航空钛合金叶片工艺特点的分析

目前，国内航空发动机制造企业几乎均采用人工修磨进排气边的方式制造钛合金压气机叶片、风扇叶片和导向叶片，叶片进排气边厚度散差较大、一致性差，型线不准确，叶片质量不高。随着汽轮机行业逐步采用数控砂带磨床加工叶片型面和进排气边，航空发动机制造企业也相继提出了采用数控砂带磨削加工进排气边的要求，迫切希望能够通过数控砂带磨解决进排气边磨削加工这一航空发动机叶片制造的难题。本文通过对航空钛合金叶片工艺特点的分析和对不同叶片数控砂带磨削的生产实践、工艺试验、验证分析，总结提出航空钛合金叶片实现数控砂带磨　削的几个必要条件和相应对策。

对于航空发动机来说，核心机一旦定型，后续发展主要通过采用新技术、新设计，加大风扇直径，增加增压压气机级数，改进高压压气机、高压涡轮叶型设计，提高高压涡轮叶片材料与涂层的耐高温性能等来提高部件效率和发动机的推力。航空发动机叶片和汽轮机叶片的制造工艺差别很大，前者主要采用成型法，而后者主要采用去除材料法。汽轮机叶片的材料多为不锈钢，一般先是铣削出叶片径向面作为径向基准，加工肩台或榫槽与顶尖孔作为轴向基准，然后采用多轴联动机床加工叶身型线，最后经数控砂带磨抛光完成；航空叶片一般采用钛合金精密锻造、铸造方法制造压气机叶片，采用扩散连接/ 超塑性成型（DB/SPF）法制造钛合金宽弦风扇叶片，叶片型面是靠模具成型保证的，型面精度空间误差不超过0.15mm，成型后不再加工，直接用作型面定位夹具的基准用来加工叶根榫槽和进排气边。因此，航空钛合金叶片的加工主要是进排气边的加工，对于数控砂带磨削加工，其加工难点有以下几个主要方面。
（1）航空叶片进排气边非常薄，大型的风扇叶片也仅有R0.3mm 左右，小的压气机叶片有些甚至会达到R0.1mm 级别。这就使得在进行砂带磨削时，必须采用很小的接触力进行磨削，否则难以保证型面精度，这对于砂带磨削装置的接触力控制提出了很高的要求。
（2）磨削余量不均匀。锻造的钛合金压气机叶片和超塑成型风扇叶片一般采用铣削或线切割进排气边锻造飞边（保证弦宽），然后进行进排气边磨削抛光加工，这一加工特点使得进排气边圆角（或局部椭圆截面）部分加工余量很不均匀，如下图所示：红色部分为毛坯外轮廓，圆弧部分为进排气边的理论曲线。

（3）叶片变形问题。这个问题和磨削余量不均匀是同类问题，锻造钛合金叶片和超塑成型叶片均在一定温度下完成形变，受残余应力影响都存在变形，尤其是压气机叶片，变形的数量级与叶片进排气边厚度在同一量级，达到0.1mm 以上，这和航空叶片一般型面空间误差0.05mm 左右相比就太大了，必须予以修正。

（4）基准问题，型面定位、叶片装夹后的一致性问题。精锻叶片和超塑成型叶片型面精度很好，但仍然是粗基准，这和汽轮机叶片铣削基准相比还是比较粗。如上所述，这个装夹定位误差在数量级上和叶片变形误差相当，这也是不能不考虑到的一个重要影响因素，也必须通过修正坐标系来解决。此外，进排气边磨削时，冷却条件不好，很薄的边缘散热条件不好，叶片进排气边容易产生烧蚀，这也给叶片进排气边磨削带来一定困难；对于超塑成型风扇叶片，除了进排气边，型面也需要磨削抛光，还存在型面余量不均匀、变形误差等问题。