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中图分类号：TJ303+.9 文献标识码：TJ 文章编号：1009-914X（2012）29- 0256 -01
1引言
复杂薄壁构件叶盘是高推比航空发动机的关键、重要零件，20世纪80年代中期在航空发动机结构设计中出现了叶盘结构，将发动机转子的叶片和轮盘合为一体，使发动机的结构大为简化。发动机叶盘，呈宽弦、大扭角、长悬臂结构，具有典型弱刚性和加工区域封闭性特点，加上叶片曲率变化大、叶片超薄，其新型的结构特征使其加工变形控制成为叶盘加工的技术难点。
2叶盘加工变形影响因素分析
影响叶盘加工变形的因素涉及到叶盘加工的全过程，加工变形控制技术涉及到的主要内容包括变形因素分析及其变形机理、变形量量化分析、变形量控制应用技术研究即采取有效工艺措施控制变形量。
影响薄型叶盘加工变形的因素较多，在加工系统确定的前提下，直接影响叶盘加工质量和加工精度的因素包括加工系统的刚性、切削用量、加工硬化层、残余应力等多个方面。加工硬化层对变形的影响主要指加工硬化层对表面质量的影响程度，加工硬化层能够直接导致加工波纹、加工振动、刀具加快磨损等现象的发生，而表面质量的变化造成加工过程不稳定、加工精度和表面质量降低。
叶片疲劳破坏、断裂是由于应力集中产生了局部塑性变形，应力过大是根本原因。残余应力是一种存在于零件内部并保持平衡的弹性应力，由于外部环境的变化而引起材料的不均匀变形，造成局部应力释放，使零件发生变形。残余应力所受影响因素较多，在不同的材料、加工工艺和使用状态下，残余应力的分布、数值不同。残余应力和叶盘的结构有关，叶盘的结构无法改变，但可以通过改变和优化切削过程和切削用量以减小残余应力的分布状态，以及采用减少残余应力的工艺方法加以控制。
3、叶盘加工变形控制工艺方法研究
根据叶盘的结构分析宽弦、大扭角、长悬臂结构，具有典型弱刚性和加工区域封闭性特点，毛坯为钛合金属于难加工材料，同时，基于该发动机的性能要求，增加了篦齿环部分，使叶盘成为弱刚性体，加上叶片曲率变化大、叶片超薄，加之叶盘为旋转件，几何尺寸和型位公差精度要求很高，叶片属于薄壁、弱刚性悬臂叶片，切削力和加工残余应力引起的变形大、控制难。
基于上述因素考虑，采取粗、半精、精加工安排顺序；总体变形控制采用热处理消除残余应力；通过基准修复方法，调整和补偿毛坯粗加工变形误差分布；采用填充工艺提高系统加工刚性，减少加工变形。
3.1叶盘粗加工变形控制
3.1.1低应力插铣开槽加工工艺
从力学角度分析，插铣时切削力沿刀轴方向分力较大，而垂直刀轴方向分力远远小于侧铣，因此刀具所受的弯矩，叶片所受的法向力和变形也小于侧铣。由于刀具和叶片刚度的各向异性，這种方式还有效地减小了刀具和叶片变形的耦合，以及可能的振动，从而获得良好的加工表面质量。
插铣开槽加工特别适合于采用细长刀具才能加工的叶盘狭窄通道和薄壁叶片；插铣方式可有效提高叶盘加工效率，降低残余应力，利于变形控制。
3.2叶盘精加工变形控制
叶盘加工时，薄壁区域受到切削力后会产生颤振并出现严重的“让刀”现象，叶片精加工时刀具及叶片的耦合颤振严重影响叶片的表面加工质量，使叶片表面出现鱼鳞状缺陷。针对叶盘叶片加工产生振颤和“让刀”现象。在切削试验基础上，研究增强叶片刚度和振颤抑制方法，提出了填充工艺增强叶片的刚度，抑制振颤。
3.2.1工艺填充方法介绍
工艺填充方法是目前叶盘加工抑制振颤的最有效途径之一，通过在叶片间的流道内填充支撑材料，增加叶片的刚性、增加对颤振阻尼和振幅的限制达到刚性增强的目的。
3.2.2 数控铣工艺
数控工艺对叶盘精铣加工变形控制，主要是减少叶盘的加工残余应力、弹性变形引起的加工误差方面研究。主要在加工方式选择、加工顺序的安排、“让刀”误差的补偿等影响加工变形几个主要方面进行论述。
1）加工方式的选择
采用对称螺旋铣削方式完成叶盘精加工，对称螺旋铣削精加工采用螺旋线刀具轨迹在叶片两侧在一个螺旋周期内被“对称”地加工，且叶片两侧被切除的加工余量是对称的，加工轨迹如图（2）。采用对称螺旋铣削技术，可减小不对称残余应力引起的变形，有效的控制了粗加工、半精加工后叶片内应力非对称释放和加工残余应力引起的加工变形。
2）加工顺序的安排
加工顺序的优化原则：优先加工对叶片刚度的影响最小的点和区域；优先去除叶片上刚度最小区域的余量。在切除的总加工余量相同的条件下，叶片刚度在加工过程中逐渐下降；通过对加工顺序的优化，可使叶片上各点在余量被切除时刻的弹性变形量达到最小值。
根据叶片的结构特点和技术要求，合理规划叶片加工工艺路线和工序加工顺序，减慢叶片上各点的刚度在被加工之前的下降速度。根据刚性先弱后强的工艺原则，在每个加工阶段始终先加工刚性薄弱的部位，然后再加工刚性最好的部位；在叶盘加工中采用分层加工优化加工方法即遵循了先弱后强的工艺原则，使加工变形达到最小。
采用同步半精铣-精铣加工顺序：对称地切除半精加工时留下的余量，并为精加工留下不小于残余应力层的均匀余量；对称地切除第一步留下的余量和残余应力层。该方法能够减小精加工时切削力引起的残余应力和叶片变形，特别适用于普通切削方法无法加工的薄壁叶片。
3）“让刀”误差补偿
对于叶盘叶片精加工工序，叶片非常薄、通道深而窄、刀具细长，在切削力作用下 ，零件及刀具发生较大变形 ，刀触点处实际切深小于名义值 ，从而产生“让刀”现象，造成一部分材料残留下来，残留下来的余量等于加工过程中的变形量 ，加工完成后变形弹性恢复，造成工件的尺寸、形状和位置误差。在加工条件一定的情况下 ，零件的壁厚越薄 ，受力变形越严重，产生的误差也越大。让刀引起的残余材料是铣刀在切削过程中无法切除的。“让刀”误差补偿的方法在叶盘加工中有两种解决方案：1、精加工后采取光精铣加工方法，即在精加工后采用另类型的铣刀进行光精铣加工消除“让刀”误差。2、对变形采取预补偿技术，对指定的精加工余量进行修正。但这种方法需要根据叶片的刚度场计算出“让刀”误差补偿量，由于影响叶盘精加工系统刚度的因素很多，对于补偿量的确定非常困难，因此采用监测多个同一零件的加工精度，通过对检测数据分析的方法确定加工的补偿量，进行“让刀”补偿。
4 结束语
通过对叶盘变形控制技术的探讨、研究及实践，积累了一些实际经验，掌握了变形原理及控制方法，能够指导并应用于生产。
1引言
复杂薄壁构件叶盘是高推比航空发动机的关键、重要零件，20世纪80年代中期在航空发动机结构设计中出现了叶盘结构，将发动机转子的叶片和轮盘合为一体，使发动机的结构大为简化。发动机叶盘，呈宽弦、大扭角、长悬臂结构，具有典型弱刚性和加工区域封闭性特点，加上叶片曲率变化大、叶片超薄，其新型的结构特征使其加工变形控制成为叶盘加工的技术难点。
2叶盘加工变形影响因素分析
影响叶盘加工变形的因素涉及到叶盘加工的全过程，加工变形控制技术涉及到的主要内容包括变形因素分析及其变形机理、变形量量化分析、变形量控制应用技术研究即采取有效工艺措施控制变形量。
影响薄型叶盘加工变形的因素较多，在加工系统确定的前提下，直接影响叶盘加工质量和加工精度的因素包括加工系统的刚性、切削用量、加工硬化层、残余应力等多个方面。加工硬化层对变形的影响主要指加工硬化层对表面质量的影响程度，加工硬化层能够直接导致加工波纹、加工振动、刀具加快磨损等现象的发生，而表面质量的变化造成加工过程不稳定、加工精度和表面质量降低。
叶片疲劳破坏、断裂是由于应力集中产生了局部塑性变形，应力过大是根本原因。残余应力是一种存在于零件内部并保持平衡的弹性应力，由于外部环境的变化而引起材料的不均匀变形，造成局部应力释放，使零件发生变形。残余应力所受影响因素较多，在不同的材料、加工工艺和使用状态下，残余应力的分布、数值不同。残余应力和叶盘的结构有关，叶盘的结构无法改变，但可以通过改变和优化切削过程和切削用量以减小残余应力的分布状态，以及采用减少残余应力的工艺方法加以控制。
3、叶盘加工变形控制工艺方法研究
根据叶盘的结构分析宽弦、大扭角、长悬臂结构，具有典型弱刚性和加工区域封闭性特点，毛坯为钛合金属于难加工材料，同时，基于该发动机的性能要求，增加了篦齿环部分，使叶盘成为弱刚性体，加上叶片曲率变化大、叶片超薄，加之叶盘为旋转件，几何尺寸和型位公差精度要求很高，叶片属于薄壁、弱刚性悬臂叶片，切削力和加工残余应力引起的变形大、控制难。
基于上述因素考虑，采取粗、半精、精加工安排顺序；总体变形控制采用热处理消除残余应力；通过基准修复方法，调整和补偿毛坯粗加工变形误差分布；采用填充工艺提高系统加工刚性，减少加工变形。
3.1叶盘粗加工变形控制
3.1.1低应力插铣开槽加工工艺
从力学角度分析，插铣时切削力沿刀轴方向分力较大，而垂直刀轴方向分力远远小于侧铣，因此刀具所受的弯矩，叶片所受的法向力和变形也小于侧铣。由于刀具和叶片刚度的各向异性，這种方式还有效地减小了刀具和叶片变形的耦合，以及可能的振动，从而获得良好的加工表面质量。
插铣开槽加工特别适合于采用细长刀具才能加工的叶盘狭窄通道和薄壁叶片；插铣方式可有效提高叶盘加工效率，降低残余应力，利于变形控制。
3.2叶盘精加工变形控制
叶盘加工时，薄壁区域受到切削力后会产生颤振并出现严重的“让刀”现象，叶片精加工时刀具及叶片的耦合颤振严重影响叶片的表面加工质量，使叶片表面出现鱼鳞状缺陷。针对叶盘叶片加工产生振颤和“让刀”现象。在切削试验基础上，研究增强叶片刚度和振颤抑制方法，提出了填充工艺增强叶片的刚度，抑制振颤。
3.2.1工艺填充方法介绍
工艺填充方法是目前叶盘加工抑制振颤的最有效途径之一，通过在叶片间的流道内填充支撑材料，增加叶片的刚性、增加对颤振阻尼和振幅的限制达到刚性增强的目的。
3.2.2 数控铣工艺
数控工艺对叶盘精铣加工变形控制，主要是减少叶盘的加工残余应力、弹性变形引起的加工误差方面研究。主要在加工方式选择、加工顺序的安排、“让刀”误差的补偿等影响加工变形几个主要方面进行论述。
1）加工方式的选择
采用对称螺旋铣削方式完成叶盘精加工，对称螺旋铣削精加工采用螺旋线刀具轨迹在叶片两侧在一个螺旋周期内被“对称”地加工，且叶片两侧被切除的加工余量是对称的，加工轨迹如图（2）。采用对称螺旋铣削技术，可减小不对称残余应力引起的变形，有效的控制了粗加工、半精加工后叶片内应力非对称释放和加工残余应力引起的加工变形。
2）加工顺序的安排
加工顺序的优化原则：优先加工对叶片刚度的影响最小的点和区域；优先去除叶片上刚度最小区域的余量。在切除的总加工余量相同的条件下，叶片刚度在加工过程中逐渐下降；通过对加工顺序的优化，可使叶片上各点在余量被切除时刻的弹性变形量达到最小值。
根据叶片的结构特点和技术要求，合理规划叶片加工工艺路线和工序加工顺序，减慢叶片上各点的刚度在被加工之前的下降速度。根据刚性先弱后强的工艺原则，在每个加工阶段始终先加工刚性薄弱的部位，然后再加工刚性最好的部位；在叶盘加工中采用分层加工优化加工方法即遵循了先弱后强的工艺原则，使加工变形达到最小。
采用同步半精铣-精铣加工顺序：对称地切除半精加工时留下的余量，并为精加工留下不小于残余应力层的均匀余量；对称地切除第一步留下的余量和残余应力层。该方法能够减小精加工时切削力引起的残余应力和叶片变形，特别适用于普通切削方法无法加工的薄壁叶片。
3）“让刀”误差补偿
对于叶盘叶片精加工工序，叶片非常薄、通道深而窄、刀具细长，在切削力作用下 ，零件及刀具发生较大变形 ，刀触点处实际切深小于名义值 ，从而产生“让刀”现象，造成一部分材料残留下来，残留下来的余量等于加工过程中的变形量 ，加工完成后变形弹性恢复，造成工件的尺寸、形状和位置误差。在加工条件一定的情况下 ，零件的壁厚越薄 ，受力变形越严重，产生的误差也越大。让刀引起的残余材料是铣刀在切削过程中无法切除的。“让刀”误差补偿的方法在叶盘加工中有两种解决方案：1、精加工后采取光精铣加工方法，即在精加工后采用另类型的铣刀进行光精铣加工消除“让刀”误差。2、对变形采取预补偿技术，对指定的精加工余量进行修正。但这种方法需要根据叶片的刚度场计算出“让刀”误差补偿量，由于影响叶盘精加工系统刚度的因素很多，对于补偿量的确定非常困难，因此采用监测多个同一零件的加工精度，通过对检测数据分析的方法确定加工的补偿量，进行“让刀”补偿。
4 结束语
通过对叶盘变形控制技术的探讨、研究及实践，积累了一些实际经验，掌握了变形原理及控制方法，能够指导并应用于生产。