叶片作为实现航空发动机性能的关键零部件，具有薄壁异形结构复杂、材料难加工、加工精度与表面质量要求高等典型特点，如何实现叶片的精密高效加工是目前航空发动机制造领域的重大挑战。通过对影响叶片加工精度关键因素的分析，全面总结了叶片精密加工工艺及装备的研究现状，并对航空发动机叶片加工技术的发展趋势做了展望。
1序言
在航空航天产业中，轻质高强的薄壁零件被广泛地使用，是实现航空发动机等重要装备性能的关键零部件[1]。例如，大涵道比航空发动机的钛合金风扇叶片（见图1）长度可达到1m，具有复杂的叶身型面和阻尼台结构，而最薄部位的厚度仅有1.2mm，属于典型的大尺寸薄壁异形零件[2]。叶片作为典型的薄壁异形弱刚性零件，在加工过程中容易出现加工变形和振颤问题[3]，这些问题严重影响叶片的加工精度和表面质量。
图1航空发动机常见薄壁零件
2难加工材料切削技术
为了满足在高温高压环境下的稳定服役要求，航空发动机叶片常用材料为钛合金或高温合金，近年来，钛铝金属间化合物也成为一种极有应用潜力的叶片材料。钛合金具有导热性低、塑性低、弹性模量低以及亲合力强等特点，使其切削过程中出现切削力大、切削温度高、加工硬化严重和刀具磨损大等问题，是典型的难加工材料（微观组织形貌见图2a）[7]。高温合金的主要特点是塑性及强度高，导热性差，并且内部含有大量致密的固溶体[8]。在切削过程中塑性变形使得晶格严重扭曲，变形抗力大，导致切削力大并伴随严重的冷硬现象，也是典型的难加工材料（微观组织形貌见图2b）。因此，研发钛合金与高温合金等难加工材料的高效精密切削技术至关重要。为了实现难加工材料的高效精密加工，国内外学者从创新切削加工方法、优选加工刀具材料以及优化切削参数等方向进行深入研究。
图2微观组织形貌
2.1切削加工方法创新
图3难加工材料辅助切削加工方法
2.2刀具材料的选用
对于钛合金等难加工材料，优选刀具材料可以有效改善切削加工效果[8，13]。研究表明，对于钛合金加工，根据加工速度可以选择不同刀具进行加工，低速切削采用高钴高速钢加工，中速切削采用带有三氧化二铝涂层的硬质合金刀具，高速切削采用立方氮化硼（CBN）刀具；对于高温合金加工，应选用硬度高、耐磨性好的高钒高速钢或YG硬质合金刀具进行加工。
2.3优选切削参数
切削参数同样是影响加工效果的重要因素，对应材料使用合适的切削参数加工能够有效提高加工质量与效率。以切削速度参数为例，切削速度低容易在材料表面形成积屑瘤区，降低表面加工精度；切削速度高容易发生热量积聚，引起工件和刀具的烧伤。对此，哈尔滨理工大学翟元盛教授团队分析常用难加工材料的机械物理性质，通过正交加工试验总结出难加工材料切削速度推荐表[14]（见表1），使用表中推荐的刀具和切削速度进行加工能够有效减小加工缺陷与刀具磨损，提高加工质量。
表1难加工材料切削速度推荐（单位：m/min）
3叶片复杂曲面的精密数控加工工艺
对于加工过程中的主动误差补偿，为了实现刀具路径等加工参数的优化调控，需要首先得到工艺参数对加工变形和振动的影响关系。常用的手段有两种：一是通过在机测量及误差分析对每次走刀的结果进行分析和推理[15]；二是通过动力学分析[16]、有限元建模[17]、试验[18]和神经网络[19]等方法建立加工变形和振动的预测模型（见图4）。
图4加工振动预测模型[19]
基于上述的预测模型或在机测量技术，人们能够对加工参数进行优化甚至是实时调控。主流的方向是通过刀具路径的重新规划来对变形和振动造成的误差进行补偿。这一方向常用的方法是“镜像补偿法”[20]（见图5），该方法通过对名义刀具轨迹进行修正，补偿单次切削的变形量。但是单次补偿会产生新的加工变形，因此需要通过多次补偿在切削力和加工变形之间建立迭代关系，逐次修正变形量。除了基于刀具路径规划进行主动误差补偿的方法之外，许多学者也在研究通过优化调控切削参数、刀具参数等方式来控制变形和振动。对于某型号航空发动机叶片的切削加工，改变加工参数进行多轮正交试验，基于试验数据分析各切削参数、刀具参数对叶片加工变形、振动响应的影响规律[21-23]，建立经验预测模型，从而优选加工参数，有效减小加工变形、抑制切削振颤。
图5基于刀具路径规划的误差补偿[20]
基于上述模型与方法，许多企业研发或改进了数控加工中心的数控系统，实现薄壁零件加工参数的实时自适应调控。以色列OMAT公司的优铣系统[24]是这一领域的典型代表，主要是通过自适应技术调整进给速度，达到恒力铣削的目的，实现复杂产品高效率高质量加工。此外，北京精雕通过在机测量自适应补偿完成蛋壳表面图案雕刻的经典技术案例也应用了类似的技术[25]。美国GE公司的THERRIEN[26]提出了加工过程中数控加工代码实时修正方法，为复杂薄壁叶片的自适应加工和实时调控提供了基础技术手段。欧盟航空发动机涡轮部件自动化修复系统（AROSATEC）在叶片进行增材修复后实现自适应精密铣削加工，已应用于德国MTU公司及爱尔兰SIFCO公司的叶片修复生产[27]。
4基于智能工艺装备的加工刚度提升
使用智能化工艺装备提高工艺系统刚度、改善阻尼特性，同样是抑制薄壁叶片加工变形振动以及提高加工精度、改善表面质量的有效方法。近几年，在航空发动机各类叶片的加工工艺中，大量不同的工艺装备得到应用[28]。由于航空发动机叶片普遍具有薄壁异形的结构特征，装夹定位区域小，加工刚度低，在切削载荷作用下会出现局部变形，因此，叶片加工工艺装备通常在满足六点定位原理的基础上对工件施加辅助支撑[29]，以优化工艺系统刚性、抑制加工变形。薄壁异形曲面对工装的定位与装夹提出了两点要求：一是工装的夹紧力或接触力应在曲面上尽可能均匀分布，以避免工件在夹紧力作用下出现严重局部变形；二是工装的定位、夹紧和辅助支撑元件需要较好地配合工件的复杂曲面，以在每个接触部位产生均匀的面接触力。针对这两点要求，学者提出了柔性工装系统。柔性工装系统可以分为相变柔性工装和自适应柔性工装。相变柔性工装利用流体相变前后的刚度和阻尼变化：处于液态相或流动相的流体刚度和阻尼较低，可以在低压作用下适应工件的复杂曲面，之后利用电/磁/热等外界作用使流体转变为固态相或固结，刚度和阻尼大幅提高，从而为工件提供均匀柔顺的支撑，起到抑制变形和振动的作用。
航空发动机叶片传统加工工艺中的工艺装备是使用低熔点合金等相变材料进行填充辅助支撑，即对工件毛坯进行六点定位夹持后，将工件的定位基准通过低熔点合金浇注成为一个浇注块，对工件进行辅助支撑，并且把复杂的点定位转换成规则的面定位，进而进行待加工部位的精密加工（见图6）。这种工艺方法存在明显的缺陷：定位基准转换导致定位精度下降；生产准备复杂、低熔点合金的浇注和融化也带来了工件表面的残留和清理问题，同时浇注和融化的工况也比较恶劣[30]。为了解决上述工艺缺陷，常用的方法是引入一种多点支撑结构与相变材料相结合[31]，支撑结构上端与工件接触进行定位，下端浸入低熔点合金腔室中，基于低熔点合金的相变特性实现柔性辅助支撑。虽然引入支撑结构能够避免低熔点合金接触叶片产生的表面缺陷，但是受到相变材料的性能限制，相变柔性工装无法同时满足高刚度和高响应速度两大需求，难以应用于高效率自动化生产当中。
图6低熔点浇注生产叶片[29]
为了解决相变柔性工装存在的弊端，众多学者将自适应理念融入柔性工装的研发设计中。自适应柔性工装能够通过机电系统来自适应匹配复杂叶身形状和可能存在的形状误差。为保证接触力在整个叶身均匀分布，工装通常使用多点辅助支撑形成支撑矩阵。清华大学王辉团队提出了一种适用于近净成形叶片加工的多点柔性辅助支撑工艺装备[32，33]（见图7）。该工装采用多个柔性材料夹紧元件对近净成形叶片的叶身曲面进行辅助支撑，提高了每个接触区域的接触面积，保证夹紧力在每个接触部位以及整个叶身上的均匀分布，从而提高工艺系统刚度，有效地防止叶片的局部变形。该工装具有多个被动自由度，在避免过定位的同时能够自适应匹配叶身形状及其误差。除了通过柔性材料实现自适应支撑外，电磁感应原理也应用于自适应柔性工装的研发。北京航空航天大学杨毅青团队发明了一种基于电磁感应原理的辅助支撑装置[34]。该工装使用由电磁信号激励的柔性辅助支撑，能够改变工艺系统阻尼特性。在装夹过程中，辅助支撑在永磁铁作用下自适应匹配工件形状。在加工过程中，工件产生的振动会传递到辅助支撑上，根据电磁感应原理激发反向电磁力，实现对薄壁工件加工振动的抑制。
图7多点柔性辅助支撑工艺装备
目前在工艺装备设计过程中，普遍使用有限元分析、遗传算法等手段来优化多点辅助支撑的布局[35]，但是优化的结果通常只能保证在一点上的加工变形量达到最小，而并不能保证在其他加工部位也能起到同等的抑制变形效果。在叶片加工过程中，通常在同一机床上对工件进行一系列的走刀加工，但加工不同部位的装夹需求是不同的，甚至可能是时变的。对于静态多点支撑方法，如果通过增加辅助支撑的数量来提高工艺系统刚度，一方面会增大工装的质量和体积，另一方面也压缩了刀具的运动空间。而如果在加工不同部位时重新设置辅助支撑的位置，则必然会中断加工过程，降低加工效率。因此，根据加工过程自动在线调节支撑布局和支撑力的随动工艺装备[36-38]被提出。随动工艺装备（见图8）能够在任一加工工序开始前，基于时变切削过程的刀具轨迹与工况转变，通过刀具与工装的协同配合实现动态支撑：先将辅助支撑移动到有助于抑制当前加工变形的位置，使工件的加工区域受到积极支撑，而工件其他部位在尽可能少的接触下保持定位不变，从而匹配加工过程中时变的装夹需求。
图8随动工艺装备[36]
图9高度适应性自重构夹具系统[42]
5未来发展趋势讨论
5.1新型材料
随着航空发动机推重比设计要求的不断提高，零件数量逐渐减少，零件的应力水平越来越高，传统的两种主要高温结构材料的使用性能已经到了其极限水平。近几年，航空发动机叶片新型材料发展迅速，越来越多性能优良的材料被用来制作薄壁叶片，其中γ-TiAl合金[43]具备比强度高、耐高温和抗氧化性好等优良性能的同时，密度是3.9g/cm3，仅为高温合金的一半，未来作为700～800℃承温区间的叶片很有潜力。尽管γ-TiAl合金具有优良的力学性能，但是其硬度大、热导率低、断裂韧度低以及脆性大等特征，导致γ-TiAl合金材料切削加工表面完整性差，精度低，严重影响零件的使用寿命，因此γ-TiAl合金的加工研究具有重要的理论意义与价值，是当前叶片加工技术的一个重要研究方向。
5.2时变自适应加工
航空发动机叶片曲面复杂并且形状精度要求高，其精密加工目前主要采用基于路径规划、模型重构的几何自适应加工方法，该方法能有效减小定位、装夹等产生的误差对叶片加工精度的影响。但是，由于模锻叶片毛坯的余量厚度不均匀，导致刀具在按照规划路径进行切削加工的过程中，不同区域的切削深度不同，为切削加工带来不确定因素，影响加工稳定性。未来，在数控自适应加工过程中，应该更好地跟踪实际加工的状态变化[44]，从而显著改进复杂曲面的加工精度，形成基于实时反馈数据调整切削参数的时变调控自适应加工方法。
5.3智能化工艺装备
叶片作为发动机中数量最大的一类零件，其制造效率直接影响发动机整体的制造效率，而叶片的制造品质直接影响发动机的性能与寿命。因此，叶片智能化精密加工已成为当今世界发动机叶片制造的发展方向。机床与工艺装备的研发是实现叶片加工智能化的关键。随着数控技术的发展，机床的智能化水平迅速提高，加工生产能力大幅增强。因此，智能工艺装备的研发创新是薄壁叶片高效精密加工的重要发展方向。高度智能化的数控机床与工艺装备结合，形成叶片智能化加工系统（见图10），实现薄壁叶片的高精度、高效率和自适应数控加工。
图10叶片智能化加工系统
6结束语
叶片是航空发动机制造领域长期的重大需求，是航空发动机制造的难点之一，也是一个国家先进制造技术发展水平的重要体现。为实现叶片的高效率高质量加工，众多学者在精密加工工艺创新和智能工艺装备研发等方面开展研究，取得了突破性进展。未来，以时变调控为核心的自适应加工工艺与智能化数控工艺装备是航空发动机叶片精密加工的重要研究方向。应围绕国家航空发动机先进制造重大战略需求，深入探究叶片加工工艺的基础理论和关键技术，促进我国航空发动机叶片先进加工技术的跨越发展。