葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，如圖1所示，葉片的加工精度和質(zhì)量對(duì)航空發(fā)機(jī)的效率和性能以及安全可靠性都有直接的影響，而占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工總量30% 以上的葉片加工一直是我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體水平提高的“瓶頸”。        美國(guó)NASA-Lewis 研究中心的研究結(jié)果表明，當(dāng)葉片的輪廓精度在0.025mm左右時(shí)，如果葉片表面粗糙度Ra由3.1μm 降低到0.51μm 后，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率將在設(shè)計(jì)值附近提高3%~6% ；如果發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速工作在設(shè)計(jì)值60% 的低速狀態(tài)時(shí)，效率也會(huì)提高1%~3% ；當(dāng)葉片的表面粗糙度為0.51μm 時(shí)，其輪廓誤差由0.025mm降低到0.0125mm 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣比將再提高1% 以上，尤其是進(jìn)氣邊緣占葉片型面10% 的輪廓誤差對(duì)效率的影響最大。
       以上研究結(jié)果說(shuō)明葉片型面的加工精度和質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有直接的影響，特別是對(duì)超音速飛機(jī)來(lái)說(shuō)，其影響更為明顯。另一方面，葉片型面的高精度和高質(zhì)量制造對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗也有明顯的貢獻(xiàn)，美國(guó)第六代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)研究項(xiàng)目ADVENT 將實(shí)現(xiàn)燃油消耗下降25%，其中壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造大約占其中的5%~7%。民用發(fā)動(dòng)機(jī)LEAP-X 型號(hào)中，將通過(guò)優(yōu)化壓氣機(jī)設(shè)計(jì)和制造降低燃油消耗7%左右。
       按照變形的形成機(jī)理可以將葉片的加工變形分為3 種類(lèi)型：
       （1）葉片受切削力作用而導(dǎo)致的變形，也稱(chēng)為“讓刀”變形；
       （2）因過(guò)定位支撐和裝夾誤差引起的變形；
       （3）因加工表面殘余應(yīng)力而引起的變形。葉片的最終變形是由幾種變形綜作用的結(jié)果，不同變形機(jī)理引起的葉片變形要采用不同的變形控制方法。
       目前，數(shù)控銑削是葉片型面的主要加工方式，其變形控制機(jī)理和方法能夠基本滿(mǎn)足葉片型面輪廓精度在0.05~0.07mm 的加工需要。
       一、葉片型面的主要變形
       “讓刀”變形
       航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是典型薄壁的弱剛性零件，在銑削加工中易受切削力作用而產(chǎn)生“讓刀”變形；同時(shí)，葉片常采用高溫不銹鋼、高溫鈦合金、鎳基高溫合金或金屬基復(fù)合材料等性能優(yōu)良的材料，這些材料的切削加工性較差，切削加工過(guò)程中切削力相對(duì)較大，而且刀具磨損較快，切削力也會(huì)隨之增大，加劇了“讓刀”變形的程度，尤其是在葉片的葉尖和進(jìn)排氣邊緣等剛性較差的部位，變形更為嚴(yán)重。
       定位支撐或裝夾誤差
       為了增強(qiáng)葉片在加工過(guò)程中的剛性，最簡(jiǎn)單且直接的方法就是在葉片完全定位且?jiàn)A緊的情況下，再對(duì)葉片增加輔助支撐，間接提高葉片的剛性。如圖4 所示，在葉身型面上增加支撐柱等。在輔助支撐的作用下，葉片處于過(guò)定位狀態(tài)，輔助支撐的精度將直接影響葉片的加工精度。通過(guò)提高夾具及輔助支撐裝置的加工和安裝精度可以滿(mǎn)足一般精度葉片的加工需要，并且這種方法已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，取得很好的效果。
        二、葉片加工變形控制方法
       國(guó)內(nèi)外研究者主要通過(guò)裝夾方式、工藝及加工參數(shù)優(yōu)化、變形預(yù)測(cè)與誤差補(bǔ)償、電解加工及超硬磨料砂輪高速磨削等方式對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形控制方法展開(kāi)探索和研究。
       利用裝夾方式控制葉片變形
       控制葉片因受到切削力作用而產(chǎn)生的變形，最簡(jiǎn)單且直接的方法就是對(duì)葉片進(jìn)行過(guò)定位裝夾或輔助支撐，間接提高葉片的剛性，從而達(dá)到減小葉片受力變形的目的。
       為了最大限度地降低因過(guò)定位裝夾或輔助支撐裝置的制造誤差對(duì)葉片加工精度的影響，國(guó)內(nèi)外研究者提出利用低熔點(diǎn)合金對(duì)葉片整體包裹支撐的方式，將融化的低熔點(diǎn)合金澆灌在葉片型面的四周，對(duì)其進(jìn)行輔助支撐。低熔點(diǎn)合金較低的融化溫度也有效地避免了葉片的受熱變形，從而使葉片的過(guò)定位輔助支撐具有極高的精度。
       利用夾具及輔助支撐的方式能夠有效地控制葉片的“讓刀”變形，但不可避免地使葉片產(chǎn)生過(guò)定位裝夾變形，需要根據(jù)葉片的加工精度來(lái)決定夾具及輔助支撐的精度。同時(shí)，葉片的殘余應(yīng)力變形不能通過(guò)過(guò)定位裝夾和支撐進(jìn)行控制，此方法適用于殘余應(yīng)力變形較小的葉片加工。
       利用工藝及加工參數(shù)優(yōu)化控制葉片的變形
       （1）利用加工余量分配調(diào)整加工工藝，增強(qiáng)葉片加工剛性。葉片之所以產(chǎn)生加工變形，最主要原因就是其剛性較差，通過(guò)工藝手段使剛性增強(qiáng)也是控制葉片加工變形的有效手段之一。
       （2）利用對(duì)稱(chēng)加工工藝和自適應(yīng)夾具控制葉片殘余應(yīng)力變形。一般情況下，葉片均采用單面銑削加工工藝，即在半精加工和精加工工序中，先加工葉盆或葉背，之后再進(jìn)行另一面的加工。采用這種加工工藝，由于葉盆、葉背型面的加工表面殘余應(yīng)力處于非平衡狀態(tài)，極易導(dǎo)致葉片型面產(chǎn)生彎扭變形。
       （3）通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化減小葉片的變形。為了彌補(bǔ)葉片過(guò)定位裝夾和輔助支撐對(duì)葉片變形控制的不足，并進(jìn)一步降低葉片輪廓的加工誤差，研究人員對(duì)其他變形控制輔助工藝以及加工工藝過(guò)程和參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化，在葉片加工剛性相對(duì)不變的情況下，進(jìn)一步控制葉片的變形。在其他加工條件和輔助工藝既定的情況下，加工參數(shù)優(yōu)化是其他變形控制手段的基礎(chǔ)，只有對(duì)葉片加工參數(shù)及工藝條件進(jìn)行較為充分的優(yōu)化，才能使葉片的加工精度得到基本的保證，并為后續(xù)的變形控制奠定良好的基礎(chǔ)。
       利用變形預(yù)測(cè)與誤差補(bǔ)償控制葉片的變形
       葉片綜合誤差補(bǔ)償是目前應(yīng)用較為廣泛的葉片綜合變形控制方式，其主要思路是利用理論分析及有限元模擬仿真、變形測(cè)量等手段得到葉片在穩(wěn)定的加工工藝下的變形規(guī)律及分布情況，然后通過(guò)適當(dāng)修改葉片的三維模型或刀具加工軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償（如圖6 所示），這種變形控制方式非常適合葉片的大批量生產(chǎn)。
       葉片加工變形綜合補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于控制葉片的綜合變形、提高葉片的加工精度具有明顯的作用。理論上來(lái)說(shuō)，只要能夠精確地測(cè)量到葉片的變形量，且葉片在既定的加工工藝條件下變形非常穩(wěn)定，在進(jìn)行多次誤差補(bǔ)償試驗(yàn)后，那么總能得到高精度的合格葉片；而且通過(guò)誤差補(bǔ)償進(jìn)行葉片綜合變形控制的技術(shù)通用性很強(qiáng)，無(wú)論是對(duì)葉片受力而產(chǎn)生的“讓刀”變形，還是殘余應(yīng)力變形都能起到很好的作用。
       采用電解加工控制葉片的變形
       改變?nèi)~片的加工方式和加工原理也是控制葉片變形的有效方法。對(duì)于葉片加工來(lái)說(shuō)，剛性弱是限制其精度提高的重要因素。因此，國(guó)內(nèi)外研究者將化學(xué)銑削、電解加工等無(wú)應(yīng)力材料去除加工技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪葉片型面的加工領(lǐng)域。
       化學(xué)銑削加工是利用化學(xué)腐蝕液對(duì)零件表面進(jìn)行均勻腐蝕去除的一種無(wú)應(yīng)力材料加工方法。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工領(lǐng)域內(nèi)，主要應(yīng)用于精密鍛造后鈦合金或高溫不銹鋼葉片表面“硬皮”的去除加工，提高葉片后期的機(jī)械加工性能，也可作為葉片型面的最終加工工序，提高加工表面質(zhì)量。但是，化銑只是均勻去除葉片表面（或者局部表面）的一層材料，并不是通過(guò)控制葉片型面的變形來(lái)提高其輪廓精度。另一方面，化銑容易在鈦合金葉片表面形成氫污染和晶間腐蝕現(xiàn)象，造成葉片不合格，航空企業(yè)目前也逐漸將化銑用于葉片鍛造毛坯后的粗加工。
       葉片全型面精密電解加工能夠在加工過(guò)程中徹底避免葉片型面受到力的作用，從加工機(jī)理出發(fā)，徹底摒除了葉片弱剛性對(duì)其加工精度的影響；同時(shí)，加工表面不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和加工硬化，也避免了葉片因加工表面殘余應(yīng)力而形成的無(wú)規(guī)律變形；另外，電解加工的材料去除率較高，尤其是針對(duì)切削性能較差的高性能材料來(lái)說(shuō)，其加工效率高于銑削加工。
       因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)于葉片全型面的電解加工進(jìn)行了許多研究。葉身全方位電解加工技術(shù)于20 世紀(jì)80 年代成功地運(yùn)用于美國(guó)GE 和英國(guó)Rolls-Royce 公司鎳基渦輪葉片和鈦合金壓氣機(jī)葉片的加工領(lǐng)域。德國(guó)MTU、Leistritz 公司也采用拷貝式電解加工工藝進(jìn)行葉輪型面的整體加工，如圖7 所示。英國(guó)的Amchem 公司已經(jīng)生產(chǎn)出陰極斜向進(jìn)給、軸向供液的葉片電解加工專(zhuān)用機(jī)床。
       采用超硬磨料砂輪高速磨削加工
       控制葉片的變形針對(duì)現(xiàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的高性能難加工材料高溫鈦合金和鎳基高溫合金加工，超硬磨料砂輪的高速磨削加工方式磨削力小，其優(yōu)
       勢(shì)更為明顯。超硬磨料的硬砂輪磨削加工方式以微量去除、磨削力連續(xù)、難加工材料加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)很好地適應(yīng)了發(fā)動(dòng)機(jī)高性能葉片精密加工的需要。多軸聯(lián)動(dòng)硬砂輪磨削加工已經(jīng)在國(guó)際上多家重要的發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司得到了應(yīng)用，如美國(guó)Pratt & Whitney、德國(guó)MTU、英國(guó)Rolls-Royce 等。