近年來(lái)，國(guó)外航空發(fā)達(dá)國(guó)家在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了稱之為整體葉盤（FR9NY）的最新結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的葉片和輪盤裝配結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤將葉片和輪盤設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，省去了榫頭、榫槽和鎖緊裝置，避免了榫頭氣流損失、減少了結(jié)構(gòu)重量和零件數(shù)量；在氣動(dòng)布局上采用了寬弦、彎掠葉片和窄流道，從而提高了氣動(dòng)效率。由于整體葉盤使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，推重比和可靠性進(jìn)一步提高，因而在新研制的第四代戰(zhàn)斗機(jī)所配套的高推比發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了成功的應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外整體葉盤制造技術(shù)現(xiàn)狀

　　從目前所收集到的資料來(lái)看，國(guó)外采用的整體葉盤結(jié)構(gòu)形式典型結(jié)構(gòu)：（a）閉式結(jié)構(gòu)帶箍整體葉盤；（b）開(kāi)式結(jié)構(gòu)不帶箍整體葉盤；（c）大小葉片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)開(kāi)式結(jié)構(gòu)中大葉片間含有小葉片。

　　由于整體葉盤是高速旋轉(zhuǎn)部件，既要達(dá)到減重和精確平衡要求，又要提高疲勞強(qiáng)度，因而其制造技術(shù)難度特別大。整體葉盤毛坯一般采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，不允許有裂紋和缺陷，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格無(wú)損探傷檢驗(yàn)；整體葉盤葉片薄、扭曲度大、葉展長(zhǎng)、受力易變形，且葉片間的通道深而窄、開(kāi)敞性很差。因此，整體葉盤的制造和維修都特別困難，是國(guó)外嚴(yán)密封鎖的核心技術(shù)。

　　國(guó)外整體葉盤制造采用的主要工藝有：精鍛毛坯+精密數(shù)控加工；焊接毛坯+精密數(shù)控加工；高溫合金整體精鑄毛坯+熱等靜壓處理等。由于數(shù)控加工具有快速反應(yīng)和可靠性高的特點(diǎn)，美國(guó)GE和P.W公司、英國(guó)R.R公司等在研制整體葉盤時(shí)，采用了五坐標(biāo)數(shù)控加工技術(shù)。從整體毛坯到零件的制造過(guò)程中，材料切除率超過(guò))90%，綜合技術(shù)難度非常大，集中反映了國(guó)際數(shù)控加工相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)和最高水平。在相關(guān)軟件方面最著名的是NREC公司推出的MAXCAM系統(tǒng)。

　　國(guó)內(nèi)在整體葉輪葉盤相關(guān)軟件和加工關(guān)鍵技術(shù)方面也進(jìn)行了大量研究。西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出了葉輪類零件多坐標(biāo),- 編程專用軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)集測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面建模、曲面消隱、刀位計(jì)算、刀位驗(yàn)證及后置處理于一體，已在20多種葉輪葉盤的研制與生產(chǎn)中應(yīng)用。

2 整體葉盤制造工藝

　　通過(guò)對(duì)整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造工藝需求分析，本文提出一種整體葉盤復(fù)合制造工藝。從工藝流程上，將整體葉盤的制造劃分為近成形毛坯制造、精確成型加工以及表面檢測(cè)與拋光等主要階段。針對(duì)每個(gè)階段，篩選出典型工藝方法及其使用條件，并根據(jù)葉盤制造過(guò)程不同階段的特點(diǎn)，特別是葉片的復(fù)雜程度，調(diào)整工藝集成方案，優(yōu)選出成熟、穩(wěn)定度高的工藝組合。

　　在近成形毛坯制造階段，可采用鍛造、焊接和精鑄1 種工藝。由于整體葉盤為重要受力部件，必須滿足強(qiáng)度要求，所以尺寸較大的葉盤一般選用整體鍛造或焊接方案。從目前國(guó)內(nèi)工藝的可行性、成熟度以及毛坯強(qiáng)度考慮，整體葉盤研制階段主要采用整體鍛造得到初始毛坯，然后采用電解加工、線切割、數(shù)控銑削等高效數(shù)控粗加工技術(shù)制造出近成形毛坯。焊接毛坯具有節(jié)省材料及適合于制造雙性能盤的優(yōu)點(diǎn)，可用于開(kāi)敞性好、葉片扭曲度小、形狀較簡(jiǎn)單不帶箍整體葉盤的近成形毛坯制造，但目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟技術(shù)可用，需解決焊接應(yīng)力與變形、組織改變及缺陷控制等問(wèn)題。

　　在精確成型加工階段，可采用電解加工和整體數(shù)控銑削等工藝。電解加工過(guò)程無(wú)機(jī)械切削力，加工應(yīng)力小，適用于難加工材料零件和難銑削的細(xì)節(jié)加工，但目前需進(jìn)一步研究解決電蝕層和光整加工等問(wèn)題。數(shù)控銑削工藝用銑刀的五軸運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，銑削加工出流道形狀。這種工藝適用于整體閉式葉盤和其他具有復(fù)雜曲面葉片的整體葉盤。

　　因此作者認(rèn)為，國(guó)內(nèi)目前能夠滿足研制和小批量試制需求較為可行的技術(shù)途徑是：近成形毛坯應(yīng)首選等溫鍛造+高效低應(yīng)力粗加工方法，并進(jìn)一步減少精鍛毛坯余量以縮短加工周期；精確成型加工宜采用五坐標(biāo)數(shù)控銑削工藝。這種工藝具有快速響應(yīng)特點(diǎn)、所需專用工藝裝備少、工藝較成熟且已制造出了合格的葉盤。因而該工藝是研制和小批量試制階段較為理想的選擇。葉型數(shù)控銑削完成后，可選用磨粒流或振動(dòng)光飾方法，以提高表面光潔度和完整性。

3 整體葉盤數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)

　?。?）通道分析與加工區(qū)域的劃分為了判定葉盤數(shù)控加工的工藝性和刀具的可達(dá)性，必須首先對(duì)通道特征進(jìn)行分析。分析結(jié)果可為工藝人員確定數(shù)控加工刀具參數(shù)、制定加工工藝提供必備的信息，或反饋給設(shè)計(jì)部門作為可制造性評(píng)價(jià)依據(jù)。通道分析的內(nèi)容包括：通道的最窄寬度、約束狀態(tài)；葉片的性質(zhì)（包括葉片是直紋面還是自由曲面）、葉片的扭曲度、各個(gè)截面的厚度、前后緣大小及變化情況、過(guò)渡圓角半徑及其是否變化；加工可行性等。

　　對(duì)閉式整體葉盤，由于受相鄰葉片及內(nèi)、外環(huán)的約束，或受刀具長(zhǎng)度和剛度等限制，五軸連動(dòng)數(shù)控加工設(shè)備通常無(wú)法從一端完成整個(gè)通道和葉片的加工，而必須采用從進(jìn)排氣邊雙側(cè)對(duì)接方式。合理劃分對(duì)接加工區(qū)域，既可縮短加工刀具長(zhǎng)度，又可增加切削刀具剛性、提高加工效率。加工區(qū)域劃分準(zhǔn)則是：在分界處從兩端加工的刀具長(zhǎng)度相近，使得葉盤加工從整體考慮刀具長(zhǎng)度控制到最短。

　?。?）最佳刀軸方向的確定與光順處理整體葉盤的葉型曲率變化大，其加工處在多約束狀態(tài)下。在刀具軌跡計(jì)算中，刀軸方向的確定是實(shí)現(xiàn)無(wú)干涉及高效加工的關(guān)鍵和難點(diǎn)。對(duì)于通道內(nèi)部葉片上的同一點(diǎn)，所需加工刀具長(zhǎng)度隨刀軸方向變化而變化，且相差很大。若采用固定刀軸側(cè)銑，則需很長(zhǎng)的刀具，刀具的剛性和切削效率將嚴(yán)重降低。采用變刀軸點(diǎn)切觸加工時(shí)，刀軸方向與葉盤軸向的夾角越小，所需刀具長(zhǎng)度越短。因此，可通過(guò)確定最佳刀軸方向，從而獲得最短的刀具長(zhǎng)度、最大的刀具剛性和加工效率。確定最佳刀軸方向的準(zhǔn)則為：在與通道四周不產(chǎn)生干涉的條件下，刀軸與葉盤軸向的夾角應(yīng)為最小。

　　在實(shí)際計(jì)算中，按最佳刀軸方向準(zhǔn)則計(jì)算得到的每個(gè)刀位點(diǎn)的刀軸方向，由于受通道多約束的影響，相鄰的刀位點(diǎn)之間的刀軸方向可能會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)變化，在加工過(guò)程中，刀軸方向的這種突變會(huì)使得五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)或主軸的擺動(dòng)突然變快或變慢，導(dǎo)致刀具的切削力產(chǎn)生突變：輕則造成被加工零件表面質(zhì)量降低或啃傷，重則會(huì)導(dǎo)致刀具的刃部損壞甚至刀具折斷。因此，必須在最佳刀軸方向初始矢量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行光順處理，但該光順必須在通道多約束條件下進(jìn)行，以防止調(diào)整后的刀具與通道發(fā)生干涉。為了確保葉盤在加工過(guò)程中不發(fā)生干涉與碰撞現(xiàn)象，必須對(duì)刀具軌跡進(jìn)行驗(yàn)證和干涉碰撞檢查，以確定刀位點(diǎn)計(jì)算的正確性，刀桿是否與通道四周干涉，刀柄和主軸頭是否與工件和夾具碰撞。

　　（3）葉盤通道的高效粗加工技術(shù)

　　整體葉盤從毛坯到成品的加工過(guò)程中，大約有90%的材料被切除，其中絕大部分是在葉盤通道的粗加工階段完成。因此，高效粗加工是提高加工效率、縮短制造周期的關(guān)鍵。為此，作者根據(jù)通道性質(zhì)，結(jié)合切削試驗(yàn)，建立了一套高效的通道粗加工方法，包括自由曲面通道的等高線粗加工軌跡計(jì)算；基于粗加工去除量最大化的刀軸方向優(yōu)化；基于通道臨界約束的防干涉計(jì)算；粗加工過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真；刀具的振動(dòng)分析與控制方法。由于材料切除量大，粗加工后葉盤內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的切削應(yīng)力。為控制粗加工應(yīng)力造成的變形，采取以下3種方法進(jìn)行處理：通過(guò)優(yōu)化刀具和工藝參數(shù)、優(yōu)化刀具與工件的切觸狀態(tài)，降低加工時(shí)的切削應(yīng)力；通過(guò)熱處理工藝消除切削應(yīng)力以減小后期變形；采用工序分散、多次修復(fù)基準(zhǔn)的方法，補(bǔ)償變形誤差。采取以上工藝措施后，不僅葉盤的變形得到了控制，同時(shí)還進(jìn)一步減少了葉盤精加工前的近成形毛坯余量，明顯縮短了加工周期。

　?。?）葉盤型面的精確加工技術(shù)

　　整體葉盤的精加工涉及內(nèi)環(huán)、外環(huán)、葉片型面、前后緣、葉根過(guò)渡區(qū)等加工特征。整體葉盤的加工工藝和加工順序采用基于與或樹(shù)的向?qū)D表示，它描述了各個(gè)加工特征的工藝特點(diǎn)、確定加工順序的必要條件或充分條件以及每個(gè)加工特征對(duì)應(yīng)的加工工藝和刀具軌跡生成方法的集合。例如，內(nèi)環(huán)、外環(huán)屬于回轉(zhuǎn)面，采用數(shù)控車削加工方法；閉式結(jié)構(gòu)葉盤的葉片表面是帶實(shí)約束面的腔槽（pocket）側(cè)面，采用基于臨界約束面的專用五軸數(shù)控精加工方案；開(kāi)式結(jié)構(gòu)葉盤（含大小葉片轉(zhuǎn)子）的葉片表面是帶相鄰面約束的溝槽（35.-）側(cè)面，采用基于臨界線的專用五軸數(shù)控精加工方案，或直紋面?zhèn)茹娂庸し桨福蝗~根過(guò)渡區(qū)是自由曲面交線，采用半徑遞減清根方案。由于整體葉盤的葉片很薄，特別是葉尖和前后緣的厚度不到0.4mm。因此，葉片受到切削力后會(huì)產(chǎn)生顫振并出現(xiàn)嚴(yán)重的讓刀現(xiàn)象；同時(shí)，由于受通道的限制，刀具直徑小且刀桿長(zhǎng)，受到切削力時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。這種刀具及葉片的耦合顫振嚴(yán)重影響葉片的表面加工質(zhì)量，使葉片表面出現(xiàn)魚(yú)鱗狀缺陷，導(dǎo)致葉尖段多次加工不到位等問(wèn)題。在有限元分析與測(cè)力分析的基礎(chǔ)上，采用以下&種方法來(lái)解決葉片和刀具的耦合顫振問(wèn)題：根據(jù)刀具受力情況確定刀具的最佳切觸位置，減少總切削力和引起顫振的切削力分量；根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)及零件的剛性確定刀具的參數(shù)，使葉片和刀具的剛度協(xié)調(diào)；通過(guò)工藝填充方法，加強(qiáng)葉片切削時(shí)的剛性、增加顫振阻尼以實(shí)現(xiàn)對(duì)振幅的控制。通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)證明，以上措施對(duì)抑制顫振、保證葉片加工精度和表面質(zhì)量都具有十分明顯的效果。

4 結(jié)論

　　本文在跟蹤和分析整體葉盤先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)整體葉盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工藝，提出了一種整體葉盤復(fù)合制造工藝，論述了其中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)的解決方法，總結(jié)了整體葉盤數(shù)控加工的工程經(jīng)驗(yàn)。

　　所提方法已在型號(hào)研制中得到成功應(yīng)用，先后完成了某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一、二級(jí)風(fēng)扇葉盤以及某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)大小葉片轉(zhuǎn)子試驗(yàn)件的加工，并取得了預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果。一級(jí)風(fēng)扇葉盤，經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)，葉片型面的誤差控制在0.05mm以內(nèi)，葉盤的整體變形控制在0.01mm以內(nèi)，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。