CN117840712A - 一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，涉及航空发动机叶片抗疲劳制造技术领域，包括以下步骤：1）制得毛坯锻件；2）铣加工榫头及缘板外侧面：铣榫头及缘板外侧面、以及除叶身外的其他所有型面至设计尺寸；3）铣叶身；4）抛修榫头、缘板转接圆弧：抛修榫头的轨迹为沿榫头流道型面走刀，抛修缘板转接圆弧圆滑过渡；5）铣倒角：加工叶片的倒角；6）钳工：将尖边倒圆；7）荧光检验：检测叶片是否有裂纹；8）喷丸：对叶片表层喷丸，形成一定厚度的强化层；9）抛磨叶身。本抗疲劳制造方法通过高压转子叶片工艺路线设计、叶身精密铣削及抗疲劳制造设计方法三方面，对高压转子叶片进行加工，抗疲劳性能效果较好。

Description

一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片技术领域，具体为一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法。

背景技术

高压转子叶片是压气机主要做功部件，承受着很高的离心力、流体产生的气动力和来自机器其他部件的激振力，在处于高速旋转、载荷多变及工况复杂的环境中，掉块或断裂可能会沿切线飞出，击穿机匣或者打伤同级或后级叶片，造成二次损伤，甚至切开油路导致起火，严重影响压气机正常运行。因此，其运转的平稳性和使用的抗疲劳性受到重视，对其各性能指标越来越严。所以，做好航空发动机高压转子叶片抗疲劳制造工艺，提高叶片的加工精度，在提高航空发动机工作效率的同时，也可以有效地降低发动机的油耗，进一步可改善发动机的经济性和稳定性。

某航空发动机高压压气机转子叶片（以下简称：高压转子叶片）（如图1）外形复杂，材料为HG4169，具有弯、宽、薄等形状特点，加工过程中较易变形。高压转子叶片作为压气机主要做功部件，承受着很高的离心力、流体产生的气动力和来自机器其他部件的激振力，对其抗疲劳制造工艺提出了较苛刻的要求，由于尺寸和技术条件的偏离，会导致整个压气机乃至飞机不能正常工作，使可靠性、稳定性、抗疲劳性降低。

为此，我们提出一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，通过高压转子叶片工艺路线设计、叶身精密铣削及抗疲劳制造设计方法三方面，对高压转子叶片的抗疲劳制造进行加工，效果较好，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

1）制得毛坯锻件；

2）铣加工榫头及缘板外侧面：铣榫头及缘板外侧面、以及除叶身外的其他所有型面至设计尺寸；

3）铣叶身；

4）抛修榫头、缘板转接圆弧：抛修榫头的轨迹为沿榫头流道型面走刀，抛修缘板转接圆弧圆滑过渡；

5）铣倒角：加工叶片的倒角；

6）钳工：将尖边倒圆；

7）荧光检验：检测叶片是否有裂纹；

8）喷丸：对叶片表层喷丸，形成一定厚度的强化层；

9）抛磨叶身。

进一步的，铣叶身工序中，采用UG软件中五轴联动的编程方法，来创建程序：

基于可变轮廓铣中垂直于驱动体等步长粗铣刀轨，恒定切削速度的粗铣进给率铣叶身型面；

基于垂直于驱动体的半精铣刀轨，变进给半精铣叶身型面；

基于垂直于驱动体残余高度的精铣刀轨，变进给精铣叶身型面的方法。

进一步的，粗铣、半精铣、精铣均采用球头铣刀。

进一步的，半精铣、精铣按照螺旋进刀和退刀的方式，在进刀、退刀起始处采用圆弧-平行于刀轴运动方式。

进一步的，钳工工序中，使用什棉锉沿叶片型面尖边倒圆R0.4-0.6mm。

进一步的，抛磨叶身包括采用超声波抛磨叶身、气动抛磨叶身、气动光整三种方法。

进一步的，超声波抛磨叶身工序中，超声波打磨机的震动频率为36000±4000/min，磨具为400目的油石条。

进一步的，气动抛磨叶身工序中：首先用4000目的抛光膏进行抛磨，然后用6000目的抛光膏进抛磨；气动磨刻机的打磨头采用羊毛头，转速控制在22000±3000转/min。

进一步的，气动光整工序中：先用30000目的金刚石研磨膏进行光整，然后用70000目的金刚石研磨膏进行光整，最后用80000目的金刚石研磨膏进行光整；气动风磨笔的打磨头选用羊毛头，转速控制在：80000±5000转/min。

进一步的，抛磨叶身工序中，叶片的摆放方位为叶盆冲外37±3°，叶背冲外27±3°，其中走刀轨迹与叶身精密铣削的刀轨成45±3°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，具有以下好处：

1、针对高压转子叶片叶身抗疲劳性难以高效、高质量满足使用要求，通过对工艺路线的合理规划，设计高压转子叶片的加工工艺，能满足其精度高、状态稳定、抗疲劳性能好，适用于批量生产的高压转子叶片抗疲劳制造工艺；

2、在提高高压转子叶片的表层质量的同时，有效防止叶片变形；

3、工艺流程简单、条理清晰，能实现其便携式的工作效率，对操作者的技术要求不高。

附图说明

图1为本发明高压转子叶片的结构示意图。

图中：100叶身、200缘板、300榫头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供以下技术方案：高压转子叶片（简称叶片）如图1所示，包括叶身100、缘板200、榫头300，抗疲劳制造方法如下：

1）制得毛坯锻件；

2）铣加工榫头及缘板外侧面：在毛坯锻件的基础上加工榫头300及缘板200外侧面、以及除叶身100的其他所有型面至设计尺寸，采用常规机械加工方法保证尺寸即可；

3）铣叶身；考虑到叶片毛坯价值较高，从经济性方面考虑，先采用试件进行试加工，待尺寸合格后，再更换为正常的叶片进行量产；

叶身的精密铣削是保证叶片尺寸和抗疲劳制造的难点和重点，对叶片性能影响较大。由于叶片的叶身100为弯、宽、薄等异性结构，不同的加工方式产生的不同的内应力，如果切削方式选择不当，会导致应力集中，影响叶片的抗疲劳性能，本发明采用下述方式铣叶身：

基于可变轮廓铣中垂直于驱动体等步长粗铣刀轨，恒定切削速度的粗铣进给率铣叶身型面；基于垂直于驱动体的半精铣刀轨，变进给半精铣叶身型面；基于垂直于驱动体残余高度的精铣刀轨，变进给精铣叶身型面的方法；在精密铣削时采用刀轴垂直于驱动体的方法，使机加产生的应力层分布较均匀，为后续喷丸工序产生均匀的强化层打下基础。

粗铣、半精铣、精铣均采用球头铣刀，半精铣、精铣按照螺旋进刀和退刀的方式，在进刀、退刀起始处采用圆弧-平行于刀轴运动方式，能有效避免刀具在突然接触工件和突然离开工件时，产生应力集中或引起叶片局部变形的现象；

上述方式避免了叶片加工过程中零件变形、刀具干涉等问题，粗、半精、精铣都采用球头铣刀，提高表面粗糙度，提升了叶片的抗疲劳性能。

在UG软件的加工模块中，将叶身100的铣削分为MILL-ROUGH、MILL-SEMI—FINISH、MILL—FINISH三个工步，其中MILL-ROUGH工步为粗加工去余量，分层进行切削，每层为0.5mm。MILL-SEMI—FINISH、MILL—FINISH两个工步为半精、精加工，工艺参数设计相似，仅在切削参数的公差设置方面有差异半精加工为0.2mm、精加工为0.01mm。

4）抛修榫头、缘板转接圆弧：抛修榫头300的轨迹为沿榫头流道型面走刀，抛修缘板转接圆弧圆滑过渡、无刀痕；

5）铣倒角：加工叶片的倒角，采用常规加工方式即可；

6）钳工：使用什棉锉沿叶片型面尖边倒圆R0.4-0.6mm；

叶背与叶根、叶盆与叶根等转接处的抛光走刀采用圆滑过渡且没有刀痕，有效避免在过渡区产生应力集中现象；上述叶背为叶身100的凸面侧，叶盆为叶身100的凹面侧，叶根为叶身100连接缘板200的端侧；

7）荧光检验：检测叶片是否有裂纹，采用常规检测方式即可；

8）喷丸：对叶片表层喷丸，喷丸工序的目的是使叶片表层发生塑性变形，形成一定厚度的强化层，在强化层内形成较高的残余压应力，当叶片承受载荷时可以抵消一部分拉应力，从而提高叶片的疲劳强度，改善零件的疲劳性能和提高应力腐蚀开裂抗力，采用常规的高压转子叶片的喷丸工艺即可。

9）抛磨叶身100：包括采用超声波抛磨叶身、气动抛磨叶身、气动光整三种方法，采用超声波抛磨叶身→气动抛磨叶身→气动光整等三种方法对叶片表面进行喷丸后的抗疲劳性能优化，直接提高叶片的抗疲劳性能；

下述对三种抛磨方式进行说明：

超声波抛磨叶身：超声波抛磨叶身工序主要是去掉肉眼可见的刀纹，设备为：超声波打磨机；震动频率为36000±4000/min;磨具为400目的油石条。其中叶片的摆放方位为叶盆冲外37±3°，叶背冲外27±3°；其中走刀轨迹与叶身精密铣削的刀轨成45±3°；

气动抛磨叶身：气动抛磨叶身工序分两个工步，首先是用4000目的抛光膏进行抛磨，然后用6000目的抛光膏进抛磨。设备为：气动磨刻机；打磨头为：羊毛头；转速：22000±3000转/分钟。其中叶片的摆放方位为叶盆冲外37±3°，叶背冲外27±3°；其中走刀轨迹与叶身精密铣削的刀轨成45±3°；

气动光整：气动光整工序分三个工步，首先是用30000目的金刚石研磨膏进行光整，然后用70000目的金刚石研磨膏进行光整，最后用80000目的金刚石研磨膏进行光整。其中气动光整的设备为：气动风磨笔；打磨头为：羊毛头；转速：80000±5000转/分钟。其中叶片的摆放方位为叶盆冲外37±3°，叶背冲外27±3°；其中走刀轨迹与叶身精密铣削的刀轨成45±3°。

最后对加工的后高压转子叶片进行称重测试，重量不超过误差即为合格成品。

通过该抗疲劳制造方法能够使高压转子叶片表面粗糙度达到Ra0.2–0.4μm；表面残余应力场深度不小于300μm不同型面；最大残余压应力不小于400MPa不同型面；表面硬度为HRC32-40，能够在压气机做功时承受较高的离心力、气动力和激振力，保证整个压气机以及飞机的稳定运行。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）制得毛坯锻件；

2）铣加工榫头及缘板外侧面：铣榫头及缘板外侧面、以及除叶身外的其他所有型面至设计尺寸；

3）铣叶身；

4）抛修榫头、缘板转接圆弧：抛修榫头的轨迹为沿榫头流道型面走刀，抛修缘板转接圆弧圆滑过渡；

5）铣倒角：加工叶片的倒角；

6）钳工：将尖边倒圆；

7）荧光检验：检测叶片是否有裂纹；

8）喷丸：对叶片表层喷丸，形成一定厚度的强化层；

9）抛磨叶身。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：铣叶身工序中，采用UG软件中五轴联动的编程方法，来创建程序：

基于可变轮廓铣中垂直于驱动体等步长粗铣刀轨，恒定切削速度的粗铣进给率铣叶身型面；

基于垂直于驱动体的半精铣刀轨，变进给半精铣叶身型面；

基于垂直于驱动体残余高度的精铣刀轨，变进给精铣叶身型面的方法。

3.根据权利要求2所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：粗铣、半精铣、精铣均采用球头铣刀。

4.根据权利要求2所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：半精铣、精铣按照螺旋进刀和退刀的方式，在进刀、退刀起始处采用圆弧-平行于刀轴运动方式。

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：钳工工序中，使用什棉锉沿叶片型面尖边倒圆R0.4-0.6mm。

6.根据权利要求1所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：抛磨叶身工序中包括采用超声波抛磨叶身、气动抛磨叶身、气动光整三种方法。

7.根据权利要求6所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：超声波抛磨叶身工序中，所使用的超声波打磨机的震动频率为36000±4000/min，磨具为400目的油石条。

8.根据权利要求6所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：气动抛磨叶身工序中，使用气动磨刻机：

首先用4000目的抛光膏进行抛磨，然后用6000目的抛光膏进抛磨；

气动磨刻机的打磨头采用羊毛头，转速控制在22000±3000转/min。

9.根据权利要求6所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：气动光整工序中，使用气动风磨笔：

先用30000目的金刚石研磨膏进行光整，然后用70000目的金刚石研磨膏进行光整，最后用80000目的金刚石研磨膏进行光整；

气动风磨笔的打磨头选用羊毛头，转速控制在：80000±5000转/min。

10.根据权利要求1所述的一种航空发动机高压压气机转子叶片的抗疲劳制造方法，其特征在于：抛磨叶身工序中，叶片的摆放方位为叶盆冲外37±3°，叶背冲外27±3°，其中走刀轨迹与叶身精密铣削的刀轨成45±3°。