先进航空发动机的加工制造水平是国家综合科技水平、工业基础实力和综合国力的重要标志，其中，整体叶盘作为航空发动机的核心零件，创新性地将叶片和轮盘作为整体结构，取代了传统的榫头榫槽结构，减少了零件数量，使结构大为简化，同时便于装配平衡，工作效率和可靠性也得到提升。与传统结构相比，整体叶盘结构重量可减轻约50%，目前已在一些战斗机和大型客机上得到应用。

整体叶盘抛磨特点及难点

整体叶盘长期处于高温、高压、高速环境下，受离心载荷、气动载荷、高周疲劳载荷等多种载荷作用，容易产生外物损伤失效、腐蚀失效、疲劳失效等，叶片的材料、加工技术等对其使用寿命有很大影响。

整体叶盘失效原因统计

随着航空发动机服役性能和寿命要求的持续提升，对整体叶盘的材料、结构和加工质量提出了更高的要求，其抛磨特点包括难加工的材料特性、复杂的结构特征和较高的加工要求。

整体叶盘的抛磨特点及加工技术

1.材料特性

整体叶盘常用材料包括钛合金、高温合金、不锈钢、复合材料等，不同的材料对抛磨过程影响不同。由于钛合金导热系数小，与磨具材料的化学亲和性较强，容易造成磨屑黏附，还会形成较大热应力，造成局部烧伤或变形；高温合金中钴、铬、钼等强化元素含量较高，高温强度高，且导热系数小，容易造成表面烧伤；不锈钢导热系数小，线膨胀系数较大，在抛磨过程中容易引起表面烧伤或变形；

复合材料导电性能低、硬度高、脆性大，抛磨过程中易造成磨具磨损，且容易导致表面烧伤、产生表面拉应力等。

钛合金整体叶盘

针对不同的材料，需要选择合适的抛磨工艺以实现难加工材料的高效率、高质量去除。

2.结构特征

整体叶盘在结构上呈现出叶片厚度薄且薄厚不均、叶型复杂、弯扭度大、叶展长、流道深且窄等结构特征，使得整体叶盘抛磨的难度和成本大幅增加。

（1）整体叶盘叶片型面为复杂自由曲面，薄厚不均使得其加工余量分布不均匀，磨具系统让刀现象严重；

（2）叶片厚度薄，使得其刚性差，在抛磨过程中极易发生变形，从而影响表面质量和型面精度；

（3）进排气边厚度更薄，如大型风扇整体叶盘叶片进排气边厚度约0.3 mm，小型压气机叶盘叶片厚度甚至可达0.1 mm，在抛磨过程中易发生过抛现象；

（4）由于流道深且窄的特点，磨具系统的可达性差，在抛磨过程中磨具易与叶片发生干涉，使得整体叶盘叶根处及流道面的抛磨效果较差。

3.加工要求

由于整体叶盘的表面完整性和型面精度对航空发动机的服役性能和寿命影响巨大，使得其具有较高的加工要求。

整体叶盘的抛磨部位包括叶盆型面、叶背型面、进气边、排气边、叶端、轮盘端面、轮盘流道面等，其抛磨要求如下：叶片全型面表面粗糙度Ra低于0.4 μm，轮盘流道表面粗糙度Ra低于0.8 μm，轮盘端面Ra低于1.6 μm；轮盘端面轮廓度0.1 mm、流道面轮廓度0.2~0.4 mm；压气机整体叶盘叶片型面轮廓度为–0.03 ~+0.05mm，风扇整体叶盘的叶片型面轮廓度为–0.12~+0.08mm；材料去除深度为0.002~0.020mm；表面残余压应力在–800MPa左右。

整体叶盘抛磨部位示意图

整体叶盘抛磨技术

目前整体叶盘抛磨技术包括手工抛磨、数控抛磨（数控抛光轮抛磨、数控砂带抛磨、机器人辅助抛磨）、磨粒流抛磨、磁力研磨、滚磨光整加工等。

手工抛磨依靠技术人员利用手持式砂带或砂轮抛光机对整体叶盘进行抛磨，最终的表面质量主要取决于工人的经验和技能，且抛磨效率低、劳动强度大、加工质量不稳定，因此迫切需要发展其他抛磨技术以适应整体叶盘日益增长的需求。

1.数控抛磨

数控抛磨是利用多轴数控机床或机器人等夹持抛光轮、砂带等磨具，根据整体叶盘结构特征，执行一定的运动轨迹，从而实现对整体叶盘型面的数控抛磨。根据数控设备和磨具的不同，数控抛磨分为数控抛光轮抛磨、数控砂带抛磨、机器人辅助抛磨等。

某种数控抛磨装置示意图

随着数控技术的蓬勃发展，整体叶盘数控抛磨装置已逐渐走向成熟，国内众多高校从抛磨工艺参数优化、抛磨轨迹规划、抛磨工具设计等方面对整体叶盘数控抛磨技术开展研究。

但由于砂带和砂轮易磨损、抛磨过程中易发生颤振等问题导致整体叶盘各部位的接触状态、受力情况、运动轨迹发生变化，从而使得加工均匀性变差；且抛磨工具易与叶片之间发生干涉，使得叶根处的抛磨效果较差，还需进一步通过优化编程、仿真等技术解决以上问题。

2.磨粒流抛磨

磨粒流抛磨是指磨料介质在压力作用下沿着夹具与整体叶盘形成的特定流道运动，使磨粒与整体叶盘表面发生相对运动，从而对整体叶盘进行加工，达到材料去除、表面抛光及提高表面完整性的目的。磨粒流抛磨具有抛磨效率高、质量好、形状适应性强等优点，目前已应用于航空航天、生物医学、汽车、增材制造等领域零件的抛磨加工。

磨粒流抛磨前后对比

目前，磨粒流抛磨整体叶盘技术已在国内外企业中得到应用，但由于磨粒流技术的局限性，难以抛磨大尺寸的整体叶盘。此外，整体叶盘的复杂构型特征使得叶片进排气边处容易发生过抛，叶片型面各区域加工不均匀。因此，需通过仿真分析磨料介质的流场分布特征和动力学行为，设计夹具以改变整体叶盘叶片附近磨料介质的流动特性，缓解叶片进排气边处磨料的运动紊乱现象，适应不同大小、间距的叶盘流道，从而改善叶片型面的加工均匀性，满足高性能整体叶盘零件的抛磨要求。

3.磁力研磨

磁力研磨是利用磁性磨粒在磁场作用下形成柔性磁刷，并产生研磨压力，施加运动使得磁刷与整体叶盘发生相对运动，从而实现整体叶盘抛磨。由于其良好的适应性、自锐性、可控性，又可与数控机床或机器人结合，对于复杂曲面抛磨具有较大的优势。

磁力研磨抛磨前后表面形貌对比

随着加工技术向高效、精密和超精密方向发展，具有纳米级光整潜力的磁力研磨方法已得到广泛应用与研究。但与其他抛磨技术相比，其材料去除率低，对镍基合金等难加工材料的加工效果有限。为此，应着重分析磁性磨粒的组成成分，制备新型磁性磨粒以提高磁性磨粒的硬度和强度，从而增强磁性磨粒的加工能力和使用寿命；深入探究磁场源产生磁场的机理，通过改变磁场分布来提高磁性磨粒的研磨压力；探索磁力研磨与其他加工技术的复合工艺，如超声复合、化学复合、电化学复合等，充分发挥各加工技术的优势，从而进一步提高加工质量和加工效率。

4.滚磨光整加工

滚磨光整加工是将颗粒介质和液体介质放入容器中，依据一定的几何约束和运动约束，构成强制的动态平衡的液粒耦合流场；整体叶盘以不同的预设位置及不同的预设运动方式运动，与颗粒介质发生相对运动，颗粒介质以不同程度的作用力对整体叶盘表面进行碰撞、滚压、划擦、刻划等综合的微量磨削作用，从而提高整体叶盘的表面完整性，实现整体叶盘的成型制造。

整体叶盘滚磨光整加工

相较于其他抛磨工艺，滚磨光整加工设备简单，操作方便，成本较低，且滚抛磨块兼具微量材料去除、表面光整和表面强化的作用，现已在众多航空企业中得到应用，已成为提高整体叶盘服役性能和寿命的一种极具发展潜力的成性制造技术。滚磨光整加工技术可较好地适应整体叶盘的特殊型面，但加工均匀一致性同样难以保证。可通过优化加工工艺参数、滚筒形状、夹具设计等手段使得滚抛磨块对整体叶盘进行“适流道”加工，提高整体叶盘的加工均匀性；同时，研究滚抛磨块对整体叶盘的表面强化作用，综合改善整体叶盘的表面完整性。

各抛磨工艺对比分析

目前各类抛磨技术大多处于研究阶段，在抛磨效率、抛磨质量、抛磨成本等方面存在差异，基于此对各类抛磨技术的特点、局限性和抛磨效果进行对比分析，如下表所示：

整体叶盘不同抛磨工艺对比

我国航空发动机整体叶盘抛磨技术处于发展阶段，难以满足整体叶盘日益增长的市场需求，后续发展趋势将往探索形性协同式、多工序组合式的抛磨工艺，实现抛磨工艺的智能决策化，并向绿色环保方向转型发展。

参考来源：

1.李文辉，温学杰，李秀红，等.整体叶盘抛磨技术研究现状及其发展趋势[J]. 航空制造技术，2022, 65(17): 88- 102.

2.王松涛，武鹏飞.整体叶盘的表面完整性研究[J]. 机械, 2017, 44(8): 27–30.

3.徐汝锋，王海宁，付余，等. GH710整体叶盘叶片型面磨削加工技术研究[J]. 航空制造技术, 2019, 62(17): 73–80, 94.

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