两机叶片丨北航&清华大学：航空发动机薄壁异形复杂叶片的精密加工工艺及装备

1 序言  

在航空航天产业中，轻质高强的薄壁零件被广泛地使用，是实现航空发动机等重要装备性能的关键零部件[1]。例如，大涵道比航空发动机的钛合金风扇叶片（见图1）长度可达到1m，具有复杂的叶身型面和阻尼台结构，而最薄部位的厚度仅有1.2mm，属于典型的大尺寸薄壁异形零件[2]。叶片作为典型的薄壁异形弱刚性零件，在加工过程中容易出现加工变形和振颤问题[3]，这些问题严重影响叶片的加工精度和表面质量。

图1 航空发动机常见薄壁零件

发动机的性能很大程度上取决于叶片的制造水平，发动机运行过程中叶片需要在高温高压等极端运行环境下稳定工作，这要求叶片材料必须具备良好的强度、疲劳抗力以及耐高温腐蚀能力，并保证组织稳定性[2]。通常，航空发动机叶片会使用钛合金或者高温合金材料。但是，钛合金与高温合金的切削加工性差，切削过程中切削力大、刀具磨损快，随着刀具磨损程度加剧，切削力会进一步增大，导致加工变形和振动更加严重，造成零件加工的尺寸精度低、表面质量差。为满足极端工况下发动机的服役性能要求，叶片的加工精度和表面质量要求极高。以国产某型大涵道比涡扇发动机使用的钛合金风扇叶片为例，叶片总长度达到681mm，而厚度则＜6mm，型面轮廓度要求－0.12～+0.03mm，进排气边尺寸精度要求－0.05～+0.06mm，叶身截面扭转误差±10′以内，表面粗糙度值Ra优于0.4μm。这通常需要在五轴数控机床上进行精密加工。然而，由于叶片自身刚性弱、结构复杂而且材料难加工，为了保证加工的精度与质量，工艺人员不得不在加工过程中对切削参数进行多次调整，这严重限制了数控加工中心的性能发挥，造成了巨大的效率浪费[4]。因此，在数控加工技术快速发展的今天，如何实现薄壁零件加工变形控制和振动抑制，充分发挥数控加工中心的加工能力，已成为先进制造企业的迫切需求。

对薄壁弱刚性零件变形控制技术的研究从很早就引起了工程师和研究者的关注。在早期的生产实践中，人们常用在薄壁结构两侧进行交替铣削的水线策略[5]，这在一定程度上可以简便地减弱变形和振动对尺寸精度带来的不良影响。此外，还有通过设置加强筋等预制牺牲结构的方式来提高加工刚度[6]。

本文将首先对叶片常用难加工材料的切削技术发展进行简述；其次，全面总结国内外航空发动机叶片精密加工工艺以及数控智能工艺装备的相关研究成果；最后，对航空发动机叶片加工技术的发展趋势做展望。

2 难加工材料切削技术

为了满足在高温高压环境下的稳定服役要求，航空发动机叶片常用材料为钛合金或高温合金，近年来，钛铝金属间化合物也成为一种极有应用潜力的叶片材料。钛合金具有导热性低、塑性低、弹性模量低以及亲合力强等特点，使其切削过程中出现切削力大、切削温度高、加工硬化严重和刀具磨损大等问题，是典型的难加工材料（微观组织形貌见图2a）[7]。高温合金的主要特点是塑性及强度高，导热性差，并且内部含有大量致密的固溶体[8]。在切削过程中塑性变形使得晶格严重扭曲，变形抗力大，导致切削力大并伴随严重的冷硬现象，也是典型的难加工材料（微观组织形貌见图2b）。因此，研发钛合金与高温合金等难加工材料的高效精密切削技术至关重要。为了实现难加工材料的高效精密加工，国内外学者从创新切削加工方法、优选加工刀具材料以及优化切削参数等方向进行深入研究。

图2 微观组织形貌

2.1 切削加工方法创新

在切削加工方法的创新研发方面，学者们通过引入激光加热、低温冷却等辅助手段，改善材料的可加工性，实现高效切削加工。激光加热辅助加工[9]（见图3a）的工作原理是将高功率激光束聚焦到切削刃前的工件表面，通过光束局部加热的方式软化材料，降低材料的屈服强度，从而降低切削力和减小刀具磨损，提升切削加工的质量和效率。低温冷却辅助加工[10]（见图3b）则是使用液氮、高压二氧化碳气体等冷却介质喷涂到切削部位，对切削加工过程进行冷却，避免因为材料导热性能差引起的局部切削温度过高问题，还使得工件局部冷脆，增强断屑效果。英国的Nuclear AMRC公司成功使用高压二氧化碳气体对钛合金的加工过程进行冷却，与干切削状态对比分析表明，低温冷却辅助加工不仅能够降低切削力，提高切削加工表面的质量，还能有效减小刀具磨损，增长刀具的使用寿命。此外，超声振动辅助加工[11，12]（见图3c）也是难加工材料高效切削加工的有效方法。通过在刀具上施加高频、微小幅度的振动，实现加工过程中刀具与工件之间发生间断性分离，改变了材料去除机理，增强了动态切削的稳定性，有效避免刀具与已加工表面间的摩擦，降低切削温度和切削力，降低表面粗糙度值，减小刀具磨损，其优良的工艺效果已经得到广泛的关注。

图3 难加工材料辅助切削加工方法

2.2 刀具材料的选用

对于钛合金等难加工材料，优选刀具材料可以有效改善切削加工效果[8，13]。研究表明，对于钛合金加工，根据加工速度可以选择不同刀具进行加工，低速切削采用高钴高速钢加工，中速切削采用带有三氧化二铝涂层的硬质合金刀具，高速切削采用立方氮化硼（CBN）刀具；对于高温合金加工，应选用硬度高、耐磨性好的高钒高速钢或YG硬质合金刀具进行加工。

2.3 优选切削参数

切削参数同样是影响加工效果的重要因素，对应材料使用合适的切削参数加工能够有效提高加工质量与效率。以切削速度参数为例，切削速度低容易在材料表面形成积屑瘤区，降低表面加工精度；切削速度高容易发生热量积聚，引起工件和刀具的烧伤。对此，哈尔滨理工大学翟元盛教授团队分析常用难加工材料的机械物理性质，通过正交加工试验总结出难加工材料切削速度推荐表[14]（见表1），使用表中推荐的刀具和切削速度进行加工能够有效减小加工缺陷与刀具磨损，提高加工质量。

表1 难加工材料切削速度推荐（单位：m/min）

3 叶片复杂曲面的精密数控加工工艺

近年来，随着航空产业快速发展，市场需求攀升，使得薄壁叶片的高效精密加工要求日益提高，对更高精度的变形控制技术的需求更加迫切。在智能制造技术背景下，结合现代电子信息技术来实现航空发动机叶片加工变形和振动的智能控制，是许多研究人员的关注热点。将智能数控系统引入叶片复杂曲面的精密加工工艺，基于智能数控系统对加工过程的误差进行主动补偿，可有效抑制变形与振动。

对于加工过程中的主动误差补偿，为了实现刀具路径等加工参数的优化调控，需要首先得到工艺参数对加工变形和振动的影响关系。常用的手段有两种：一是通过在机测量及误差分析对每次走刀的结果进行分析和推理[15]；二是通过动力学分析[16]、有限元建模[17]、试验[18]和神经网络[19]等方法建立加工变形和振动的预测模型（见图4）。

图4 加工振动预测模型[19]

图5 基于刀具路径规划的误差补偿[20]

基于上述模型与方法，许多企业研发或改进了数控加工中心的数控系统，实现薄壁零件加工参数的实时自适应调控。以色列OMAT公司的优铣系统[24]是这一领域的典型代表，主要是通过自适应技术调整进给速度，达到恒力铣削的目的，实现复杂产品高效率高质量加工。此外，北京精雕通过在机测量自适应补偿完成蛋壳表面图案雕刻的经典技术案例也应用了类似的技术[25]。美国GE公司的THERRIEN[26]提出了加工过程中数控加工代码实时修正方法，为复杂薄壁叶片的自适应加工和实时调控提供了基础技术手段。欧盟航空发动机涡轮部件自动化修复系统（AROSATEC）在叶片进行增材修复后实现自适应精密铣削加工，已应用于德国MTU公司及爱尔兰SIFCO公司的叶片修复生产[27]。

4 基于智能工艺装备的加工刚度提升

使用智能化工艺装备提高工艺系统刚度、改善阻尼特性，同样是抑制薄壁叶片加工变形振动以及提高加工精度、改善表面质量的有效方法。近几年，在航空发动机各类叶片的加工工艺中，大量不同的工艺装备得到应用[28]。由于航空发动机叶片普遍具有薄壁异形的结构特征，装夹定位区域小，加工刚度低，在切削载荷作用下会出现局部变形，因此，叶片加工工艺装备通常在满足六点定位原理的基础上对工件施加辅助支撑[29]，以优化工艺系统刚性、抑制加工变形。薄壁异形曲面对工装的定位与装夹提出了两点要求：一是工装的夹紧力或接触力应在曲面上尽可能均匀分布，以避免工件在夹紧力作用下出现严重局部变形；二是工装的定位、夹紧和辅助支撑元件需要较好地配合工件的复杂曲面，以在每个接触部位产生均匀的面接触力。针对这两点要求，学者提出了柔性工装系统。柔性工装系统可以分为相变柔性工装和自适应柔性工装。相变柔性工装利用流体相变前后的刚度和阻尼变化：处于液态相或流动相的流体刚度和阻尼较低，可以在低压作用下适应工件的复杂曲面，之后利用电/磁/热等外界作用使流体转变为固态相或固结，刚度和阻尼大幅提高，从而为工件提供均匀柔顺的支撑，起到抑制变形和振动的作用。

航空发动机叶片传统加工工艺中的工艺装备是使用低熔点合金等相变材料进行填充辅助支撑，即对工件毛坯进行六点定位夹持后，将工件的定位基准通过低熔点合金浇注成为一个浇注块，对工件进行辅助支撑，并且把复杂的点定位转换成规则的面定位，进而进行待加工部位的精密加工（见图6）。这种工艺方法存在明显的缺陷：定位基准转换导致定位精度下降；生产准备复杂、低熔点合金的浇注和融化也带来了工件表面的残留和清理问题，同时浇注和融化的工况也比较恶劣[30]。为了解决上述工艺缺陷，常用的方法是引入一种多点支撑结构与相变材料相结合[31]，支撑结构上端与工件接触进行定位，下端浸入低熔点合金腔室中，基于低熔点合金的相变特性实现柔性辅助支撑。虽然引入支撑结构能够避免低熔点合金接触叶片产生的表面缺陷，但是受到相变材料的性能限制，相变柔性工装无法同时满足高刚度和高响应速度两大需求，难以应用于高效率自动化生产当中。

图6 低熔点浇注生产叶片[29]

为了解决相变柔性工装存在的弊端，众多学者将自适应理念融入柔性工装的研发设计中。自适应柔性工装能够通过机电系统来自适应匹配复杂叶身形状和可能存在的形状误差。为保证接触力在整个叶身均匀分布，工装通常使用多点辅助支撑形成支撑矩阵。清华大学王辉团队提出了一种适用于近净成形叶片加工的多点柔性辅助支撑工艺装备[32，33]（见图7）。该工装采用多个柔性材料夹紧元件对近净成形叶片的叶身曲面进行辅助支撑，提高了每个接触区域的接触面积，保证夹紧力在每个接触部位以及整个叶身上的均匀分布，从而提高工艺系统刚度，有效地防止叶片的局部变形。该工装具有多个被动自由度，在避免过定位的同时能够自适应匹配叶身形状及其误差。除了通过柔性材料实现自适应支撑外，电磁感应原理也应用于自适应柔性工装的研发。北京航空航天大学杨毅青团队发明了一种基于电磁感应原理的辅助支撑装置[34]。该工装使用由电磁信号激励的柔性辅助支撑，能够改变工艺系统阻尼特性。在装夹过程中，辅助支撑在永磁铁作用下自适应匹配工件形状。在加工过程中，工件产生的振动会传递到辅助支撑上，根据电磁感应原理激发反向电磁力，实现对薄壁工件加工振动的抑制。

图7 多点柔性辅助支撑工艺装备

目前在工艺装备设计过程中，普遍使用有限元分析、遗传算法等手段来优化多点辅助支撑的布局[35]，但是优化的结果通常只能保证在一点上的加工变形量达到最小，而并不能保证在其他加工部位也能起到同等的抑制变形效果。在叶片加工过程中，通常在同一机床上对工件进行一系列的走刀加工，但加工不同部位的装夹需求是不同的，甚至可能是时变的。对于静态多点支撑方法，如果通过增加辅助支撑的数量来提高工艺系统刚度，一方面会增大工装的质量和体积，另一方面也压缩了刀具的运动空间。而如果在加工不同部位时重新设置辅助支撑的位置，则必然会中断加工过程，降低加工效率。因此，根据加工过程自动在线调节支撑布局和支撑力的随动工艺装备[36-38]被提出。随动工艺装备（见图8）能够在任一加工工序开始前，基于时变切削过程的刀具轨迹与工况转变，通过刀具与工装的协同配合实现动态支撑：先将辅助支撑移动到有助于抑制当前加工变形的位置，使工件的加工区域受到积极支撑，而工件其他部位在尽可能少的接触下保持定位不变，从而匹配加工过程中时变的装夹需求。

图8 随动工艺装备[36]

为了进一步提升工艺装备的自适应动态支撑能力，匹配加工过程中更复杂的装夹需求，提高叶片加工生产的质量和效率，将随动辅助支撑拓展为多个动态辅助支撑形成的群，要求各个动态辅助支撑协调行动，根据制造过程的时变要求，自动快速重构支撑群与工件的接触，并且重构过程不干扰整个工件的定位、不引起局部位移或振动，基于这一概念的工艺装备称为自重构群夹具[39]，具有灵活性、可重构性和自主性的优点。自重构群夹具能够根据制造过程的需求将多个辅助支撑分配到待支撑表面的不同位置，能够适应较大面积的复杂形状工件，在保证足够刚度的同时消除冗余支撑。夹具的工作方法是控制器按照编定的程序发送指令，移动基座按照指令将支撑元件带到目标位置，支撑元件自适应工件局部几何形状实现顺应支撑。单个支撑元件与工件局部的接触区域的动力学特性（刚度和阻尼）可通过改变支撑元件的参数进行控制（例如，对液压支撑元件通常可改变输入的液压力从而改变接触特性）。工艺系统的动力学特性由多个支撑元件与工件的接触区域的动力学特性耦合而成，与每个支撑元件的参数、支撑元件群的布局有关。对于自重构群夹具的多点支撑重构的方案设计需要考虑以下三个问题：适应工件的几何形状、支撑元件快速重新定位、多点支撑协调配合[40]。因此，自重构群夹具在使用时，需要以工件形状、载荷特性及固有边界条件为输入，求解不同加工状态下的多点支撑布局与支撑参数，规划多点支撑移动路径，将求解结果生成控制代码，导入控制器。目前，国内外学者均在自重构群夹具方面进行了一些研究与尝试。国外方面，欧盟项目SwarmItFIX开发了一种新的高度适应性自重构夹具系统[41]，该系统使用一组移动辅助支撑在工作台上自由移动并实时重新定位，以更好地支撑加工零件。SwarmItFIX系统的原型已在该项目中实现（见图9a），并在一家意大利飞机制造商的场地上进行了测试。国内则是有清华大学王辉团队制作了一种可与机床协同控制的四点装夹支撑工作台[42]（见图9b），可以在涡轮叶片榫根的精加工过程中对处于悬臂状态的榫根进行支撑以及自动刀具避让。在加工过程中，四点辅助支撑与数控加工中心协同配合，根据刀具运动位置重构四点接触状态，既避免了刀具与辅助支撑相互干涉，又保证了支撑效果。

图9 高度适应性自重构夹具系统[42]

5 未来发展趋势讨论

5.1 新型材料

随着航空发动机推重比设计要求的不断提高，零件数量逐渐减少，零件的应力水平越来越高，传统的两种主要高温结构材料的使用性能已经到了其极限水平。近几年，航空发动机叶片新型材料发展迅速，越来越多性能优良的材料被用来制作薄壁叶片，其中γ-TiAl合金[43]具备比强度高、耐高温和抗氧化性好等优良性能的同时，密度是3.9g/cm3，仅为高温合金的一半，未来作为700～800℃承温区间的叶片很有潜力。尽管γ-TiAl合金具有优良的力学性能，但是其硬度大、热导率低、断裂韧度低以及脆性大等特征，导致γ-TiAl合金材料切削加工表面完整性差，精度低，严重影响零件的使用寿命，因此γ-TiAl合金的加工研究具有重要的理论意义与价值，是当前叶片加工技术的一个重要研究方向。

5.2 时变自适应加工

航空发动机叶片曲面复杂并且形状精度要求高，其精密加工目前主要采用基于路径规划、模型重构的几何自适应加工方法，该方法能有效减小定位、装夹等产生的误差对叶片加工精度的影响。但是，由于模锻叶片毛坯的余量厚度不均匀，导致刀具在按照规划路径进行切削加工的过程中，不同区域的切削深度不同，为切削加工带来不确定因素，影响加工稳定性。未来，在数控自适应加工过程中，应该更好地跟踪实际加工的状态变化[44]，从而显著改进复杂曲面的加工精度，形成基于实时反馈数据调整切削参数的时变调控自适应加工方法。

5.3 智能化工艺装备

叶片作为发动机中数量最大的一类零件，其制造效率直接影响发动机整体的制造效率，而叶片的制造品质直接影响发动机的性能与寿命。因此，叶片智能化精密加工已成为当今世界发动机叶片制造的发展方向。机床与工艺装备的研发是实现叶片加工智能化的关键。随着数控技术的发展，机床的智能化水平迅速提高，加工生产能力大幅增强。因此，智能工艺装备的研发创新是薄壁叶片高效精密加工的重要发展方向。高度智能化的数控机床与工艺装备结合，形成叶片智能化加工系统（见图10），实现薄壁叶片的高精度、高效率和自适应数控加工。

图10 叶片智能化加工系统

6 结束语

叶片是航空发动机制造领域长期的重大需求，是航空发动机制造的难点之一，也是一个国家先进制造技术发展水平的重要体现。为实现叶片的高效率高质量加工，众多学者在精密加工工艺创新和智能工艺装备研发等方面开展研究，取得了突破性进展。未来，以时变调控为核心的自适应加工工艺与智能化数控工艺装备是航空发动机叶片精密加工的重要研究方向。应围绕国家航空发动机先进制造重大战略需求，深入探究叶片加工工艺的基础理论和关键技术，促进我国航空发动机叶片先进加工技术的跨越发展。