航空发动机钛合金焊接式整体叶盘数控铣削工艺及编程技术

度，可有效控制振动。
艺进行了探索。
整体叶盘数控加工程序编制时
（责编 阳光）
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锥度，主轴需要摆角 29°，刚好在其 首先要考虑的是控制刀轴方向，因为
30°摆角范围之内可以铣到锥形盘 通道太窄，叶片扭曲，盘体是锥形等
体。所以，应适当定做专用刀具，可 因素，导致刀轴控制稍有差错就会出
有效解决加工过程中出现的一些问 现干涉，此外退刀、空刀快速移动一
题。
定要控制幅度。粗加工可以采用定
国内外整体叶盘制造采用的主要工艺有：精密铸 造、数控铣削、电解加工、电火花加工等。这些工艺各 有其优缺点，而数控铣削加工灵活快速、可靠性高，因 此发达国家多采用五坐标数控铣削加工整体叶盘。整 体叶盘毛坯一般采用高强度难加工材料，不允许有裂 纹和缺陷，叶片薄、扭曲度大、叶展长、受力易变形，而 且由于叶片间的通道深而窄、开敞性很差，材料切除率 很高，严重影响了数控铣削的可加工性。
给达到 100m m /
m i n。 在 此 基 础
上又改用其他稍
硬的物质填充在
叶 盘 通 道 里（见
图 4），既 能 明 显
减 少 振 颤，又 能
在叶片背面形成 有 力 的 支 撑，抵
图4 在叶盘通道里进行填充
消切削力造成的叶片弹性变形，确保 了叶片的厚度。
结束语
此外，顺铣方式能明显减少加工
本课题分析了钛合金焊接式整
焊接后的整体叶盘数控加工面 临的困难是切除摩擦焊产生的焊接
图2 焊接式整体叶盘粗加工
2009 年第 25 期·航空制造技术 101
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飞边，由于此飞边又细又高又硬，铣 削 时 很 容 易 崩 刃，摩 擦 焊 挤 出 的 飞 边容易从根部折断而将整体叶盘上 的 材 料 带 走，铣 削 效 率 极 低。 因 此 采用线切割或其他方式比铣削方式 可能更合适。
焊接整体叶盘数控加工关键就 是叶片的数控铣削，必须突破下面几 个重大的技术难题：
(1) 叶片之间的通道窄而深，扭 曲 角 度 很 大，刀 具 的 可 达 性 受 到 限 制，必须采用五坐标方式并严格控制
刀具的轴向轨迹； (2) 叶 片 为 变
截面扭曲结构，叶 展 长、叶 片 薄，造 成叶片远端刚性 极差，叶片厚度公 差不足 ±0.1m m， 较小的刀具切削 力就会使叶片外 缘产生较大弹性变形，从而使叶片厚 度公差难以保证； (3) 钛合金优异的弹性性能使得 精加工振颤加剧，必须采取有效的减 振 措 施，避 免 振 动 对 叶 型 表 面 完 整 性、粗糙度、厚度公差及焊缝造成不 利影响； (4) 钛合金属难切削材料，切削 加工本身就是个难题，叶片根部与盘 体转接半径仅为 R3（3mm），只能采 用小直径刀具清根，让刀现象严重； (5) 盘体的外形为锥面，叶片外 廓也是一个锥面，加工困难； (6) 叶 片 的 型 面 不 但 扭 曲 角 度 大，进、排气边缘厚度为 0.3m m，而 且排气边缘有形状要求，刀具端刃切 削时易崩刃； (7) 焊接后叶片是一块长方块形 毛坯，余量分布极不均匀，此外还有 摩擦焊挤出的飞边，又高又细，铣削 十分困难。 总之，该整体叶盘五坐标数控铣 削加工的关键技术包括叶盘通道与 刀 轴 矢 量 的 控 制、 刀具轨迹设计及光 顺 处 理、通 道 的 高 效 粗 加 工 技 术、叶 片型面的精确加工 技 术、加 工 变 形 控 制和叶片与刀具减 振技术等。数控加 工工艺设计及数控 编程必须考虑到以 上 问 题，采 取 有 效 的工艺措施才能保 证设计要求。
制变形与振颤。叶片变形可直接导 片型面。
致厚度尺寸超差；
而加工振颤可导
致叶片表面产生
振 纹（见 图 3），并
且容易使刀具崩
刃，严重影响叶片
表面质量。
采取在叶片
通道间灌注建筑
用胶的方法，改变
了零件的阻尼特 性，确 实 有 效 降
图3 加工振颤产生的叶片表面振纹
低 了 振 颤，并 且
使刀具转速达到
了 1000r/min，进
通过采取上述手段，此类机床能 胜任该整体叶盘的数控加工。另外 由于该叶盘上叶片的厚度为 50m m， 叶展为 90m m，采取立式加工方式可 使用更短的刀具，因此宜采用立式加 工。 2 设计专用工装
整体叶盘的工装设计应能够满 足角向定位和分度的要求，满足翻面 定位夹紧的要求，并能够满足机床摆 角后的行程。图 2 为粗加工时的状 态及工装使用的情景。 3 数控铣削加工工艺过程
高效数控加工 High-Effective NC Machining
图1 整体叶盘三维实体造型
体叶盘毛坯一般采用高强度难加工 材料，不允许有裂纹和缺陷，叶片薄、 扭曲度大、叶展长、受力易变形，而且 由于叶片间的通道深而窄、开敞性很 差，材料切除率很高，严重影响了数 控铣削的可加工性。
数控铣削加工技术包括高精度 五坐标机床技术、工艺技术、五轴联 动编程技术、刀具技术等，它代表了 相关技术领域的最新技术和最高水 平，是 新 型 高 推 重 比 发 动 机 制 造 的 关键技术之一。
振颤。双面加工、减少刀具长度能有 体叶盘的结构特点和工艺难点，针对
效减少刀具振颤。进、排气边缘很薄， 焊接式整体叶盘的结构特点，摸索出
安排在叶片有一定刚性的精加工前 了一整套工艺方案来解决振动和变
进行加工，能减少变形与振颤。选择 形，成功地应用于某钛合金焊接式整
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合理的切削参数，调整转速和进给速 体叶盘的加工，为此类叶盘的加工工
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采用了共 5 级的整体叶盘。根据美 国国防部的高性能涡轮发动机技术 (IHPTET) 的第 3 阶段计划，到 2020 年，战斗机上安装的发动机涡轮都将 采用整体叶盘结构。
我国在新型发动机的设计中也 采用了整体叶盘结构。整体叶盘的 刚性好，平衡精度高。它提高了结构 的气动效率，省去了连接用的榫头和 榫 槽，避 免 了 榫 槽 损 伤 等 潜 在 的 故 障，从而使整台发动机推重比得到显 著提高。
整体叶盘数控加工 工艺设计
1 选择合适的机床 对整体叶盘进行数控铣削最理
想的机床应该是带转台和主轴、能够 摆角的五坐标卧式加工中心，并且主 轴的摆角范围要足够大，能够实现立 卧转换。
由于受设备、任务调度限制，该 叶盘的加工采用了双摆头立式五坐 标龙门铣，AB 摆角范围为 A±30°、 B ±30°。该设备的缺点在于没有转 台，不 能 分 度，A B 摆 角 范 围 有 限。 因此必须针对每个叶片都有一套数 控程序，程序量比带转台的机床多出 了 30 多倍。
粗加工刀具首先要控制刀长，采 用 较 短 的 刀 具 和 直 径 较 大 的 刀 具， 采用侧铣方式，切削效率和减振效果 会明显提高。精加工叶片型面应选 用底角 R 较大的刀具或球头刀具， 配合较小的行距，切出的曲面会很光 顺。
由于叶片根部为 R3，用 φ6 的 刀具刚性太差，无法加工，所以首先 选用 φ12R3 刀具去除余量，然后用 φ16×24 °R3 的 专 用 锥 度 刀 清 根。 特制的锥度刀不但保证了刀杆的刚 性，而且又能实现 R3 的清根，刀具 单 侧 12 °的 锥 度，外 加 盘 体 17 °的
进、排气边缘厚度仅为 0.3m m， 必须在叶片有一定刚性但余量又不 太大的情况下加工，所以应安排在精 加工前进行。采用较小直径刀具，刀 具轨迹垂直于叶片边缘进行行切，行 距 1m m，加工出的边缘曲线效果良 好。
由于叶片的扭曲造成叶片两面 分为凹面和凸面，考虑到机床的摆角 范围，所以要安排双面加工。 4 选择合适的刀具
5 采取有效的减振与变形控制措施 摆角等高线行切，或五坐标侧刃铣
精加工另一面时，叶片的刚性 削，所有刀具轨迹应实现顺铣。精加
已经较差，切削力作用在叶展的端 工刀位轨迹设计要流畅、光顺，行距
头，极易产生弹性变形并同时伴随 要小，才能保证行切出的曲面光顺。
着振颤，所以此面的加工重点是控 清根程序要留少许余量，避免刮伤叶
王文理 北京航空制造工程研究所数字化
与柔性装配技术研究室高级工程师，长 期从事数字化制造与航空产品数控加 工工艺相关技术研究，参与过多项重大 课题和军品型号攻关任务，曾获航空科 学技术一等奖、国防科学技术三等奖， 发表论文 10 余篇。
新型航空发动机设计中普遍采 用整体叶盘结构。美国的先进战斗 机 (ATF) 计划把整体叶盘设计制 造列为核心技术，例如 F414 发动机
钛合金整体叶盘加工 工艺分析
钛合金整体叶盘的盘体和叶片 材料通常采用 (α+β) 双相热强钛 合金，具有良好的高温强度、耐腐蚀 性、断裂韧性、热稳定性和蠕变性能， 能够满足损伤容限设计和高结构效 益及低制造成本等要求。
某钛合金整体叶盘毛坯采用焊 接 结 构，盘 体 粗 加 工 和 叶 片 毛 坯 采 用线性摩擦焊方式成为一个整体叶 盘 毛 坯。 叶 片 为 变 截 面 扭 曲 结 构， 弯 扭 度 大、叶 展 长、叶 片 外 缘 薄、进 气 边 缘 和 排 气 边 缘 厚 度 更 薄（不 足 0.5m m）。叶盘盘体外型面为圆锥 面，叶 片 外 轮 廓 也 是 一 个 倒 圆 锥 面 （如图 1 所示）。
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航空发动机钛合金焊接式整体叶盘 数控铣削工艺及编程技术
NC Milling Process and Programming Technology of Welded Titanium Alloy Blisk of Aeroengine
北京航空制造工程研究所 王文理 王 焱 王 君 苏 毅 张 利
整体叶盘的毛坯从结构上分为
整体式和焊接式 2 类： （1）整 体 式 毛 坯 一 般 采 用 锻 压
技术，锻造出一整块毛坯； （2）焊 接 式 毛 坯 把 采 用 不 同 性
能材料的盘体和叶片焊为一个整体， 或者把空心叶片焊在盘体上，以实现 更特殊的性能。
国内外整体叶盘制造采用的主 要 工 艺 有：精 密 铸 造、数 控 铣 削、电 解加工、电火花加工等。这些工艺各 有其优缺点，而数控铣削加工灵活快 速、可靠性高，因此发达国家多采用 五坐标数控铣削加工整体叶盘。整
整体叶盘外轮廓也是一个倒 圆 锥 面 ，必 须 在 叶 片 较 厚 刚 性 较 好 的 情 况 下 加 工 ，所 以 外 轮 廓 必 须 在 粗加工前先加工，采用 Z 向分层方 式加工。
整体叶盘粗加工的目的就是要 快速去除大余量。粗加工主轴摆角 一方面要能够切到整个叶片表面，另 一 方 面 也 要 考 虑 盘 体 的 锥 度 形 成。 采用直径 20 ～30mm 左右的短刀具 最为适宜。厚度方向分层切削，粗加 工留 2mm 余量，接着进行半精加工， 留 0.3m m 余量，采用底角带 R 的刀 具，分层也可以再细些。