能夠滿足機(jī)床擺角后的行程。圖2為粗加工時(shí)的狀態(tài)及工裝使用的情景。

　　3 數(shù)控銑削加工工藝過(guò)程

　　焊接后的整體葉盤數(shù)控加工面臨的困難是切除摩擦焊產(chǎn)生的焊接飛邊，由于此飛邊又細(xì)又高又硬，銑削時(shí)很容易崩刃，摩擦焊擠出的飛邊容易從根部折斷而將整體葉盤上的材料帶走，銑削效率極低。因此采用線切割或其他方式比銑削方式可能更合適。

　　整體葉盤外輪廓也是一個(gè)倒圓錐面，必須在葉片較厚剛性較好的情況下加工，所以外輪廓必須在粗加工前先加工，采用Z向分層方式加工。

　　整體葉盤粗加工的目的就是要快速去除大余量。粗加工主軸擺角一方面要能夠切到整個(gè)葉片表面，另一方面也要考慮盤體的錐度形成。采用直徑20～30mm左右的短刀具最為適宜。厚度方向分層切削，粗加工留2mm余量，接著進(jìn)行半精加工，留0.3mm余量，采用底角帶R的刀具，分層也可以再細(xì)些。

　　進(jìn)、排氣邊緣厚度僅為0.3mm，必須在葉片有一定剛性但余量又不太大的情況下加工，所以應(yīng)安排在精加工前進(jìn)行。采用較小直徑刀具，刀具軌跡垂直于葉片邊緣進(jìn)行行切，行距1mm，加工出的邊緣曲線效果良好。

　　由于葉片的扭曲造成葉片兩面分為凹面和凸面，考慮到機(jī)床的擺角范圍，所以要安排雙面加工。

　　4 選擇合適的刀具

　　粗加工刀具首先要控制刀長(zhǎng)，采用較短的刀具和直徑較大的刀具，采用側(cè)銑方式，切削效率和減振效果會(huì)明顯提高。精加工葉片型面應(yīng)選用底角R較大的刀具或球頭刀具，配合較小的行距，切出的曲面會(huì)很光順。

　　由于葉片根部為R3，用φ6的刀具剛性太差，無(wú)法加工，所以首先選用φ12R3刀具去除余量，然后用φ16×24°R3的專用錐度刀清根。特制的錐度刀不但保證了刀桿的剛性，而且又能實(shí)現(xiàn)R3的清根，刀具單側(cè)12°的錐度，外加盤體17°的錐度，主軸需要擺角29°，剛好在其30°擺角范圍之內(nèi)可以銑到錐形盤體。所以，應(yīng)適當(dāng)定做專用刀具，可有效解決加工過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。

　　5 采取有效的減振與變形控制措施

　　精加工另一面時(shí)，葉片的剛性已經(jīng)較差，切削力作用在葉展的端頭，極易產(chǎn)生彈性變形并同時(shí)伴隨著振顫，所以此面的加工重點(diǎn)是控制變形與振顫。葉片變形可直接導(dǎo)致厚度尺寸超差；而加工振顫可導(dǎo)致葉片表面產(chǎn)生振紋（見(jiàn)圖3），并且容易使刀具崩刃，嚴(yán)重影響葉片表面質(zhì)量。

　　采取在葉片通道間灌注建筑用膠的方法，改變了零件的阻尼特性，確實(shí)有效降低了振顫，并且使刀具轉(zhuǎn)速達(dá)到了1000r/min，進(jìn)給達(dá)到100mm/min。在此基礎(chǔ)上又改用其他稍硬的物質(zhì)填充在葉盤通道里（見(jiàn)圖4），既能明顯減少振顫，又能在葉片背面形成有力的支撐，抵消切削力造成的葉片彈性變形，確保了葉片的厚度。

　　此外，順銑方式能明顯減少加工振顫。雙面加工、減少刀具長(zhǎng)度能有效減少刀具振顫。進(jìn)、排氣邊緣很薄，安排在葉片有一定剛性的精加工前進(jìn)行加工，能減少變形與振顫。選擇合理的切削參數(shù)，調(diào)整轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，可有效控制振動(dòng)。

　　整體葉盤數(shù)控加工程序編制時(shí)首先要考慮的是控制刀軸方向，因?yàn)橥ǖ捞~片扭曲，盤體是錐形等因素，導(dǎo)致刀軸控制稍有差錯(cuò)就會(huì)出現(xiàn)干涉，此外退刀、空刀快速移動(dòng)一定要控制幅度。粗加工可以采用定擺角等高線行切，或五坐標(biāo)側(cè)刃銑削，所有刀具軌跡應(yīng)實(shí)現(xiàn)順銑。精加工刀位軌跡設(shè)計(jì)要流暢、光順，行距要小，才能保證行切出的曲面光順。清根程序要留少許余量，避免刮傷葉片型面。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本課題分析了鈦合金焊接式整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)，針對(duì)焊接式整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，摸索出了一整套工藝方案來(lái)解決振動(dòng)和變形，成功地應(yīng)用于某鈦合金焊接式整體葉盤的加工，為此類葉盤的加工工藝進(jìn)行了探索。