先進航空發動機的加工制造水平是國家綜合科技水平、工業基礎實力和綜合國力的重要標志，其中，整體葉盤作為航空發動機的核心零件，創新性地將葉片和輪盤作為整體結構，取代了傳統的榫頭榫槽結構，減少了零件數量，使結構大為簡化，同時便于裝配平衡，工作效率和可靠性也得到提升。與傳統結構相比，整體葉盤結構重量可減輕約50%，目前已在一些戰斗機和大型客機上得到應用。

整體葉盤拋磨特點及難點

整體葉盤長期處于高溫、高壓、高速環境下，受離心載荷、氣動載荷、高周疲勞載荷等多種載荷作用，容易產生外物損傷失效、腐蝕失效、疲勞失效等，葉片的材料、加工技術等對其使用壽命有很大影響。

整體葉盤失效原因統計

隨著航空發動機服役性能和壽命要求的持續提升，對整體葉盤的材料、結構和加工質量提出了更高的要求，其拋磨特點包括難加工的材料特性、復雜的結構特征和較高的加工要求。

整體葉盤的拋磨特點及加工技術

1.材料特性

整體葉盤常用材料包括鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復合材料等，不同的材料對拋磨過程影響不同。由于鈦合金導熱系數小，與磨具材料的化學親和性較強，容易造成磨屑黏附，還會形成較大熱應力，造成局部燒傷或變形；高溫合金中鈷、鉻、鉬等強化元素含量較高，高溫強度高，且導熱系數小，容易造成表面燒傷；不銹鋼導熱系數小，線膨脹系數較大，在拋磨過程中容易引起表面燒傷或變形；

復合材料導電性能低、硬度高、脆性大，拋磨過程中易造成磨具磨損，且容易導致表面燒傷、產生表面拉應力等。

鈦合金整體葉盤

針對不同的材料，需要選擇合適的拋磨工藝以實現難加工材料的高效率、高質量去除。

2.結構特征

整體葉盤在結構上呈現出葉片厚度薄且薄厚不均、葉型復雜、彎扭度大、葉展長、流道深且窄等結構特征，使得整體葉盤拋磨的難度和成本大幅增加。

（1）整體葉盤葉片型面為復雜自由曲面，薄厚不均使得其加工余量分布不均勻，磨具系統讓刀現象嚴重；

（2）葉片厚度薄，使得其剛性差，在拋磨過程中極易發生變形，從而影響表面質量和型面精度；

（3）進排氣邊厚度更薄，如大型風扇整體葉盤葉片進排氣邊厚度約0.3 mm，小型壓氣機葉盤葉片厚度甚至可達0.1 mm，在拋磨過程中易發生過拋現象；

（4）由于流道深且窄的特點，磨具系統的可達性差，在拋磨過程中磨具易與葉片發生干涉，使得整體葉盤葉根處及流道面的拋磨效果較差。

3.加工要求

由于整體葉盤的表面完整性和型面精度對航空發動機的服役性能和壽命影響巨大，使得其具有較高的加工要求。

整體葉盤的拋磨部位包括葉盆型面、葉背型面、進氣邊、排氣邊、葉端、輪盤端面、輪盤流道面等，其拋磨要求如下：葉片全型面表面粗糙度Ra低于0.4 μm，輪盤流道表面粗糙度Ra低于0.8 μm，輪盤端面Ra低于1.6 μm；輪盤端面輪廓度0.1 mm、流道面輪廓度0.2~0.4 mm；壓氣機整體葉盤葉片型面輪廓度為–0.03 ~+0.05mm，風扇整體葉盤的葉片型面輪廓度為–0.12~+0.08mm；材料去除深度為0.002~0.020mm；表面殘余壓應力在–800MPa左右。

整體葉盤拋磨部位示意圖

整體葉盤拋磨技術

目前整體葉盤拋磨技術包括手工拋磨、數控拋磨（數控拋光輪拋磨、數控砂帶拋磨、機器人輔助拋磨）、磨粒流拋磨、磁力研磨、滾磨光整加工等。

手工拋磨依靠技術人員利用手持式砂帶或砂輪拋光機對整體葉盤進行拋磨，最終的表面質量主要取決于工人的經驗和技能，且拋磨效率低、勞動強度大、加工質量不穩定，因此迫切需要發展其他拋磨技術以適應整體葉盤日益增長的需求。

1.數控拋磨

數控拋磨是利用多軸數控機床或機器人等夾持拋光輪、砂帶等磨具，根據整體葉盤結構特征，執行一定的運動軌跡，從而實現對整體葉盤型面的數控拋磨。根據數控設備和磨具的不同，數控拋磨分為數控拋光輪拋磨、數控砂帶拋磨、機器人輔助拋磨等。

某種數控拋磨裝置示意圖

隨著數控技術的蓬勃發展，整體葉盤數控拋磨裝置已逐漸走向成熟，國內眾多高校從拋磨工藝參數優化、拋磨軌跡規劃、拋磨工具設計等方面對整體葉盤數控拋磨技術開展研究。

但由于砂帶和砂輪易磨損、拋磨過程中易發生顫振等問題導致整體葉盤各部位的接觸狀態、受力情況、運動軌跡發生變化，從而使得加工均勻性變差；且拋磨工具易與葉片之間發生干涉，使得葉根處的拋磨效果較差，還需進一步通過優化編程、仿真等技術解決以上問題。

2.磨粒流拋磨

磨粒流拋磨是指磨料介質在壓力作用下沿著夾具與整體葉盤形成的特定流道運動，使磨粒與整體葉盤表面發生相對運動，從而對整體葉盤進行加工，達到材料去除、表面拋光及提高表面完整性的目的。磨粒流拋磨具有拋磨效率高、質量好、形狀適應性強等優點，目前已應用于航空航天、生物醫學、汽車、增材制造等領域零件的拋磨加工。

磨粒流拋磨前后對比

目前，磨粒流拋磨整體葉盤技術已在國內外企業中得到應用，但由于磨粒流技術的局限性，難以拋磨大尺寸的整體葉盤。此外，整體葉盤的復雜構型特征使得葉片進排氣邊處容易發生過拋，葉片型面各區域加工不均勻。因此，需通過仿真分析磨料介質的流場分布特征和動力學行為，設計夾具以改變整體葉盤葉片附近磨料介質的流動特性，緩解葉片進排氣邊處磨料的運動紊亂現象，適應不同大小、間距的葉盤流道，從而改善葉片型面的加工均勻性，滿足高性能整體葉盤零件的拋磨要求。

3.磁力研磨

磁力研磨是利用磁性磨粒在磁場作用下形成柔性磁刷，并產生研磨壓力，施加運動使得磁刷與整體葉盤發生相對運動，從而實現整體葉盤拋磨。由于其良好的適應性、自銳性、可控性，又可與數控機床或機器人結合，對于復雜曲面拋磨具有較大的優勢。

磁力研磨拋磨前后表面形貌對比

隨著加工技術向高效、精密和超精密方向發展，具有納米級光整潛力的磁力研磨方法已得到廣泛應用與研究。但與其他拋磨技術相比，其材料去除率低，對鎳基合金等難加工材料的加工效果有限。為此，應著重分析磁性磨粒的組成成分，制備新型磁性磨粒以提高磁性磨粒的硬度和強度，從而增強磁性磨粒的加工能力和使用壽命；深入探究磁場源產生磁場的機理，通過改變磁場分布來提高磁性磨粒的研磨壓力；探索磁力研磨與其他加工技術的復合工藝，如超聲復合、化學復合、電化學復合等，充分發揮各加工技術的優勢，從而進一步提高加工質量和加工效率。

4.滾磨光整加工

滾磨光整加工是將顆粒介質和液體介質放入容器中，依據一定的幾何約束和運動約束，構成強制的動態平衡的液粒耦合流場；整體葉盤以不同的預設位置及不同的預設運動方式運動，與顆粒介質發生相對運動，顆粒介質以不同程度的作用力對整體葉盤表面進行碰撞、滾壓、劃擦、刻劃等綜合的微量磨削作用，從而提高整體葉盤的表面完整性，實現整體葉盤的成型制造。

整體葉盤滾磨光整加工

相較于其他拋磨工藝，滾磨光整加工設備簡單，操作方便，成本較低，且滾拋磨塊兼具微量材料去除、表面光整和表面強化的作用，現已在眾多航空企業中得到應用，已成為提高整體葉盤服役性能和壽命的一種極具發展潛力的成性制造技術。滾磨光整加工技術可較好地適應整體葉盤的特殊型面，但加工均勻一致性同樣難以保證。可通過優化加工工藝參數、滾筒形狀、夾具設計等手段使得滾拋磨塊對整體葉盤進行“適流道”加工，提高整體葉盤的加工均勻性；同時，研究滾拋磨塊對整體葉盤的表面強化作用，綜合改善整體葉盤的表面完整性。

各拋磨工藝對比分析

目前各類拋磨技術大多處于研究階段，在拋磨效率、拋磨質量、拋磨成本等方面存在差異，基于此對各類拋磨技術的特點、局限性和拋磨效果進行對比分析，如下表所示：

整體葉盤不同拋磨工藝對比

我國航空發動機整體葉盤拋磨技術處于發展階段，難以滿足整體葉盤日益增長的市場需求，后續發展趨勢將往探索形性協同式、多工序組合式的拋磨工藝，實現拋磨工藝的智能決策化，并向綠色環保方向轉型發展。

參考來源：

1.李文輝，溫學杰，李秀紅，等.整體葉盤拋磨技術研究現狀及其發展趨勢[J]. 航空制造技術，2022, 65(17): 88- 102.

2.王松濤，武鵬飛.整體葉盤的表面完整性研究[J]. 機械, 2017, 44(8): 27–30.

3.徐汝鋒，王海寧，付余，等. GH710整體葉盤葉片型面磨削加工技術研究[J]. 航空制造技術, 2019, 62(17): 73–80, 94.

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