隨著航空發動機技術的發展，新一代先進飛機發動機采用了大量整體結構零件，如整體葉環、整體葉盤、盤軸一體化、機匣軸承座一體化等復雜結構零件。復雜整體結構、高強輕量化材料的采用不僅使航空發動機構件結構簡化、重量減輕，而且節省了大量復雜的零組件之間的裝配過程，減少了零件數量，提高了發動機整體性能，但是復雜整體結構的加工難度增加了很大。整體葉環是先進飛機發動機采用的新型零件結構形式，屬于復雜整體結構的航空發動機構件，是航空發動機的重要構件，由于其葉片形狀復雜、流道空間狹窄，致使機械加工工具難以達到加工表面，加工可達性差，尤其是葉片根部半徑較小，清根加工難度極大，接刀、加工顫振問題嚴重，加工效率低，刀具費用大，葉片表面質量難以保證，采用單一的機械加工工藝方法難以解決此類零件的加工難題。

　　近年來，電化學腐蝕、電脈沖成形、車銑復合等復合加工技術發展較快，并在航空發動機構件加工中廣泛應用，解決了許多復雜整體構件加工難題。蘇州電加研究所、北京電加工研究所等單位的五軸電火花成形加工設備也在整體葉環加工中得到應用，解決了機械加工刀具費用大等問題，但是電火花成形加工電極制造難度較大、電加工參數控制較復雜、整體葉環類零件加工干涉較突出、葉片測量較難，因此整體葉環電成形加工精度及表面質量難以保證，存在進排氣端削邊、積炭、表面粗糙度超差等問題。針對窄流道不銹鋼類整體葉環零件結構特點，采用了數控加工、仿真加工、電火花成形加工與在機測量相結合的復合加工工藝方法，合理安排整體葉環類零件加工工藝路線;采用仿真加工技術優化加工工具運動軌跡，避免加工干涉、過切等現象，保證加工表面光順;采用三維建模與高速雕刻銑加工技術，設計、制造合適的電成形加工電極，通過電成形加工試驗摸索出合理的電加工參數，控制合適的放電間隙，避免積炭等現象，保證加工表面粗糙度及波紋度符合設計要求;采用在機測量、自動換刀、自動刀具補償等方法，實現加工工具磨耗的自動補償，保證整體葉環的加工精度，使加工尺寸趨近于中差附近;采用三坐標測量、白光測量等方法，解決了葉片型面及進排氣邊測量等難題，保證葉身型面進排氣邊形狀符合設計要求。

　　類零件由內環、外環、葉片及流道3部分組成，屬于復雜一體化結構零件，通常包含轉子和靜子2類構件，具有葉片數量多、流道空間狹窄、加工難度大等特點。典型的整體葉環類零件材料為馬氏體不銹鋼1Cr11Ni2W2MoV，外徑φ390mm、內徑φ317mm、高31mm，葉片數量為102片，內環型面釬焊蜂窩。

　　典型的整體葉環零件主要技術要求如下：葉身型面線輪廓度要求為0.08~0.10mm，葉身表面粗糙度Ra0.8，葉片位置度為φ0.08~0.12mm，流道面輪廓度為0.20mm。

　　2 典型整體葉環加工難點

　　典型的整體葉環葉片流道空間狹窄，僅有8mm寬，葉片根部半徑R為1.2mm，刀具可達性較差，機械加工的難度較大。如果采用五軸銑加工方法，只能選擇小直徑的加工刀具，材料去除量大，細長銑刀加工顫動嚴重，加工難度大，加工振紋及接刀難以消除，清根加工尤其困難。另外，整體葉環類零件葉片型面拋修、檢測等都存在較大的難度。

　　典型整體葉環加工方案

　　1 總體方案

　　針對整體葉環類零件結構特點制定了數控加工、電火花成形加工、仿真加工、在機測量與白光測量相結合的工藝方案，運用了三維建模、虛擬仿真及在機測量等加工技術。內外環型面采用數控車削加工方法，102個葉片型面及流道采用了電火花成形加工方法。利用1Cr11Ni2W2MoV試塊進行工藝試驗，以確定適用的加工電流、電壓以及脈寬、脈間等工藝參數。

　　加工難點解決措施

　　整體葉環的加工難點是葉身型面及流道的加工，采用五軸電火花成形機床加工整體葉環葉身型面及流道的難點是成形電極制造、電極運動軌跡優化、電加工參數優化及葉片型面檢測。針對整體葉環加工難點，采用三維建模及高速雕刻銑技術解決成形電極設計及制造問題;采用仿真加工技術優化電極運動軌跡問題，通過在機測量補償電極損耗、控制放電間隙;采用白光測量與三坐標測量相結合的方法，解決葉身型面檢測問題，通過對電加工試驗件的檢測優化電加工參數。

　　實施過程

　　1 工藝路線

　　典型的整體葉環加工工藝路線(圖2)主要包括4個階段：(1)內外環型面數控車加工;(2)葉片及流道電火花成形加工;(3)葉身型面光整加工;(4)三坐標及白光測量檢查。第一階段完成工件的無損檢測、內外環細加工及穩定處理，去除大部分加工余量，形成后續精加工基準;第二階段完成102處葉片葉身型面及流道表面的電火花成形加工;第三階段完成葉身型面及流道表面光整加工;第四階段完成葉身型面的三坐標測量及白光檢測。

　　2 內外環數控加工

　　2.1 內外環粗加工

　　典型整體葉環材料為1Cr11Ni2W2MoV馬氏體熱強不銹鋼，經調質處理后基體為回火索氏體組織，具有很好的強度和韌性，其硬度為HB(d)=3.45~3.1。由于該材料具有較高的塑性和韌性，切削加工時，易產生黏附現象，一方面刀具前刀面形成積屑瘤，另一方面零件被加工表面會出現撕扯現象，使加工表面質量下降。因此選擇合適的刀具、切削參數和走刀路線對該零件的加工影響較大。

　　該零件內環表面采用了階梯結構，內表面在零件中加工到最終尺寸，用于焊接蜂窩封嚴環，前后端面留1mm余量，在組合件加工。內外環粗加工采用了55°刀尖角的菱形刀片，刀尖半徑為0.8mm，刀片材料為IC908。該材料具有較好的韌性和耐磨性，抗沖擊能力較強，適合不銹鋼材料的車削加工，通過現場切削試驗，確定切削參數如下：

　　·切削深度ap =1mm;

　　·進給量fn =0.3mm/r;

　　·切削速度Vc =70mm/min。

　　整體葉環內外環數控車加工采用了循環程序分層加工方法，在UG NX 7.5平臺進行零件三維建模，選擇加工區域，設置加工參數、進退刀方式及安全距離，規劃走刀路線，生成刀具路徑文件，并經過后置處理完成數控加工程序的編制。典型整體葉環端面槽粗加工采用了寬5mm的切槽刀片，刀尖半徑為0.8mm，刀片材料為IC908。在VERICUT 7.0平臺建立了整體葉環仿真加工環境，實現了基于機床運動的數控加工全過程模擬加工驗證。

　　2.2 內外環精加工

　　典型整體葉環內環表面精加工采用了35°刀尖角的菱形刀片和5mm寬的切槽刀片，刀尖半徑為0.4mm，刀片材料為IC907。該材料耐磨性好，適合不銹鋼材料的精加工和半精加工，通過現場切削試驗(圖4)，確定切削參數如下：

　　(1)切削深度ap =0.2~0.3mm;

　　(2)進給量fn =0.1~0.2mm/r;

　　(3)切削速度Vc =70~100mm/min。

　　3 葉身型面電火花成形加工

　　電火花加工(Electrical Discharge Machining，EDM)是在一定的介質中，使工具電極和工件之間不斷產生脈沖性的火花放電，利用火花放電在局部瞬時產生的高溫把金屬材料熔化逐步蝕除掉，以達到一定尺寸、形狀和表面粗糙度要求的加工方法。電火花加工自1956問世以來經歷50余年的發展歷程，已經成為彌補傳統加工方法不足的重要加工手段，由于其獨特的加工能力，電火花加工已廣泛應用于模具制造業、航空航天等工業領域。電火花加工這種非接觸、無切削力去除材料的加工過程，當采用精規準加工時精度可控制到微米級，采用粗規準加工時也可保持較高的材料去除率，近年隨著精密電源和高端數控技術在電火花機床上廣泛采用，先進電加工技術已迅速在整體葉環、葉盤加工領域展露頭角。

　　由于整體葉環復雜結構、葉片數量多、流道空間狹窄，因此采用機械加工方式難度較大，存在刀具費用大、效率低、清根難等問題。采用五軸聯動電火花成形加工機床，應用成形電極放電燒蝕的原理，通過成形設計電極，仿真軌跡優化等方法，在五軸聯動電火花成形機床上，實現葉身型面及流道的粗精加工。采用電火花成形加工工藝能夠節省許多加工刀具，降低刀具成本，但是成形電極的設計和制造難度較大，是電火花成形加工需要解決的關鍵技術之一。典型的不銹鋼整體葉環電成形加工采用了紫銅電極，并通過UG NX7.5三維建模技術設計，電極分為粗加工電極和精加工電極兩組，一個電極有兩個加工面分別用于葉盆和葉背型面的加工，電極柄部有一個連接孔，用于安裝連接桿，電極通過連接桿與電火花成形機連接。電極型面加工采用了高速雕刻銑加工技術，粗加工電極用于去除大部分加工余量，精加工電極用于保證葉身型面及流道的尺寸、形狀和位置精度。

　　4 葉身型面光整加工

　　整體葉環葉身型面及流道采用了電火花成形加工工藝方法，由于電加工會產生重熔層、積碳等現象，采用精規準電加工減少重熔層、積碳的產生，但是難以完全消除。葉身型面光整加工的目的是去除葉身及流道的重熔層、積炭及接刀痕，通常采用手工拋光、磨粒流等方法。由于該不銹鋼整體葉環電加工試驗較充分，電加工參數控制較好，重熔層、積碳現象較輕，葉片型面、葉根等局部采用手工拋修的光整加工方法。手工拋修葉身型面分粗拋光和精拋光兩步進行，葉身型面及流道轉接部位光滑轉接，粗拋光采用A0-1004M、A0-1010M、AB-1010M、AB-1004M打磨棒，精拋光采用AD-1004M、AD-1010M打磨棒等專用工具，并采用標準樣件檢測光整加工的質量，不允許劃傷、劃痕、和橫向加工痕跡存在。

　　5 葉身型面檢測

　　整體葉環葉身型面及流道的開敞性較差，葉片進排氣邊R較小，三坐標測量機檢測的難度較大。針對整體葉環結構特點，分別制定了整體葉環在加工過程和零件交付過程的檢測方案。整體葉環加工過程檢測應用了電火花加工設備不放電對刀的功能，檢測葉身型面坐標點與葉身型面理論數據進行對比，實現加工過程的在機測量。

　　整體葉環葉身型面表面質量控制是通過調整電加工參數實現的，通過對多組試驗件剖切后進行理化測試，檢測試驗件的表面粗糙度和重融層厚度，采用白光測量機檢測葉身型面輪廓度，確定合理的電火花成形加工工藝參數，葉身型面粗糙度為Ra0.74,重熔層厚度僅為0.005mm，葉身型面輪廓度為0.08 mm。

　　結果分析

　　葉身型面及流道表面的加工是整體葉環類零件加工的難點，采用電火花成形加工方法是解決機械加工刀具可達性差、清根難、刀具成本高和表面質量差等難題的有效途徑之一。電火花加工的表面和機械加工的表面不同，它是由無方向性的無數小坑和硬凸邊所組成。與機械加工一樣，電火花加工表面粗糙度通常用微觀輪廓平面度的平均算術徧差Ra表示。電火花加工的表面質量主要包括表面粗糙度、表面變質層和表面力學性能等。表面粗糙度控制方法如下：

　　Rmax = k×Ti×Ie

　　其中，Rmax為實測的表面粗糙度，k為常數，銅加工鋼時常取2.3;Ti為單個脈沖放電時間;Ie為脈沖峰值電流。

　　由上面的公式，可以看出影響電火花加工表面粗糙度的因素主要是單個脈沖的能量的大小，另外，工件材料的電加工性能，熔點高的材料較熔點低的材料容易獲得好的表面粗糙度;在精加工時，工具電極的表面粗糙度將會影響到加工表面的粗糙度，石墨電極加工不易獲得光滑的表面，而銅電極可以獲得高的表面粗糙度，因此用銅電極可以獲得較好的表面粗糙度。

　　通過多次試驗件加工試驗，調整電加工參數，采用白光測量技術檢測型面數據，進行理化性能檢測，摸索出該零件電成形合理的加工工藝參數，保證葉身型面及流道的加工質量。采用電火花成形加工整體葉環葉身型面粗糙度為Ra0.74,重熔層厚度僅為0.005mm，滿足了設計提出的Ra0.8和輪廓度0.08的要求。電火花加工參數為：峰值電流0.5A;脈沖寬度10μS;脈沖間隔50μS;加工電壓150V;伺服電壓70V。

　　結論

　　航空發動機整體葉環類零件結構復雜、材料難加工，檢測也較難，單一的加工方法，難以保證整體葉環的加工質量，多種加工方法的集成是解決整體葉環加工的有效途徑。采用數控加工、仿真加工、電火花成形加工、在機測量、白光測量和三坐標測量相結合的集成加工方案，在窄流道不銹鋼整體葉環研制中得到驗證，解決了整體葉環加工、仿真及檢測等難題。具有如下優點：(1)整體葉環內外型面采用了在機測量、自動換刀、自動刀具補償和循環程序加工方法，使所有數控加工尺寸趨于中差附近;(2)整體葉環葉身型面及流道采用了電火花成形加工工藝，通過合格電極、在機測量和合理的電加工參數，保證葉身型面及流道輪廓度及表面粗糙度的符合性;(3)構建了整體葉身仿真加工環境，通過仿真加工技術優化了加工工具運動軌跡，避免了碰撞、干涉和過切等現象;(4)通過白光測量與三坐標測量相結合的方法，解決了整體葉環葉身型面進排氣邊檢測難題。