近年來，國外航空發(fā)達國家在新型航空發(fā)動機結構設計中采用了稱之為整體葉盤（FR9NY）的最新結構。與傳統(tǒng)的葉片和輪盤裝配結構相比，整體葉盤將葉片和輪盤設計成一個整體，省去了榫頭、榫槽和鎖緊裝置，避免了榫頭氣流損失、減少了結構重量和零件數(shù)量；在氣動布局上采用了寬弦、彎掠葉片和窄流道，從而提高了氣動效率。由于整體葉盤使發(fā)動機結構大為簡化，推重比和可靠性進一步提高，因而在新研制的第四代戰(zhàn)斗機所配套的高推比發(fā)動機上得到了成功的應用。

1 國內(nèi)外整體葉盤制造技術現(xiàn)狀

　　從目前所收集到的資料來看，國外采用的整體葉盤結構形式典型結構：（a）閉式結構帶箍整體葉盤；（b）開式結構不帶箍整體葉盤；（c）大小葉片轉子結構開式結構中大葉片間含有小葉片。

　　由于整體葉盤是高速旋轉部件，既要達到減重和精確平衡要求，又要提高疲勞強度，因而其制造技術難度特別大。整體葉盤毛坯一般采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，不允許有裂紋和缺陷，必須經(jīng)過嚴格無損探傷檢驗；整體葉盤葉片薄、扭曲度大、葉展長、受力易變形，且葉片間的通道深而窄、開敞性很差。因此，整體葉盤的制造和維修都特別困難，是國外嚴密封鎖的核心技術。

　　國外整體葉盤制造采用的主要工藝有：精鍛毛坯+精密數(shù)控加工；焊接毛坯+精密數(shù)控加工；高溫合金整體精鑄毛坯+熱等靜壓處理等。由于數(shù)控加工具有快速反應和可靠性高的特點，美國GE和P.W公司、英國R.R公司等在研制整體葉盤時，采用了五坐標數(shù)控加工技術。從整體毛坯到零件的制造過程中，材料切除率超過)90%，綜合技術難度非常大，集中反映了國際數(shù)控加工相關技術領域的最新技術和最高水平。在相關軟件方面最著名的是NREC公司推出的MAXCAM系統(tǒng)。

　　國內(nèi)在整體葉輪葉盤相關軟件和加工關鍵技術方面也進行了大量研究。西北工業(yè)大學開發(fā)出了葉輪類零件多坐標,- 編程專用軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)集測量數(shù)據(jù)預處理、曲面建模、曲面消隱、刀位計算、刀位驗證及后置處理于一體，已在20多種葉輪葉盤的研制與生產(chǎn)中應用。

2 整體葉盤制造工藝

　　通過對整體葉盤的結構特點和制造工藝需求分析，本文提出一種整體葉盤復合制造工藝。從工藝流程上，將整體葉盤的制造劃分為近成形毛坯制造、精確成型加工以及表面檢測與拋光等主要階段。針對每個階段，篩選出典型工藝方法及其使用條件，并根據(jù)葉盤制造過程不同階段的特點，特別是葉片的復雜程度，調(diào)整工藝集成方案，優(yōu)選出成熟、穩(wěn)定度高的工藝組合。

　　在近成形毛坯制造階段，可采用鍛造、焊接和精鑄1 種工藝。由于整體葉盤為重要受力部件，必須滿足強度要求，所以尺寸較大的葉盤一般選用整體鍛造或焊接方案。從目前國內(nèi)工藝的可行性、成熟度以及毛坯強度考慮，整體葉盤研制階段主要采用整體鍛造得到初始毛坯，然后采用電解加工、線切割、數(shù)控銑削等高效數(shù)控粗加工技術制造出近成形毛坯。焊接毛坯具有節(jié)省材料及適合于制造雙性能盤的優(yōu)點，可用于開敞性好、葉片扭曲度小、形狀較簡單不帶箍整體葉盤的近成形毛坯制造，但目前國內(nèi)尚無成熟技術可用，需解決焊接應力與變形、組織改變及缺陷控制等問題。

　　在精確成型加工階段，可采用電解加工和整體數(shù)控銑削等工藝。電解加工過程無機械切削力，加工應力小，適用于難加工材料零件和難銑削的細節(jié)加工，但目前需進一步研究解決電蝕層和光整加工等問題。數(shù)控銑削工藝用銑刀的五軸運動包絡，銑削加工出流道形狀。這種工藝適用于整體閉式葉盤和其他具有復雜曲面葉片的整體葉盤。

　　因此作者認為，國內(nèi)目前能夠滿足研制和小批量試制需求較為可行的技術途徑是：近成形毛坯應首選等溫鍛造+高效低應力粗加工方法，并進一步減少精鍛毛坯余量以縮短加工周期；精確成型加工宜采用五坐標數(shù)控銑削工藝。這種工藝具有快速響應特點、所需專用工藝裝備少、工藝較成熟且已制造出了合格的葉盤。因而該工藝是研制和小批量試制階段較為理想的選擇。葉型數(shù)控銑削完成后，可選用磨粒流或振動光飾方法，以提高表面光潔度和完整性。

3 整體葉盤數(shù)控加工關鍵技術

　　（1）通道分析與加工區(qū)域的劃分為了判定葉盤數(shù)控加工的工藝性和刀具的可達性，必須首先對通道特征進行分析。分析結果可為工藝人員確定數(shù)控加工刀具參數(shù)、制定加工工藝提供必備的信息，或反饋給設計部門作為可制造性評價依據(jù)。通道分析的內(nèi)容包括：通道的最窄寬度、約束狀態(tài)；葉片的性質(zhì)（包括葉片是直紋面還是自由曲面）、葉片的扭曲度、各個截面的厚度、前后緣大小及變化情況、過渡圓角半徑及其是否變化；加工可行性等。

　　對閉式整體葉盤，由于受相鄰葉片及內(nèi)、外環(huán)的約束，或受刀具長度和剛度等限制，五軸連動數(shù)控加工設備通常無法從一端完成整個通道和葉片的加工，而必須采用從進排氣邊雙側對接方式。合理劃分對接加工區(qū)域，既可縮短加工刀具長度，又可增加切削刀具剛性、提高加工效率。加工區(qū)域劃分準則是：在分界處從兩端加工的刀具長度相近，使得葉盤加工從整體考慮刀具長度控制到最短。

　?。?）最佳刀軸方向的確定與光順處理整體葉盤的葉型曲率變化大，其加工處在多約束狀態(tài)下。在刀具軌跡計算中，刀軸方向的確定是實現(xiàn)無干涉及高效加工的關鍵和難點。對于通道內(nèi)部葉片上的同一點，所需加工刀具長度隨刀軸方向變化而變化，且相差很大。若采用固定刀軸側銑，則需很長的刀具，刀具的剛性和切削效率將嚴重降低。采用變刀軸點切觸加工時，刀軸方向與葉盤軸向的夾角越小，所需刀具長度越短。因此，可通過確定最佳刀軸方向，從而獲得最短的刀具長度、最大的刀具剛性和加工效率。確定最佳刀軸方向的準則為：在與通道四周不產(chǎn)生干涉的條件下，刀軸與葉盤軸向的夾角應為最小。

　　在實際計算中，按最佳刀軸方向準則計算得到的每個刀位點的刀軸方向，由于受通道多約束的影響，相鄰的刀位點之間的刀軸方向可能會產(chǎn)生不連續(xù)變化，在加工過程中，刀軸方向的這種突變會使得五坐標數(shù)控機床工作臺的回轉或主軸的擺動突然變快或變慢，導致刀具的切削力產(chǎn)生突變：輕則造成被加工零件表面質(zhì)量降低或啃傷，重則會導致刀具的刃部損壞甚至刀具折斷。因此，必須在最佳刀軸方向初始矢量的基礎上，進一步進行光順處理，但該光順必須在通道多約束條件下進行，以防止調(diào)整后的刀具與通道發(fā)生干涉。為了確保葉盤在加工過程中不發(fā)生干涉與碰撞現(xiàn)象，必須對刀具軌跡進行驗證和干涉碰撞檢查，以確定刀位點計算的正確性，刀桿是否與通道四周干涉，刀柄和主軸頭是否與工件和夾具碰撞。

　?。?）葉盤通道的高效粗加工技術

　　整體葉盤從毛坯到成品的加工過程中，大約有90%的材料被切除，其中絕大部分是在葉盤通道的粗加工階段完成。因此，高效粗加工是提高加工效率、縮短制造周期的關鍵。為此，作者根據(jù)通道性質(zhì)，結合切削試驗，建立了一套高效的通道粗加工方法，包括自由曲面通道的等高線粗加工軌跡計算；基于粗加工去除量最大化的刀軸方向優(yōu)化；基于通道臨界約束的防干涉計算；粗加工過程動態(tài)仿真；刀具的振動分析與控制方法。由于材料切除量大，粗加工后葉盤內(nèi)會產(chǎn)生較大的切削應力。為控制粗加工應力造成的變形，采取以下3種方法進行處理：通過優(yōu)化刀具和工藝參數(shù)、優(yōu)化刀具與工件的切觸狀態(tài)，降低加工時的切削應力；通過熱處理工藝消除切削應力以減小后期變形；采用工序分散、多次修復基準的方法，補償變形誤差。采取以上工藝措施后，不僅葉盤的變形得到了控制，同時還進一步減少了葉盤精加工前的近成形毛坯余量，明顯縮短了加工周期。

　?。?）葉盤型面的精確加工技術

　　整體葉盤的精加工涉及內(nèi)環(huán)、外環(huán)、葉片型面、前后緣、葉根過渡區(qū)等加工特征。整體葉盤的加工工藝和加工順序采用基于與或樹的向導圖表示，它描述了各個加工特征的工藝特點、確定加工順序的必要條件或充分條件以及每個加工特征對應的加工工藝和刀具軌跡生成方法的集合。例如，內(nèi)環(huán)、外環(huán)屬于回轉面，采用數(shù)控車削加工方法；閉式結構葉盤的葉片表面是帶實約束面的腔槽（pocket）側面，采用基于臨界約束面的專用五軸數(shù)控精加工方案；開式結構葉盤（含大小葉片轉子）的葉片表面是帶相鄰面約束的溝槽（35.-）側面，采用基于臨界線的專用五軸數(shù)控精加工方案，或直紋面?zhèn)茹娂庸し桨福蝗~根過渡區(qū)是自由曲面交線，采用半徑遞減清根方案。由于整體葉盤的葉片很薄，特別是葉尖和前后緣的厚度不到0.4mm。因此，葉片受到切削力后會產(chǎn)生顫振并出現(xiàn)嚴重的讓刀現(xiàn)象；同時，由于受通道的限制，刀具直徑小且刀桿長，受到切削力時會產(chǎn)生振動。這種刀具及葉片的耦合顫振嚴重影響葉片的表面加工質(zhì)量，使葉片表面出現(xiàn)魚鱗狀缺陷，導致葉尖段多次加工不到位等問題。在有限元分析與測力分析的基礎上，采用以下&種方法來解決葉片和刀具的耦合顫振問題：根據(jù)刀具受力情況確定刀具的最佳切觸位置，減少總切削力和引起顫振的切削力分量；根據(jù)不同的結構及零件的剛性確定刀具的參數(shù)，使葉片和刀具的剛度協(xié)調(diào)；通過工藝填充方法，加強葉片切削時的剛性、增加顫振阻尼以實現(xiàn)對振幅的控制。通過加工實驗證明，以上措施對抑制顫振、保證葉片加工精度和表面質(zhì)量都具有十分明顯的效果。

4 結論

　　本文在跟蹤和分析整體葉盤先進制造技術國際現(xiàn)狀的基礎上，針對整體葉盤結構特點，結合國內(nèi)現(xiàn)有工藝，提出了一種整體葉盤復合制造工藝，論述了其中的關鍵技術和難點的解決方法，總結了整體葉盤數(shù)控加工的工程經(jīng)驗。

　　所提方法已在型號研制中得到成功應用，先后完成了某渦扇發(fā)動機一、二級風扇葉盤以及某渦軸發(fā)動機大小葉片轉子試驗件的加工，并取得了預期的試驗結果。一級風扇葉盤，經(jīng)三坐標測量機檢測，葉片型面的誤差控制在0.05mm以內(nèi)，葉盤的整體變形控制在0.01mm以內(nèi)，完全達到了設計要求。