葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，如圖1所示，葉片的加工精度和質(zhì)量對航空發(fā)機(jī)的效率和性能以及安全可靠性都有直接的影響，而占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工總量30% 以上的葉片加工一直是我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體水平提高的“瓶頸”。        美國NASA-Lewis 研究中心的研究結(jié)果表明，當(dāng)葉片的輪廓精度在0.025mm左右時(shí)，如果葉片表面粗糙度Ra由3.1μm 降低到0.51μm 后，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率將在設(shè)計(jì)值附近提高3%~6% ；如果發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速工作在設(shè)計(jì)值60% 的低速狀態(tài)時(shí)，效率也會(huì)提高1%~3% ；當(dāng)葉片的表面粗糙度為0.51μm 時(shí)，其輪廓誤差由0.025mm降低到0.0125mm 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣比將再提高1% 以上，尤其是進(jìn)氣邊緣占葉片型面10% 的輪廓誤差對效率的影響最大。
       以上研究結(jié)果說明葉片型面的加工精度和質(zhì)量對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有直接的影響，特別是對超音速飛機(jī)來說，其影響更為明顯。另一方面，葉片型面的高精度和高質(zhì)量制造對降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗也有明顯的貢獻(xiàn)，美國第六代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)研究項(xiàng)目ADVENT 將實(shí)現(xiàn)燃油消耗下降25%，其中壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造大約占其中的5%~7%。民用發(fā)動(dòng)機(jī)LEAP-X 型號中，將通過優(yōu)化壓氣機(jī)設(shè)計(jì)和制造降低燃油消耗7%左右。
       按照變形的形成機(jī)理可以將葉片的加工變形分為3 種類型：
       （1）葉片受切削力作用而導(dǎo)致的變形，也稱為“讓刀”變形；
       （2）因過定位支撐和裝夾誤差引起的變形；
       （3）因加工表面殘余應(yīng)力而引起的變形。葉片的最終變形是由幾種變形綜作用的結(jié)果，不同變形機(jī)理引起的葉片變形要采用不同的變形控制方法。
       目前，數(shù)控銑削是葉片型面的主要加工方式，其變形控制機(jī)理和方法能夠基本滿足葉片型面輪廓精度在0.05~0.07mm 的加工需要。
       一、葉片型面的主要變形
       “讓刀”變形
       航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是典型薄壁的弱剛性零件，在銑削加工中易受切削力作用而產(chǎn)生“讓刀”變形；同時(shí)，葉片常采用高溫不銹鋼、高溫鈦合金、鎳基高溫合金或金屬基復(fù)合材料等性能優(yōu)良的材料，這些材料的切削加工性較差，切削加工過程中切削力相對較大，而且刀具磨損較快，切削力也會(huì)隨之增大，加劇了“讓刀”變形的程度，尤其是在葉片的葉尖和進(jìn)排氣邊緣等剛性較差的部位，變形更為嚴(yán)重。
       定位支撐或裝夾誤差
       為了增強(qiáng)葉片在加工過程中的剛性，最簡單且直接的方法就是在葉片完全定位且夾緊的情況下，再對葉片增加輔助支撐，間接提高葉片的剛性。如圖4 所示，在葉身型面上增加支撐柱等。在輔助支撐的作用下，葉片處于過定位狀態(tài)，輔助支撐的精度將直接影響葉片的加工精度。通過提高夾具及輔助支撐裝置的加工和安裝精度可以滿足一般精度葉片的加工需要，并且這種方法已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，取得很好的效果。
        二、葉片加工變形控制方法
       國內(nèi)外研究者主要通過裝夾方式、工藝及加工參數(shù)優(yōu)化、變形預(yù)測與誤差補(bǔ)償、電解加工及超硬磨料砂輪高速磨削等方式對航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片變形控制方法展開探索和研究。
       利用裝夾方式控制葉片變形
       控制葉片因受到切削力作用而產(chǎn)生的變形，最簡單且直接的方法就是對葉片進(jìn)行過定位裝夾或輔助支撐，間接提高葉片的剛性，從而達(dá)到減小葉片受力變形的目的。
       為了最大限度地降低因過定位裝夾或輔助支撐裝置的制造誤差對葉片加工精度的影響，國內(nèi)外研究者提出利用低熔點(diǎn)合金對葉片整體包裹支撐的方式，將融化的低熔點(diǎn)合金澆灌在葉片型面的四周，對其進(jìn)行輔助支撐。低熔點(diǎn)合金較低的融化溫度也有效地避免了葉片的受熱變形，從而使葉片的過定位輔助支撐具有極高的精度。
       利用夾具及輔助支撐的方式能夠有效地控制葉片的“讓刀”變形，但不可避免地使葉片產(chǎn)生過定位裝夾變形，需要根據(jù)葉片的加工精度來決定夾具及輔助支撐的精度。同時(shí)，葉片的殘余應(yīng)力變形不能通過過定位裝夾和支撐進(jìn)行控制，此方法適用于殘余應(yīng)力變形較小的葉片加工。
       利用工藝及加工參數(shù)優(yōu)化控制葉片的變形
       （1）利用加工余量分配調(diào)整加工工藝，增強(qiáng)葉片加工剛性。葉片之所以產(chǎn)生加工變形，最主要原因就是其剛性較差，通過工藝手段使剛性增強(qiáng)也是控制葉片加工變形的有效手段之一。
       （2）利用對稱加工工藝和自適應(yīng)夾具控制葉片殘余應(yīng)力變形。一般情況下，葉片均采用單面銑削加工工藝，即在半精加工和精加工工序中，先加工葉盆或葉背，之后再進(jìn)行另一面的加工。采用這種加工工藝，由于葉盆、葉背型面的加工表面殘余應(yīng)力處于非平衡狀態(tài)，極易導(dǎo)致葉片型面產(chǎn)生彎扭變形。
       （3）通過工藝參數(shù)優(yōu)化減小葉片的變形。為了彌補(bǔ)葉片過定位裝夾和輔助支撐對葉片變形控制的不足，并進(jìn)一步降低葉片輪廓的加工誤差，研究人員對其他變形控制輔助工藝以及加工工藝過程和參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化，在葉片加工剛性相對不變的情況下，進(jìn)一步控制葉片的變形。在其他加工條件和輔助工藝既定的情況下，加工參數(shù)優(yōu)化是其他變形控制手段的基礎(chǔ)，只有對葉片加工參數(shù)及工藝條件進(jìn)行較為充分的優(yōu)化，才能使葉片的加工精度得到基本的保證，并為后續(xù)的變形控制奠定良好的基礎(chǔ)。
       利用變形預(yù)測與誤差補(bǔ)償控制葉片的變形
       葉片綜合誤差補(bǔ)償是目前應(yīng)用較為廣泛的葉片綜合變形控制方式，其主要思路是利用理論分析及有限元模擬仿真、變形測量等手段得到葉片在穩(wěn)定的加工工藝下的變形規(guī)律及分布情況，然后通過適當(dāng)修改葉片的三維模型或刀具加工軌跡來實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償（如圖6 所示），這種變形控制方式非常適合葉片的大批量生產(chǎn)。
       葉片加工變形綜合補(bǔ)償技術(shù)對于控制葉片的綜合變形、提高葉片的加工精度具有明顯的作用。理論上來說，只要能夠精確地測量到葉片的變形量，且葉片在既定的加工工藝條件下變形非常穩(wěn)定，在進(jìn)行多次誤差補(bǔ)償試驗(yàn)后，那么總能得到高精度的合格葉片；而且通過誤差補(bǔ)償進(jìn)行葉片綜合變形控制的技術(shù)通用性很強(qiáng)，無論是對葉片受力而產(chǎn)生的“讓刀”變形，還是殘余應(yīng)力變形都能起到很好的作用。
       采用電解加工控制葉片的變形
       改變?nèi)~片的加工方式和加工原理也是控制葉片變形的有效方法。對于葉片加工來說，剛性弱是限制其精度提高的重要因素。因此，國內(nèi)外研究者將化學(xué)銑削、電解加工等無應(yīng)力材料去除加工技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪葉片型面的加工領(lǐng)域。
       化學(xué)銑削加工是利用化學(xué)腐蝕液對零件表面進(jìn)行均勻腐蝕去除的一種無應(yīng)力材料加工方法。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工領(lǐng)域內(nèi)，主要應(yīng)用于精密鍛造后鈦合金或高溫不銹鋼葉片表面“硬皮”的去除加工，提高葉片后期的機(jī)械加工性能，也可作為葉片型面的最終加工工序，提高加工表面質(zhì)量。但是，化銑只是均勻去除葉片表面（或者局部表面）的一層材料，并不是通過控制葉片型面的變形來提高其輪廓精度。另一方面，化銑容易在鈦合金葉片表面形成氫污染和晶間腐蝕現(xiàn)象，造成葉片不合格，航空企業(yè)目前也逐漸將化銑用于葉片鍛造毛坯后的粗加工。
       葉片全型面精密電解加工能夠在加工過程中徹底避免葉片型面受到力的作用，從加工機(jī)理出發(fā)，徹底摒除了葉片弱剛性對其加工精度的影響；同時(shí)，加工表面不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和加工硬化，也避免了葉片因加工表面殘余應(yīng)力而形成的無規(guī)律變形；另外，電解加工的材料去除率較高，尤其是針對切削性能較差的高性能材料來說，其加工效率高于銑削加工。
       因此，國內(nèi)外對于葉片全型面的電解加工進(jìn)行了許多研究。葉身全方位電解加工技術(shù)于20 世紀(jì)80 年代成功地運(yùn)用于美國GE 和英國Rolls-Royce 公司鎳基渦輪葉片和鈦合金壓氣機(jī)葉片的加工領(lǐng)域。德國MTU、Leistritz 公司也采用拷貝式電解加工工藝進(jìn)行葉輪型面的整體加工，如圖7 所示。英國的Amchem 公司已經(jīng)生產(chǎn)出陰極斜向進(jìn)給、軸向供液的葉片電解加工專用機(jī)床。
       采用超硬磨料砂輪高速磨削加工
       控制葉片的變形針對現(xiàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的高性能難加工材料高溫鈦合金和鎳基高溫合金加工，超硬磨料砂輪的高速磨削加工方式磨削力小，其優(yōu)
       勢更為明顯。超硬磨料的硬砂輪磨削加工方式以微量去除、磨削力連續(xù)、難加工材料加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)很好地適應(yīng)了發(fā)動(dòng)機(jī)高性能葉片精密加工的需要。多軸聯(lián)動(dòng)硬砂輪磨削加工已經(jīng)在國際上多家重要的發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司得到了應(yīng)用，如美國Pratt & Whitney、德國MTU、英國Rolls-Royce 等。