航空发动机制造技术——整体叶盘

航空发动机整体叶盘加工工艺探析摘要航空发动机制造是一个国家高端制造业的集中体现，当前我国航空产业高速发展对于航空发动机的需求大幅增加，积极研发与应用航空发动机机械加工新技术，在保障航空发动机机械加工质量的同时有效地提高航空发动机机械加工效率对于保障航空发动机的供应有着极为重要的意义。

叶盘是航空发动机中的重要组件，整体叶盘机械加工能够有效地避免榫头、榫槽间的微动磨损、微观裂纹等缺陷，对于提高航空发动机的使用性能和使用寿命有着极为重要的意义。

本文在分析航空发动机整体叶盘机械加工特点的基础上对航空发动机整体叶盘常用的加工技术进行分析阐述。

关键词航空发动机；整体叶盘；机械加工0前言整体叶盘应用于航空发动机中能够有效地提高航空发动机的使用性能和使用的可靠性。

但是相对的航空发动机整体叶盘机械加工也面临着较大的困难和挑战，航空发动机整体叶盘结构复杂，尤其是航空发动机整体叶盘的叶片型面为自由曲面，叶片厚度薄带来的是航空发动机整体叶盘叶片的整体刚性较差，航空发动机整体叶盘叶片容易在机械加工中产生变形进而影响航空发动机整体叶盘的机械加工质量。

此外，受航空发动机整体叶盘结构限制在机械加工中发生干涉现象较为严重，相较于普通的盘片分离结构航空发动机整体叶盘机械加工所面临的困难更大，应当积极做好航空发动机整体叶盘加工技术的研究与应用，提高航空发动机整体叶盘的加工质量与加工效率。

1航空发动机整体叶盘的结构与加工特性航空发动机整体叶盘从结构形式上主要分为整体式和焊接式两大类，焊接式采用的是对叶片进行单独加工并在后期采用电子束焊、线性摩擦焊或是真空固态扩散联结等的焊接技术将前期加工的叶片焊接至叶盘。

采用焊接式加工时对于叶片焊接质量要求较高，其直接影响着航空发动机整体叶盘的使用性能和可靠性。

整体式叶盘是航空发动机整体叶盘的主要结构形式，在对整体式叶盘加工制造主要依靠的是机械加工，加工时采用整体材料或是锻造的毛坯件进行加工，在这一过程中材料去除余量主要是依靠通道粗加工完成的，通道粗加工与航空发动机整体叶盘的加工效率密切相关，应当积极做好航空发动机整体叶盘通道粗加工技术的研究与应用，以便有效地提高航空发动机整体叶盘的加工效率，缩短加工周期。

整体叶盘加工中应用到的特种加工技术1.1绪论现代航空发动机的结构设计和制造技术是发动机研制、发展、使用中的一个重要环节，为满足以FII9、FI20、EJ200为标志的第4 代战斗机用发动机以及未来高推重比新概念发动机的性能要求除采用先进技术、减少飞机机体结构、机载设备的重量外，关键是要求发动机的推重比达到I0 这一级重点突破发动机部件的气动、结构设计、材料、工艺等方面的关键技术。

其中在发动机风扇、压气机、涡轮上采用整体叶盘(Biisk)结构(包括整体叶轮、整体叶环)是重要措施。

1.2整体叶盘结构的特点整体叶盘是航空发动机的一种新型结构部件，它与常规叶盘连接相比有以下特点：（1）不需叶片榫头和榫槽连接的自重和支撑这些重量的结构，减轻了发动机风扇、压气机、涡轮转子的重量。

（2）原轮缘的榫头变为鼓筒；盘变薄，其内孔直径变大;消除了盘与榫头的接触应力，同时也消除了由于榫头安装角引起的力矩产生的挤压应力; 减轻了盘的重量提高了叶片的振动频率。

（3）整体叶盘可消除常规叶盘中气流在榫根与榫槽间缝隙中逸流造成的损失，使发动机工作效率增加，从而使整台发动机推重比显著提高。

（4）由于省去了安装边和螺栓、螺母、锁片等连接件，零件数量大大减少，避免了榫头、榫槽间的微动摩损、微观裂纹、锁片损坏等意外事故，使发动机工作寿命和安全可靠性大大提高。

（5）如整体叶盘叶片损坏，为避免拆换整个转子将整体叶盘与其他级用螺栓相连形成可分解的连接结构。

（6）由于高压压气机叶片短而薄叶片离心力较小，轮缘径向厚度小采用整体叶盘结构减重不显著。

1.3航空发动机整体叶盘结构在研究发展中存在的问题虽然，整体叶盘具有如此多的我优点，但是在整体叶盘的加工和使用过程中，我们也遇到了很多的问题，比如：（1）整体叶盘加工困难，只有制造技术发展到一定水平后，整体叶盘的应用才成为可能。

（2）发动机在使用过程中转子叶片常遇到外物打伤或因振动叶片出现裂纹，整体叶盘要更换叶片非常困难，也有可能因为一个叶片损坏而报废整个整体叶盘，因此风扇的第I\2级一般不用整体叶盘结构。

以市场为导向的整体叶盘加工，制造工程的挑战简介及概述整体叶盘（英文名blisk），最初用于军用低压压气机(LPC)，后来军用高压压气机(HPC)也采用这种结构。

现在整体叶盘也越来越多的用于商用压气机。

图1 压气机整体叶盘随着全球竞争的日趋激烈，发展中的市场要求整体叶盘加工工艺的持续改良以及新加工方法和工艺流程的不断发展。

根据叶盘的尺寸，几何形状及材料不同，叶盘加工存在不同的具有竞争力的加工工艺。

MTU （德国MTU航空发动机公司）已经开发出一种加工工艺评价工具，它可按需找出最佳工艺方案，这套评价工具本身已包含了新颖的加工方法和新的工艺技术。

目前可供选择的用于整体叶盘加工的主要生产工艺有：焊接加工整体铣削电解加工或精密电解加工整体铣削加工法可使加工时间节省一半以上由于在加工中可大量节约刀具成本，精密电解加工法已成为加工镍合金整体叶盘的首选工艺焊接加工工艺可单独加工叶片，以适应应力分布，节省原材料，并且便于在维修时更换叶片。

对每种不同的加工工艺，在过去几年间MTU航空发动机公司都已经开发出完善的，成熟的工艺流程，可提高整体叶盘的生产效率，降低生产成本，稳定工艺过程以及提高加工质量。

引言整体叶盘结构应用于先进的军用高推重比发动机，同时也越来越多的应用于民用涡扇航空发动机。

其主要优点有：减轻重量（最高可减重30%）改善气动性能减少燃油消耗及废气排放量整体叶盘压气机的制造难点：生产工艺复杂，制造费时费力，质量要求严苛，检验困难随着降低制造成本的要求越来越高，这些难点更加突出，只有通过革新的生产和检验技术才能达到。

生产成本与市场下图明确的标示出整体叶盘的生产成本主要分解为以下三种：材料成本，流道生成成本，检验及制造成本。

图2 整体叶盘制造成本分类整体叶盘生产与使用增长非常显著，在商用发动机上的应用增长也起着推波助澜的作用。

图3 整体叶盘市场趋势以下是各种使用整体叶盘压气机发动机的不同型号飞机，MTU集团为他们研制的使用整体叶盘结构的引擎有：PW6000, EJ200, TP400 , F119。

航空发动机整体叶盘加工工艺分析摘要：随着近几年的外来技术引进及国内的制造水平提升，发动机整体叶盘制造技术被攻克，但加工效率低下，远远达不到量产需求，工艺技术及刀具需进一步研发。

关键词：航空发动机；整体叶盘；加工工艺分析引言现阶段，随着社会的发展，我国的现代化建设水平也有了很大的提高。

1998年以来，我国进入了航空大发展时期。

近几年随着各种新型号军、民机先后升空，我国对自主先进大推力航空发动机的需求与日俱增。

发动机是飞机的心脏，被誉为工业皇冠上的明珠。

其制造能力直接标志着国家的顶尖制造水平，现美国和英国牢牢掌控大推力先进航空发动机的关键技术，在行业中呈垄断形式。

自2005年“太行”定型后，我国对新型发动机研制及量产有了新的需求，其中，整体叶盘制造更是核心瓶颈技术攻关之一。

数控加工是航空发动机整体叶盘最主要的加工方法，数控加工工序是保证整体叶盘几何精度符合设计要求的重要环节。

按照设计三维数模精铣后的叶片型面虽满足图纸尺寸公差，但后续叶片表面光整及强化工艺会对叶型特征产生不同程度的影响，导致最终叶型几何特性超出设计要求。

通过对抛光、振动光饰、喷丸等表面光整及强化工艺进行分析，确定其对叶型参数的影响规律及量值，再根据预变形技术对精铣工序的加工模型和程序进行修正，使叶片在精洗后获得与后续表面光整及强化工艺变形规律相反的形状和位置，再在后续加工中消除这些预变形量，从而达到在最终交付状态获得合格整体叶盘的目标。

1整体叶盘材料特性及整体叶盘盘铣加工技术分析1.1整体叶盘材料特性整体叶盘是航空发动机的组成之一，整体叶盘的存在能提高发动机性能、减小重量、提高耐久性与可靠性。

常见的整体叶盘材料是TC4钛合金材料，该材料属于（α+β）型钛合金，有好的比强及热强度，具有良好的抗腐蚀和抗疲劳性能，同时该材料同时具备α、β双向组织，能进行热处理强化，最大化地提高飞机的使用寿命，降低飞机后期成本。

但是，该材料属于典型难加工材料，主要原因有：钛合金弹性模量低，加工中易产生变形；摩擦系数大，刀具易磨损；热导率低，加工时热量不能有效传递，刀具温度较高，处理不当很容易造成粘刀，加快刀具磨损；化学活性高，加工中形成硬化层，硬度大量提升，且易于燃烧。

先进航空发动机关键制造技术开展现状与趋势一、轻量化、整体化新型冷却构造件制造技术1 整体叶盘制造技术整体叶盘是新一代航空发动机实现构造创新与技术跨越的关键部件，通过将传统构造的叶片和轮盘设计成整体构造，省去传统连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置，构造重量减轻、零件数减少，防止了榫头的气流损失，使发动机整体构造大为简化，推重比和可靠性明显提高。

在第四代战斗机的动力装置推重比10 发动机F119 和EJ200上，风扇、压气机和涡轮采用整体叶盘构造，使发动机重量减轻20%~30%，效率提高5%~10%，零件数量减少50% 以上。

目前，整体叶盘的制造方法主要有：电子束焊接法；扩散连接法；线性摩擦焊接法；五坐标数控铣削加工或电解加工法；锻接法；热等静压法等。

在未来推重比15~20 的高性能发动机上，如欧洲未来推重比15~20 的发动机和美国的IHPTET 方案中的推重比20的发动机，将采用效果更好的SiC 瓷基复合材料或抗氧化的C/C 复合材料制造整体涡轮叶盘。

2 整体叶环〔无盘转子〕制造技术如果将整体叶盘中的轮盘局部去掉，就成为整体叶环，零件的重量将进一步降低。

在推重比15~20 高性能发动机上的压气机拟采用整体叶环，由于采用密度较小的复合材料制造，叶片减轻，可以直接固定在承力环上，从而取消了轮盘，使构造质量减轻70%。

目前正在研制的整体叶环是用连续单根碳化硅长纤维增强的钛基复合材料制造的。

推重比15~20 高性能发动机，如美国XTX16/1A 变循环发动机的核心机第3、4 级压气机为整体叶环转子构造。

该整体叶环转子及其间的隔环采用TiMC 金属基复合材料制造。

英、法、德研制了TiMMC 叶环，用于改良EJ200的3级风扇、高压压气机和涡轮。

3 大小叶片转子制造技术大小叶片转子技术是整体叶盘的特例，即在整体叶盘全弦长叶片通道后部中间增加一组分流小叶片，此分流小叶片具有大大提高轴流压气机叶片级增压比和减少气流引起的振动等特点，是使轴流压气机级增压比到达3 或3 以上的有开展潜力的技术。

摘要摘要整体叶盘是运用于高端航空发动机的新型零部件，由于其相比于传统的发动机轮盘来说减少了多个连接部件，使得发动机整体质量减轻，结构件装配误差降低，因此采用整体叶盘结构的航空发动机各方面的性能都得到了提升。

但由于其结构相对来说比较复杂加上制造要求较高等特点，使得必须具备一定制造水平才可以完成对其的加工。

美、英等发达国家对整体叶盘的精密加工技术研究上比较领先，由于航发式整体叶盘的精密加工相关的工艺装备背后蕴含的军用价值和商业竞争需要许多核心技术不对外公开。

国内的相关研究较为滞后，近年来国内高校院所对叶盘精密加工技术取得了一定的进展，但大部分研究都停留在样机试制的阶段，离投入工程化使用还有较长的路要走。

目前国内对整体叶盘的还处于研究阶段，经过多年的研究对叶盘粗加工技术基本掌握，但对于其精密抛光方面还有很多尚需解决的难题。

国内发动机在推重比以及可靠性方面与国外差距较大，主要原因之一在于我国整体叶盘的精密抛光技术不佳，多采用人工加工，使得整体叶盘一致性较差，加工效率低。

为此本文根据航空发动机整体叶盘的结构特点并分析其材料的磨削特性，开展磨削工艺试验，并最终设计出适用于整体叶盘全型面自动化抛光的设备，为改善航空发动机性能奠定基础。

本文的主要研究工作如下:(1)分析了整体叶盘的结构特性，研究了以钛合金为代表叶盘组成材料的磨削特性，并进行相关的工艺实验研究，确定叶盘的最佳磨削参数。

(2)研究了整体叶盘叶片型面的结构特点，对比多种磨抛方案，最后确定机床的结构形式以及最佳的磨抛方案，为开展磨抛装备结构设计奠定了相关的理论基础。

(3)分析了多种机床方案，提出了最佳的机床结构设计方案，并运用对机床整机进行详细的结构设计。

通过对机床的关键部件进行动静态分析，找出机床的薄弱环节。

结合相应的优化原理以高刚度、轻质量、低固有频率为目标对机床的关键部件进行结构优化，为最终开发出高稳定性与可靠性的机床，以提高整体叶盘叶片型面的加工精度提供技术理论依据和技术支撑。

整体叶盘加工中应用到的特种加工技术1.绪1论现代航空发动机的结构设计和制造技术是发动机研制、发展、使用中的一个重要环节，为满足以FII9、FI20、EJ200为标志的第4代战斗机用发动机以及未来高推重比新概念发动机的性能要求除采用先进技术、减少飞机机体结构、机载设备的重量外，关键是要求发动机的推重比达到I0这一级重点突破发动机部件的气动、结构设计、材料、工艺等方面的关键技术。

其中在发动机风扇、压气机、涡轮上采用整体叶盘(Biisk)结构(包括整体叶轮、整体叶环)是重要措施。

整2体叶盘结构的特点整体叶盘是航空发动机的一种新型结构部件，它与常规叶盘连接相比有以下特点：（1）不需叶片榫头和榫槽连接的自重和支撑这些重量的结构，减轻了发动机风扇、压气机、涡轮转子的重量。

（2）原轮缘的榫头变为鼓筒；盘变薄，其内孔直径变大;消除了盘与榫头的接触应力，同时也消除了由于榫头安装角引起的力矩产生的挤压应力;减轻了盘的重量提高了叶片的振动频率。

（3）整体叶盘可消除常规叶盘中气流在榫根与榫槽间缝隙中逸流造成的损失，使发动机工作效率增加，从而使整台发动机推重比显著提高。

（4）由于省去了安装边和螺栓、螺母、锁片等连接件，零件数量大大减少，避免了榫头、榫槽间的微动摩损、微观裂纹、锁片损坏等意外事故，使发动机工作寿命和安全可靠性大大提高。

（5）如整体叶盘叶片损坏，为避免拆换整个转子将整体叶盘与其他级用螺栓相连形成可分解的连接结构。

（6）由于高压压气机叶片短而薄叶片离心力较小，轮缘径向厚度小采用整体叶盘结构减重不显著。

航3空发动机整体叶盘结构在研究发展中存在的问题虽然，整体叶盘具有如此多的我优点，但是在整体叶盘的加工和使用过程中，我们也遇到了很多的问题，比如：（1）整体叶盘加工困难，只有制造技术发展到一定水平后，整体叶盘的应用才成为可能。

（2）发动机在使用过程中转子叶片常遇到外物打伤或因振动叶片出现裂纹，整体叶盘要更换叶片非常困难，也有可能因为一个叶片损坏而报废整个整体叶盘，因此风扇的第I\2级一般不用整体叶盘结构。

GE、罗罗整体叶盘制造都用它—这是怎样一种技术？一、线性摩擦焊接技术的原理线性摩擦焊接是指其中一个焊件相对于另一个固定的焊件沿直线方向以一个小的振幅和恰当的频率作往复运动，发生摩擦粘结与剪切并产生摩擦热，摩擦界面温度上升，当摩擦表面达到粘塑性状态时，在压力的作用下焊合区金属发生塑性流动形成飞边，当摩擦焊接区的温度和变形达到一定程度后，焊件对齐并施加顶锻压力，从而完成焊接过程。

线性摩擦焊接的原理示意图1线性摩擦焊接的原理示意图2线性摩擦焊的原理步骤分解：1. 预热2. 摩擦3. 继续加热4. 施加锻压力焊接复杂形状的零件：焊接前焊接后某零件的焊接过程，金属发生塑性流动产生飞边线性摩擦焊接钛合金通常，线性运动的速度变化图是一个正弦曲线，在一个方向上从零变化到最大值，再反方向循环。

在一些情况下，速度变化图也可能是别的曲线。

正弦曲线图二、线性摩擦焊技术的起源线性摩擦焊在1929年首次获得专利，然而对于该工艺的描述是模糊的；随后Caterpillar Tractor公司在专利中提及该工艺，但主要是集中在能线性往复运动的机器，并非是真正的焊接工艺。

专利研究显示现存的专利中没有一个能够充分的保护该焊接技术的基本原理。

三、线性摩擦焊设备TWI（英国焊接研究所）的机电驱动的线性摩擦焊设备TWI的机电驱动的线性摩擦焊设备中，产生可变振幅的线性往复运动的机制原理图MTU航空发动机慕尼黑分公司在生产叶盘时使用的机电线性摩擦焊设备LinFric? 线性摩擦焊设备：与常规的线性摩擦焊设备相比，它的优势在于创新的驱动单元，其核心是液压振荡器。

该液压振荡器的振动频率是25-125Hz，振幅高达±3 mm，最大锻压力是200kN(20t)，因此可以焊接最大为2000平方毫米的横截面积。

同时，该液压振荡器也可以产生非正弦曲线，这些可以根据焊件的几何和材料进行优化。

LinFric? 线性摩擦焊设备可自动定心的液压夹具，缩短夹持时间LinFric? 线性摩擦焊设备有先进的PC控制系统，可通过参数分析对实际的焊接质量进行质量评估和检测四、线性摩擦焊接过程的设备运作分为六个阶段：1.焊件夹持；2.基准和缩进：将设备基准设置为零，并将两个焊接之间分开一小段距离3.初始阶段：其中一个焊件开始振动，然后稳定在一个设定的振幅内；随后在预定时间内，两个焊件在小的压力作用下靠在一起。