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航空发动机叶片精密加工技术与装备
叶片作为实现航空发动机性能的关键部件，具有壁薄、形状异形、结构复杂、材料加工难度大、加工精度和表面质量要求高等典型特点。如何实现叶片的精密高效加工是当前航空发动机制造领域的一大挑战。通过对影响叶片加工精度的关键因素分析，全面总结叶片精密加工技术与装备的研究现状，并对航空发动机叶片加工技术的发展趋势进行了展望。
前言
在航空航天工业中，轻量化、高强度的薄壁零件应用十分广泛，是实现航空发动机等重要设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1米，叶片型面和阻尼平台结构复杂，最薄处厚度仅为1.2 mm，是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，在加工过程中易产生加工变形和振动[3]，这些问题严重影响叶片的加工精度和表面质量。
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发动机的性能很大程度上取决于叶片的制造水平。在发动机运行过程中，叶片需要在高温、高压等极端运行环境下稳定工作，这就要求叶片材料必须具有良好的强度、抗疲劳性能和耐高温腐蚀性能，保证结构稳定性[2]。航空发动机叶片通常采用钛合金或高温合金。但钛合金和高温合金的可加工性较差，在切削过程中，切削力较大，刀具磨损较快，随着刀具磨损的加剧，切削力会进一步增大，产生更为严重的加工变形和振动，导致零件尺寸精度低、表面质量差。为满足发动机在极端工况下的服役性能要求，叶片的加工精度和表面质量要求极高。以国产某大涵道比涡扇发动机采用的钛合金风扇叶片为例，叶片总长度达681mm，而厚度不足6mm。 轮廓要求为-0.12至+0.03mm，进排气边尺寸精度为-0.05至+0.06mm，叶片截面扭转误差在±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。但由于叶片刚性弱、结构复杂、材料难加工，为保证加工精度和质量，工艺人员在加工过程中不得不多次调整切削参数，严重限制了数控加工中心性能的发挥，造成了巨大的效率浪费[4]。因此，在数控加工技术飞速发展的今天，如何实现薄壁件的变形控制与振动抑制，充分发挥数控加工中心的加工能力，成为先进制造企业的迫切需求。
薄壁弱刚性零件的变形控制技术研究很早就引起了工程师和研究人员的关注。在早期的生产实践中，人们经常采用在薄壁结构两侧交替铣削的水线策略[5]。这可以在一定程度上减少变形和振动对尺寸精度的不利影响。此外，还有一种是通过设置加强筋等预制牺牲结构来提高加工刚度的方法[6]。
本文首先简要叙述叶片常用难加工材料切削技术的发展；其次全面总结国内外航空发动机叶片精密加工技术及数控智能工艺装备的相关研究成果；最后展望航空发动机叶片加工技术的发展趋势。
难切削材料的切削技术
为了满足高温高压环境下稳定服役的要求船用柴油机，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极具应用潜力的叶片材料。钛合金具有热导率低、塑性低、弹性模量低、亲和性强的特点，使得其在切削过程中存在切削力大、切削温度高、加工硬化严重、刀具磨损大等问题，是典型的难切削材料（组织形貌见图2a）[7]。高温合金的主要特点是塑性和强度高、热导率差、内部存在大量致密的固溶体[8]。切削时塑性变形引起晶格严重畸变、变形抗力大、切削力大、冷作硬化现象严重，也是典型的难切削材料（组织形貌见图2b）。 因此发展针对钛合金、高温合金等难切削材料的高效精密切削技术十分重要。为了实现难切削材料的高效精密加工，国内外学者从创新切削方法、最佳加工刀具材料、优化切削参数等角度进行了深入研究。
2.1切削加工方法的创新
在切削方法创新研发方面，学者们引入激光加热、低温冷却等辅助手段，改善材料的切削加工性，实现高效切削。激光加热辅助加工的工作原理[9]（见图3a）是将高功率的激光束聚焦在切削刃前方的工件表面，通过光束的局部加热使材料软化，降低材料的屈服强度，从而减小切削力和刀具磨损，提高切削质量和效率。
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低温冷却辅助加工[10](见图3b)是利用液氮、高压二氧化碳气体等冷却介质喷洒在切削部位，对切削过程进行冷却船舶物资，避免材料导热性差造成的局部切削温度过高的问题，使工件局部冷脆，从而增强断屑效果。英国AMRC公司成功地将高压二氧化碳气体应用于钛合金加工过程的冷却。与干切削状态相比，分析可知，低温冷却辅助加工不仅能减小切削力、提高切削表面质量，还能有效减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。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的有效方法。 通过对刀具施加高频、小振幅的振动，使加工过程中刀具与工件实现间歇分离，改变了材料去除机理，增强了动态切削的稳定性，有效避免了刀具与加工表面之间的摩擦，降低了切削温度和切削力，降低了表面粗糙度值，减少了刀具磨损，其优良的工艺效果受到了广泛的关注。
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2.2 刀具材料的选择
对于钛合金等难切削材料，优化刀具材料可有效改善切削效果[8,13]。研究表明，对于钛合金加工，可根据加工速度选择不同的刀具。低速切削采用高钴高速钢，中速切削采用涂有氧化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，应采用硬度高、耐磨性好的高钒高速钢或YG硬质合金刀具进行加工。
2.3 最优切削参数
切削参数也是影响加工效果的重要因素，针对相应的材料采用合适的切削参数，可以有效提高加工质量和效率。以切削速度参数为例，切削速度过低易在材料表面形成积屑瘤区域，降低表面加工精度；切削速度过高易产生热积累，造成工件和刀具烧伤。对此，哈尔滨理工大学翟元生教授团队通过正交加工试验，分析了常用难加工材料的力学物理性能，总结出难加工材料切削速度推荐表[14]（见表1）。采用表中推荐的刀具和切削速度进行加工，可以有效减少加工缺陷和刀具磨损，提高加工质量。
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叶片复杂曲面精密数控加工技术
近年来，随着航空工业的快速发展和市场需求的不断上升，对薄壁叶片高效精密加工的要求日益提高，对更高精度的变形控制技术的需求也愈加迫切。在智能制造技术背景下，结合现代电子信息技术实现航空发动机叶片加工变形与振动的智能控制成为众多研究者的热点问题。将智能数控系统引入到叶片复杂曲面精密加工中，基于智能数控系统对加工过程中的误差进行主动补偿，可以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和控制，首先需要获得工艺参数对加工变形和振动的影响。常用的方法有两种：一是通过在机测量和误差分析，对每道加工工序的结果进行分析和推断[15]；二是通过动力学分析[16]、有限元建模[17]、实验[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）。
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基于上述预测模型或在机测量技术，人们可以对加工参数进行实时优化甚至控制，主流方向是通过重新规划刀具路径来补偿变形和振动带来的误差，此方向常用的方法是“镜像补偿法”[20]（见图5）。该方法通过修正名义刀具轨迹来补偿单次切削产生的变形。但单次补偿会产生新的加工变形，因此需要通过多次补偿建立切削力与加工变形之间的迭代关系，逐一修正变形。除了基于刀具路径规划的主动误差补偿方法外，许多学者也在研究如何通过优化控制切削参数、刀具参数等来控制变形和振动。针对某型航空发动机叶片的切削加工，改变加工参数进行多轮正交试验。 基于试验数据，分析了各切削用量、刀具参数对叶片加工变形及振动响应的影响[21-23]，建立了经验预测模型，优化了加工参数，有效降低了
加工变形及抑制切削振动。
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基于以上模型与方法，不少公司研发或改进了数控加工中心的数控系统，实现薄壁件加工参数的实时自适应控制。以色列OMAT公司[24]的最优铣削系统是该领域的典型代表，主要通过自适应技术调整进给速度，达到恒力铣削的目的，实现复杂产品的高效高质量加工。此外，北京精雕也将类似技术应用于通过机内测量自适应补偿完成蛋壳表面图案雕刻的经典技术案例[25]。美国GE公司[26]提出了一种加工过程中数控加工代码的实时修正方法，为复杂薄壁叶片的自适应加工与实时控制提供了基本的技术手段。欧盟的航空发动机涡轮部件自动化修复系统（）实现了叶片经增材制造修复后的自适应精密铣削，并已应用于德国MTU公司和爱尔兰SIFCO公司[27]的叶片修复生产。
基于智能工艺装备的加工刚性提升
利用智能工艺装备提高工艺系统刚度、改善阻尼特性也是抑制薄壁叶片加工变形与振动、提高加工精度、改善表面质量的有效途径。近年来，大量不同的工艺装备被应用于各类航空发动机叶片的加工[28]。由于航空发动机叶片普遍具有薄壁、不规则的结构特点，装夹定位面积小，加工刚度低，在切削载荷的作用下容易发生局部变形，因此，叶片加工设备通常在满足六点定位原则[29]的基础上对工件施加辅助支撑，以优化工艺系统刚度，抑制加工变形。薄壁及不规则曲面对工装的定位夹紧提出了两点要求:一是工装的夹紧力或接触力应尽可能均匀地分布在曲面上，避免工件在夹紧力作用下产生严重的局部变形; 其次，工装的定位、夹紧及辅助支撑等元件需要与工件复杂曲面更好地贴合，使各接触点产生均匀的表面接触力。针对这两个要求，学者们提出了柔性工装系统。柔性工装系统可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刚度和阻尼的变化：处于液相或流动相的流体刚度和阻尼较小，能在低压下适应工件复杂曲面。之后，流体转变为固相或受到电/磁/热等外力作用固结，刚度和阻尼大大提高，从而为工件提供均匀、灵活的支撑，抑制变形和振动。
航空发动机叶片传统加工工艺中的工艺装备是采用低熔点合金等相变材料进行填充辅助支撑。即在工件毛坯六点定位夹紧后，通过低熔点合金将工件的定位基准铸造成铸造块，为工件提供辅助支撑，将复杂的点定位转化为规则的面定位，再进行待加工部位的精密加工（见图6）。该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，低熔点合金的铸造熔化还带来工件表面的残留和清理问题，同时铸造熔化条件也相对较差[30]。为了解决上述工艺缺陷，一种常用的方法是引入与相变材料相结合的多点支撑结构[31]。支撑结构的上端接触工件定位，下端浸入低熔点合金腔内。 基于低熔点合金的相变特性实现柔性辅助支撑，虽然引入支撑结构可以避免低熔点合金接触叶片造成的表面缺陷，但是由于相变材料性能的限制，相变柔性工装无法同时满足高刚度和高响应速度两大要求，难以应用于高效自动化生产。
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为了解决相变柔性工装的弊端，不少学者将自适应理念融入到柔性工装的研发中。自适应柔性工装可通过机电系统自适应匹配复杂的叶片形状及可能的形状误差。为保证接触力在整个叶片上均匀分布，工装通常采用多点辅助支撑，形成支撑矩阵。清华大学王晖团队提出了一种适用于近净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辅助支撑近净形叶片的叶面，增大各接触区接触面积，保证夹紧力在各接触点及整个叶片上均匀分布，从而提高工艺系统刚度飞机发动机叶片，有效防止叶片局部变形。该工装具有多个被动自由度，可自适应匹配叶片形状及其误差，同时避免过度定位。
除了通过柔性材料实现自适应支撑外，电磁感应原理还应用于自适应柔性工装的研发。北京航空航天大学杨义清团队发明了一种基于电磁感应原理的辅助支撑装置[34]。该工装采用电磁信号激励的柔性辅助支撑，可改变工艺系统的阻尼特性。在装夹过程中，辅助支撑在永磁体作用下自适应地与工件形状匹配。加工过程中，工件产生的振动会传递到辅助支撑上，辅助支撑根据电磁感应原理激发出反向电磁力，从而抑制薄壁工件的加工振动。
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目前，在工艺装备设计过程中，一般采用有限元分析、遗传算法等方法对多点辅助支撑的布局进行优化[35]。但优化结果通常只能保证某一点的加工变形最小，并不能保证在其他加工部位达到同样的变形抑制效果。在叶片加工过程中，通常在同一台机床上对工件进行一系列的刀具走刀，但加工不同部位的装夹要求是不同的，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，一方面会增加工装的质量和体积，另一方面会压缩刀具的运动空间。如果在加工不同部位时重新设置辅助支撑的位置，必然会中断加工过程，降低加工效率。因此，后续提出了根据加工工艺自动在线调整支撑布局和支撑力的工艺装备[36-38]。 后续工艺设备（见图8）可在任何一道加工工序开始前根据时变切削过程的刀具轨迹和工况变化，通过刀具与工装的协调配合实现动态支撑：先将辅助支撑移到有助于抑制当前加工变形的位置，使工件的加工区域得到主动支撑，而工件的其他部分则以尽可能少的接触保持在原位，从而匹配加工过程中的时变装夹要求。
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为了进一步增强工艺装备自适应动态支撑能力，匹配加工过程中更为复杂的装夹要求，提高叶片加工生产的质量和效率，将后续辅助支撑扩展为由多个动态辅助支撑组成的组。要求各动态辅助支撑协调动作，根据制造工艺时变要求自动快速重构支撑组与工件的接触。重构过程不干扰整个工件的定位，不会引起局部位移或振动。基于此概念的工艺装备称为自重构组夹具[39]，具有柔性、可重构、自主性等优点。
自重构组夹具可根据制造工艺的需要，将多个辅助支撑分布到支撑面的不同位置，可适应形状复杂、面积较大的工件，在保证足够刚度的同时消除冗余支撑。夹具的工作方式为控制器根据编制好的程序发出指令，移动基座根据指令将支撑元件带到目标位置，使支撑元件适应工件局部几何形状，实现柔顺支撑。单个支撑元件与局部工件接触面积的动态特性（刚度和阻尼）可通过改变支撑元件的参数来控制（例如液压支撑元件通常可通过改变输入的液压来改变接触特性）。工艺系统的动态特性由多个支撑元件与工件接触面积的动态特性耦合而成，并与各支撑元件的参数、支撑元件组的布局有关。
自重构组合夹具多点支撑重构方案设计需要考虑适应工件几何形状、支撑单元快速重新定位、多点支撑协调等3个问题[40]。因此，在使用自重构组合夹具时，需要以工件形状、载荷特性、固有边界条件作为输入，求解不同加工条件下的多点支撑布局及支撑参数，规划多点支撑运动路径，并根据求解结果生成控制代码，导入控制器。
目前，国内外学者对自重构组夹具进行了一些研究和尝试。在国外飞机发动机叶片，欧盟项目开发了一种新型高适应性的自重构夹具系统[41]，该系统利用一组移动式辅助支撑在工作台上自由移动并实时重新定位，以更好地支撑加工件。该系统的样机已在项目中实现（见图9a），并在意大利某飞机制造商的现场进行了测试。在国内，清华大学王晖团队制作了一种可与机床配合的四点夹紧支撑工作台[42]（见图9b），在涡轮叶片榫头精加工过程中，可使榫头处于悬臂状态并自动避让刀具。加工过程中，四点辅助支撑配合数控加工中心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之间的干涉，又保证了支撑效果。
未来发展趋势探讨
5.1 新材料
随着航空发动机推重比设计要求不断提高，零件数量逐步减少，零件应力水平越来越高，两大传统高温结构材料的性能已达到极限。近年来，航空发动机叶片新材料发展迅速，越来越多的高性能材料被用于制作薄壁叶片。其中，γ-TiAl合金[43]具有比强度高、耐高温、抗氧化性能好等优异性能，同时其密度为3.9g/cm3，仅为高温合金的一半，未来在700～800℃温度范围内作为叶片具有很大的潜力。虽然γ-TiAl合金具有优异的力学性能，但其硬度高、热导率低、断裂韧性低、脆性大，导致γ-TiAl合金材料在切削加工时表面完整性差、加工精度低，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和价值，是当前叶片加工技术的重要研究方向。
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在具有抗氧化性好等优异性能的同时，其密度为3.9g/cm3，仅为高温合金的一半，未来在700-800℃温度范围内作为叶片具有很大的潜力。γ-TiAl合金虽然具有优异的力学性能，但其硬度高、热导率低、断裂韧性低、脆性大等特点导致γ-TiAl合金材料在切削加工时表面完整性差、加工精度低，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和价值，是当前叶片加工技术的重要研究方向。
5.2 时变自适应处理
航空发动机叶片型面复杂，对形状精度要求较高，其精密加工目前主要采用基于路径规划和模型重构的几何自适应加工方法，该方法可以有效降低定位装夹误差对叶片加工精度的影响。但由于模锻叶片毛坯厚度不均匀，刀具按照规划路径切削过程中不同区域的切削深度不同，给切削过程带来不确定性，影响加工稳定性。未来在数控自适应加工过程中，应更好地跟踪实际加工状态的变化[44]，从而显著提高复杂型面的加工精度，形成基于实时反馈数据调整切削参数的时变控制自适应加工方法。
5.3 智能工艺装备
作为发动机中最大的零件，刀片的制造效率直接影响发动机的整体制造效率，因此刀片的制造质量直接影响发动机的性能和寿命，因此，叶片的智能精确加工成为了当今机器工具的工具和工程级别的工具，使其成为世界上的工具和工艺的开发。因此，加工和生产能力得到了极大的增强。
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结论
刀片是航空驱动器制造领域的长期需求，是航空引擎制造业的困难之一，是一个国家先进的制造技术开发水平的重要体现c以时变控制为核心的过程将是对航空发动机刀片进行精确加工的重要研究方向。
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