整體葉盤技術(shù)是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的核心技術(shù)之一。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤將葉片和輪盤設(shè)計(jì)為一體，具有減重、減級(jí)、增效和提高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，美英等航空強(qiáng)國(guó)在20世紀(jì)80年代中期的新型發(fā)動(dòng)機(jī)上開始應(yīng)用整體葉盤技術(shù)，我國(guó)整體葉盤技術(shù)起步于20世紀(jì)90年代中期。由于整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通道窄、葉片薄、彎扭大、易變形，材料多為鈦合金等難切削材料，工藝實(shí)現(xiàn)性差，所以國(guó)外對(duì)我國(guó)整體葉盤制造技術(shù)至今還未開放。整體葉盤制造技術(shù)的推廣應(yīng)用不僅可提升新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和水平，同時(shí)可帶動(dòng)材料工藝技術(shù)、鍛件制備技術(shù)、機(jī)械制造和特種制造技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)零件修復(fù)技術(shù)、表面光飾、表面完整性技術(shù)、相應(yīng)檢測(cè)技術(shù)和重大裝備制造技術(shù)等技術(shù)水平的發(fā)展和提高。我國(guó)航空企業(yè)在整體葉盤制造中走過(guò)一些彎路，也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，作者通過(guò)觀察、分析和總結(jié)，現(xiàn)就整體葉盤的制造方法提出自己的見(jiàn)解，供大家共同討論和交流。

　整體葉盤的結(jié)構(gòu)與演變

　在傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，壓氣機(jī)及風(fēng)扇轉(zhuǎn)子是由輪盤和葉片組裝而成，其轉(zhuǎn)子葉片的葉根部位設(shè)計(jì)制造成榫頭，將榫頭裝于輪盤輪緣的榫槽中，再用鎖緊裝置將葉片鎖定于輪盤中。20世紀(jì)80年代中期，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，出現(xiàn)了一種稱之為“整體葉盤”或簡(jiǎn)稱“葉盤”(Blisk)的結(jié)構(gòu)，Blisk（整體葉盤）是由blade（葉片）的前2個(gè)字母與disk（輪盤）的后3個(gè)字母組合在一起形成的1個(gè)新詞， 它較形象地表達(dá)了這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，即它是一種合二(葉片、輪盤)為一（葉盤）的結(jié)構(gòu)。整體葉盤結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)子葉片和輪盤制成一體，省去了連接用的榫頭、榫槽，使結(jié)構(gòu)大大緊湊。

　追溯整體葉盤的發(fā)展，早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外一些短壽命的小型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和制造上采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)不稱作整體葉盤，而稱作“整體轉(zhuǎn)子”；隨后，在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、民用的壓縮機(jī)、離心機(jī)、膨脹機(jī)上也陸續(xù)使用了葉輪轉(zhuǎn)子，稱為整體葉輪，船用推進(jìn)器也采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。

　從整體轉(zhuǎn)子、整體葉輪和整體葉盤技術(shù)的研究和應(yīng)用以來(lái)，整體葉盤的結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，從最初的盤片一體發(fā)展到盤片鼓一體、盤片軸一體、盤片鼓軸一體到兩級(jí)或多級(jí)葉盤固態(tài)串接的串列式整體葉盤；整體葉盤的功能結(jié)構(gòu)從最初的軸流葉盤、離心葉輪發(fā)展到軸流葉盤、離心葉輪、大小葉片結(jié)構(gòu)葉盤、斜流轉(zhuǎn)子葉盤、帶箍閉式葉盤及整流器靜子葉盤等結(jié)構(gòu)。在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和小尺寸渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用精密鑄造工藝也實(shí)現(xiàn)了渦輪轉(zhuǎn)子和靜子的鑄造整體葉盤。葉盤毛坯的制造工藝從單純的自由鍛造餅坯，到近凈成型等溫鍛造毛坯、線性摩擦焊接葉盤毛坯和線性摩擦焊接空心葉片整體葉盤毛坯。

　整體葉盤的制造工藝過(guò)程

  國(guó)內(nèi)外，由于制造設(shè)備和條件不同，整體葉盤的加工工藝有所差異，但制造工藝過(guò)程基本上按照以下9個(gè)階段開展加工、檢查和保護(hù)工作（圖1）。

　1 毛坯鍛造階段

　毛坯制造階段完成的工作為：（1）準(zhǔn)確理解葉盤設(shè)計(jì)圖紙的技術(shù)要求、所選材料、材料標(biāo)準(zhǔn)和鍛造標(biāo)準(zhǔn)；（2）確定鍛造企業(yè)，充分調(diào)研鍛造企業(yè)的設(shè)備條件、技術(shù)人員水平、同類鍛件鍛造經(jīng)驗(yàn)情況和相關(guān)認(rèn)證資質(zhì)的符合性，溝通葉盤毛坯的鍛造標(biāo)準(zhǔn)，在可確保能實(shí)現(xiàn)鍛件質(zhì)量的前提下，按照進(jìn)度和價(jià)格優(yōu)先的原則確定鍛造企業(yè)；（3）簽訂《鍛件專項(xiàng)技術(shù)協(xié)議》，明確毛坯復(fù)檢階段的鍛件及取樣方法；（4）會(huì)簽葉盤鍛件圖。

　毛坯鍛造分自由鍛造、模鍛、等溫模鍛和線性摩擦焊等方法制造鍛件，小型葉盤毛坯通常使用自由鍛造方法制作；大型鈦合金葉盤毛坯采用等溫模鍛制作；空心葉盤毛坯采用線性摩擦焊方法制作。

　由于葉盤運(yùn)轉(zhuǎn)工況的不同，鋁合金、不銹鋼、TC4、TC11、TC17和GH4169等均在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤設(shè)計(jì)制造中得到使用。毛坯鍛造階段的成果為葉盤毛坯、毛坯備件、復(fù)檢用坯、《專項(xiàng)技術(shù)協(xié)議》、鍛件圖和鍛件合格證。

　2 材料（鍛件）復(fù)檢階段

　毛坯復(fù)檢階段依據(jù)鍛造設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)要求、技術(shù)要求上規(guī)定的復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)和《鍛件專項(xiàng)技術(shù)協(xié)議》，選取有材料復(fù)檢資質(zhì)的第二家單位進(jìn)行相關(guān)材料力學(xué)性能復(fù)檢、鍛件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)檢查。按照《鍛件專項(xiàng)技術(shù)協(xié)議》確定的取樣方法加工復(fù)檢用試樣。鍛件組織結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法有超聲波探傷檢查、水浸探傷檢查、磁粉檢查等，此階段的成果為力學(xué)性能復(fù)檢證明、鍛件組織結(jié)構(gòu)復(fù)檢合格證。

　3 加工制造階段

　加工制造階段是整體葉盤制造的核心工作內(nèi)容，整體葉盤設(shè)計(jì)規(guī)定的幾乎全部幾何尺寸須在加工制造階段進(jìn)行加工，目前整體葉盤加工的工藝方法主要有以下5項(xiàng)。

?。?）失蠟精密鑄造整體葉盤。小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪整體葉盤及其整體導(dǎo)向器均采用失蠟精密鑄造工藝鑄造葉盤。

　（2）鍛件機(jī)械加工整體葉盤。采用五座標(biāo)數(shù)控加工中心，將整體葉盤轉(zhuǎn)子鍛坯銑削加工成整體葉盤轉(zhuǎn)子零件，這是國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤制造研究最早，應(yīng)用最廣，技術(shù)較為成熟的制造方法。國(guó)外早期制造葉片數(shù)較少的小型整體葉盤如T700發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤較多采用此方法制造葉盤?，F(xiàn)在大直徑、葉片數(shù)多的整體葉盤，如羅羅公司的BR715的風(fēng)扇后兩級(jí)增壓壓氣機(jī)，EJ200中的兩種整體葉盤也使用了這種加工方法加工。

?。?）電子束焊接整體葉盤。葉片與輪盤分別加工好后，將一個(gè)個(gè)葉片用電子束焊接法焊到輪盤的輪緣上。普惠公司PT6三級(jí)軸流轉(zhuǎn)子葉盤均用電子束焊接加工成型。

?。?）電化學(xué)加工整體葉盤。電化學(xué)加工實(shí)質(zhì)上是一種反電鍍過(guò)程，將浸泡在電解液槽中的葉盤鍛件毛坯與電源的正極連接，類似電鍍時(shí)的陽(yáng)機(jī)，將先期加工的葉型形狀的工具與電源負(fù)極連接，類似電鍍時(shí)的陰極，電源接通后，工件表面的材料逐漸被溶解形成所要求的型面（型面由處于陰極的工具型面來(lái)保證），從工件上被溶解掉的材料，被電解槽中高速流動(dòng)的電解液帶走。用電化學(xué)加工方法加工整體葉盤比用五坐標(biāo)數(shù)控銑床加工葉盤，加工時(shí)間大大縮短、特別對(duì)于大風(fēng)扇整體葉盤，由于要從工件上去除掉大量材料，使用此方法效果更好；同時(shí)也避免葉片在銑削加工中由于大量切削材料產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。GE公司自1985年開發(fā)了這種加工方法，并先后用于T700、F414、F110-GE-129R等發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤加工。

　（5）線性摩擦焊整體葉盤。這是一種新的固態(tài)連接技術(shù)，它類似于擴(kuò)散連接，即將兩個(gè)清潔的輪盤和葉片結(jié)合表面處于高壓與高溫下，這樣在兩件材料的結(jié)合面間形成了原子的相互轉(zhuǎn)移，最終使輪盤和葉片緊密連接成一體。在擴(kuò)散連接中連接的工件在高溫爐中使整個(gè)工件加熱到高溫，而在線性摩擦焊過(guò)程中，工件的高溫是通過(guò)兩結(jié)合面間的高速互動(dòng)摩擦產(chǎn)生的。F119第一級(jí)空心風(fēng)扇葉片采用這種焊接方法焊到輪盤上。

　在加工制造階段，值得密切關(guān)注的問(wèn)題是必須采取真空熱穩(wěn)定化處理方法消除加工階段產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及其葉片的加工變形，真空熱處理的溫度及其加溫和冷卻的時(shí)間與處理葉盤的材料和規(guī)格有關(guān)。

　4 光飾處理階段

　光飾處理是為滿足整體葉盤粗糙度設(shè)計(jì)而開展的加工任務(wù)，主要是對(duì)葉盤葉型表面進(jìn)行上光處理，消除加工刀痕或走刀軌跡的反光現(xiàn)象，同時(shí)也可提高葉片型面的壓應(yīng)力。目前采用的主要方法有手工上光，手工預(yù)上光，振動(dòng)光飾，機(jī)械手拋光等方法。圖2為五坐標(biāo)機(jī)械手拋光機(jī)拋光葉盤零件。

       5 鍛件質(zhì)量再檢查階段

　鍛件質(zhì)量再檢查是在葉片型面還未達(dá)到精加工狀態(tài)時(shí)，采用腐蝕檢查、渦流檢查等方法檢查鍛件的內(nèi)部（整體葉盤葉片表面和次表面）質(zhì)量。這一階段將給出相應(yīng)的過(guò)程檢測(cè)報(bào)告。

　6 加工質(zhì)量檢查階段

　加工質(zhì)量檢查的主要工作為：（1）用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（目前使用最廣泛）檢查葉盤的加工幾何尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求，其依據(jù)為葉盤設(shè)計(jì)圖紙、公差和葉盤零件模型，出具葉片型面檢測(cè)報(bào)告、相關(guān)幾何尺寸報(bào)告和裝配尺寸實(shí)測(cè)值報(bào)告；（2）用熒光檢查方法檢查零件表面是否存在缺陷，并出具檢查報(bào)告；（3）對(duì)葉片的固有振動(dòng)頻率進(jìn)行檢測(cè)，出具規(guī)定葉片固有振動(dòng)頻率的實(shí)測(cè)報(bào)告；（4）用粗糙度檢查設(shè)備檢查葉片型面是否滿足設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的粗糙度要求；（6）加工表面殘余應(yīng)力檢測(cè)，一般認(rèn)為：葉片表面的殘余應(yīng)力越小加工質(zhì)量越好，壓應(yīng)力比拉應(yīng)力好。

　7 耐磨、抗疲勞加工階段

　此階段工作的主要任務(wù)是增加葉盤在工作狀態(tài)下相關(guān)部位的耐磨能力和葉片的抗疲勞性能。主要方法為噴涂、噴丸濕吹砂和激光強(qiáng)化等。

　8 包裝階段

　包裝階段是葉盤制造中非常重要但常常被忽視的工作內(nèi)容，其主要包括葉盤零件在葉盤包裝箱中固定、保護(hù)和封裝等工作內(nèi)容，根據(jù)葉盤的尺寸和重量制作葉盤的包裝箱。

　9 完成葉盤制造交付

　本階段依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、各個(gè)階段的質(zhì)量文件、過(guò)程檢查記錄，開具零件合格證，按照要求歸檔全部質(zhì)量文件、過(guò)程記錄和流水卡等。

　整體葉盤NC加工關(guān)鍵技術(shù)

　整體葉盤雖然加工方法較多，但國(guó)內(nèi)研究成果最多、應(yīng)用最廣泛、技術(shù)成熟度最高的加工方法還是鍛件機(jī)械加工整體葉盤的方法，也就是五坐標(biāo)NC加工方法。為了實(shí)現(xiàn)整體葉盤的高效低成本、高設(shè)計(jì)符合性制造，必須制定科學(xué)的葉盤加工工藝規(guī)范和合理的NC加工程序。圖3為整體葉盤NC加工常采用的加工工藝路線。葉盤加工的關(guān)鍵點(diǎn)較多，下面就部分重要的關(guān)鍵工藝技術(shù)給以介紹。

　　1 插銑開槽加工工藝

　整體葉盤零件開槽加工的基本特點(diǎn)是加工的材料為難切削材料而切削量大，葉盤毛坯的絕大多數(shù)材料需在開槽階段去除。傳統(tǒng)上葉盤開槽加工中一般采用立銑刀分層側(cè)銑的加工方式進(jìn)行開槽加工，由于葉盤開槽側(cè)銑加工切削量較大，刀具承受切削力和扭矩很大，常常導(dǎo)致刀具折斷。隨著刀具懸伸量的增加，加工過(guò)程會(huì)出現(xiàn)刀具和葉片激烈的振動(dòng)現(xiàn)象，零件加工的表面質(zhì)量差、誤差大，開槽加工效率低、加工周期長(zhǎng)。開槽工作是影響葉盤制造效率和成本的瓶頸問(wèn)題。

　插銑加工也稱為Z軸（刀軸）切削法加工，是近年來(lái)在深腔槽或陡峭壁類結(jié)構(gòu)零件加工中常采用的一種高效加工方法。插銑加工時(shí)刀具沿機(jī)床主軸方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，利用底部的切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削。插銑工藝切削力小，減小了刀具和工件的變形；插銑切削過(guò)程中切削力無(wú)突變，從而有效避免了機(jī)床-刀具系統(tǒng)的振動(dòng)，使切削過(guò)程平穩(wěn)。經(jīng)大量葉盤加工開槽加工驗(yàn)證，在增大側(cè)向步距和懸伸量的情況下，插銑切削仍能保持平穩(wěn)狀態(tài)；插銑時(shí)刀具和零件的接觸面溫度低，刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量可大幅度提高。因此，在鈦合金、高溫合金和不銹鋼等難切削材料粗加工中，插銑工藝開槽加工可大幅度提高刀具耐用度、減少開槽時(shí)間、降低加工成本。

　2 對(duì)稱螺旋銑削葉片精加工工藝

　對(duì)稱螺旋銑削加工工藝采用螺旋線刀具軌跡在葉片兩側(cè)一個(gè)螺旋周期內(nèi)對(duì)被加工葉片“對(duì)稱”地加工，使葉片兩側(cè)被切除的材料量值基本相等，從而可減小傳統(tǒng)單邊加工時(shí)殘余應(yīng)力引起的變形，有效地控制了粗加工、半精加工后葉片內(nèi)應(yīng)力非對(duì)稱釋放和加工殘余應(yīng)力引起的加工變形。同時(shí)，還可采用高速銑削技術(shù)，直接減小銑削力以及工藝系統(tǒng)的被迫振動(dòng)。因此，這種工藝方法在實(shí)現(xiàn)加工薄壁葉片時(shí)，其單面銑削工藝無(wú)法保證的加工精度。

　葉片對(duì)稱螺旋銑削精加工分為兩步：第一步，對(duì)稱地切除半精加工時(shí)留下的非均勻余量，并為第二步加工留下均勻的切削余量；第二步，對(duì)稱地切除第一步留下的余量和殘余應(yīng)力層，并完成對(duì)“讓刀”誤差的補(bǔ)償。

　3 葉盤葉片前后緣加工誤差補(bǔ)償技術(shù)

　葉片前后緣加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤工作時(shí)的氣動(dòng)性能，決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率的高低。為了滿足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高效氣動(dòng)性能的要求，葉片設(shè)計(jì)的越來(lái)越薄，其前后緣圓弧半徑甚至小于0.1mm，有的還采用了橢圓形前后緣結(jié)構(gòu)，所以葉片前后緣切削加工過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生較大的加工誤差，許多葉盤、葉片報(bào)廢的原因就是前后緣加工超差所致。究其原因，葉片加工過(guò)程中，在切削力作用下，葉片及刀具均發(fā)生變形，刀具觸點(diǎn)處實(shí)際切削量小于數(shù)控加工程序給定的切削量，這就是通常稱作為“讓刀”的現(xiàn)象，使一部分預(yù)期切削的材料仍然殘留在被加工葉片上，殘留下來(lái)的余量和葉片加工過(guò)程的變形量基本相等，造成葉片零件的尺寸、形狀和位置超差。

　葉盤葉片前后緣加工誤差補(bǔ)償技術(shù)就是為了滿足葉片前后緣加工符合設(shè)計(jì)公差要求的工藝方法，該方法是建立在工藝試驗(yàn)和反復(fù)試切的基礎(chǔ)上一種工程應(yīng)用方法。在葉盤葉片加工前，首先選定葉盤上部分葉片作為工藝試驗(yàn)葉片按照理論模型進(jìn)行加工，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)加工完成的葉片進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)得出葉片的變形誤差規(guī)律，再根據(jù)葉片的變形情況對(duì)原理論模型進(jìn)行修改，即對(duì)加工的葉片模型進(jìn)行反變形建模。然后以反變形設(shè)計(jì)模型為基準(zhǔn)重新進(jìn)行NC編寫和加工，經(jīng)過(guò)2~3次迭代試驗(yàn)，加工的葉片前后緣就可滿足設(shè)計(jì)要求。不同的結(jié)構(gòu)、不同的材料、不同規(guī)格的葉片補(bǔ)償?shù)牧坎煌?，有的差距還非常大。經(jīng)驗(yàn)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)的積累決定著葉片前后緣加工的效率和質(zhì)量。

　4 空心葉片線性摩擦焊整體葉盤葉型自適應(yīng)加工工藝

　國(guó)外高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉盤大量采用了空心葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)。空心葉片整體葉盤的制造方法為：首先采用擴(kuò)散連接-超塑性成形方法成形出葉片；其次采用線性摩擦焊工藝將葉片和輪盤焊接成一體；最后使用自適應(yīng)加工方法對(duì)葉片的葉身和葉根進(jìn)行加工。

　由于種種原因，擴(kuò)散連接-超塑性成形方法成形的葉片不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的指標(biāo)要求，加之線性摩擦焊工藝焊接的葉盤，葉片在葉盤上的位置和扭角也不盡一致，所以為了滿足葉盤裝機(jī)后的工作性能，必須針對(duì)空心葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)的葉片進(jìn)行適應(yīng)性NC加工。自適應(yīng)加工的工藝過(guò)程為：（1）對(duì)待加工的空心葉片整體葉盤的全部葉片進(jìn)行計(jì)量和造型；（2）檢測(cè)每一個(gè)葉片特征位置的葉片壁厚，建立葉片壁厚分布數(shù)據(jù)庫(kù)；（3）將計(jì)量造型結(jié)果及厚度分布狀況與設(shè)計(jì)理論模型進(jìn)行比較，綜合分析葉片位置及其厚度的分布狀況信息；（4）在綜合測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)模型的異同狀況，確定自適應(yīng)加工的方案；（5）進(jìn)行編程和加工。