高航，袁業(yè)民，陳建鋒，王宣平

大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，大連 116024

整體葉盤這類復(fù)雜曲面零件在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其制造水平代表著一個國家制造業(yè)的核心競爭力。國家在“兩機”專項、《中國制造2025》、“十三五”科技重大專項等系列重大戰(zhàn)略規(guī)劃中都著重強調(diào)了上述高端制造的重要地位。

現(xiàn)代航空發(fā)動機為不斷提升其推重比、涵道比和壓氣機效率等使役性能指標，多采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，是航空發(fā)動機實現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的核心部件[1-2]；采用整體葉盤結(jié)構(gòu)一方面使輪緣徑向高度、厚度和榫頭連接部分尺寸減少，另一方面避免了分體結(jié)構(gòu)榫齒根部縫隙氣體逸流及葉片輪盤裝配不當造成的微動磨損、裂紋等故障，從而使部件結(jié)構(gòu)大為簡化、減重效果明顯，有利于大幅提升發(fā)動機氣動效率[3]。

制造整體葉盤的材料多采用鈦合金、鎳基合金以及新一代金屬基復(fù)合材料，這些材料往往具有高的比強度、低密度、高剛度和極佳的耐高溫性能，屬于典型難加工材料。整體葉盤具有坯料加工余量大、葉片薄、扭曲大、葉展長、強幾何干涉、加工可達性差等特點[4-8]。整體葉盤開坯作為后續(xù)精加工和表面拋光處理強化的基礎(chǔ)階段，要保證開坯后葉片、葉根留有均勻余量，在此基礎(chǔ)之上，如何快速提高葉盤開坯效率已經(jīng)成為國際性難題。目前國內(nèi)外主推整體葉盤數(shù)控銑削加工技術(shù)[3,9]，整體葉盤數(shù)控銑削加工主要包括毛坯的粗加工以及葉片通道粗加工、葉片型面半精加工和精加工等，其中材料去除余量大部分是通過通道粗銑加工完成。從毛坯到葉盤零件的制造過程中，材料去除量超過80%，材料利用率低、占機成本高[10]。盡管通過對加工路徑優(yōu)化和刀具材料、結(jié)構(gòu)的研發(fā)，一定程度上提高了刀具的使用壽命，并使生產(chǎn)成本有所降低，一些學(xué)者[11-13]也已開展插銑工藝實驗，加工效率得到提升，但屬于強力切削方式，五軸插銑難度大、材料粗加工余量大，在整體葉盤粗銑加工過程中未能解決加工效率低，成本高的問題。如此高的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期較長嚴重制約了發(fā)動機整體葉盤類零件的批產(chǎn)制造能力，仍需尋求更為經(jīng)濟、高效、精準的材料去除加工工藝。如何降低發(fā)動機整體葉盤零件的制造成本和生產(chǎn)周期，已經(jīng)成為航空發(fā)動機制造企業(yè)亟待解決的關(guān)鍵難題之一。

磨料水射流(Abrasive Water Jet, AWJ)加工技術(shù)因其獨特的高效切割特性、無熱影響區(qū)域、適用材料廣泛及可加工復(fù)雜形狀等優(yōu)點，在航空航天高性能零件低成本高效加工中逐漸受到關(guān)注和重視，并成為研究熱點。將磨料水射流技術(shù)應(yīng)用到整體葉盤開坯加工中能夠高效的減少后續(xù)精加工的加工余量，提高粗加工效率并降低加工刀具的成本，且對后續(xù)精加工沒有影響。本文著眼于整體葉盤磨料水射流開坯技術(shù)的研究進展，對比分析了國內(nèi)外磨料水射流開坯過程中涉及到的材料去除機理、軌跡優(yōu)化、加工參數(shù)優(yōu)化和設(shè)備研究進展，探索了磨料水射流整體葉盤開坯工藝，提出磨料水射流加工整體葉盤的關(guān)鍵問題及解決方案，指出磨料水射流加工整體葉盤技術(shù)發(fā)展方向。

1 磨料水射流加工基本原理及其應(yīng)用概況

1.1 磨料水射流加工基本原理

磨料水射流加工是利用高壓水射流(300～400 MPa)的動能攜帶微小自由磨粒以極高速度流經(jīng)集束管，形成高能束(600～800 m/s)噴射到工件表面，進行沖蝕、撞擊和破壞，實現(xiàn)對工件材料的切割和去除，如圖1所示。相對于傳統(tǒng)加工(如：車削、銑削等)和非傳統(tǒng)加工(如：激光、等離子束、電解等)，磨料水射流加工幾乎不受材料屬性的限制，效率高、成本低、切削力低(<10 N/mm2)[14]，工件具有不易產(chǎn)生變形、無熱影響區(qū)(<50 ℃)[15]、不需要模具、靈活方便等關(guān)鍵優(yōu)勢。磨料水射流作為一種“軟體”刀具，對集束管造成的磨損較輕，且其特征加工多維運動參量(如：噴射角度、駐留時間、靶距等)和多物理量(如：水壓、磨粒供給量、磨粒型號等)容易協(xié)同調(diào)控，便于實現(xiàn)復(fù)雜曲面零件多維控形加工。

圖1 磨料水射流設(shè)備射流噴嘴實物及內(nèi)部原理圖

1.2 磨料水射流在航空發(fā)動機復(fù)雜曲面難加工材料零部件方面的應(yīng)用

隨著科技的不斷進步與發(fā)展，航空發(fā)動機的需求逐年增加，航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，其工藝復(fù)雜，制造難度較大，從而給發(fā)動機的加工制造帶來了很大的加工難度，而磨料水射流加工技術(shù)(如：切割/修剪、車削/開槽、鉆孔等)所具有的優(yōu)異加工能力在航空發(fā)動機的零部件加工制造中得到了極大的推廣應(yīng)用，如圖2所示，通過磨料水射流加工技術(shù)可以高質(zhì)高效完成對復(fù)雜曲面或難加工材料的加工[16]。

圖2 水射流技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用[16]

近10年來航空發(fā)動機在控制油耗、改進效率、降低噪聲、提高安全可靠性方面取得了重要進步，這與發(fā)動機廣泛采用具有很高機械物理性能的新材料密不可分,如：碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastics, CFRP)、金屬基/陶瓷基復(fù)合材料(Metal/Ceramic Matrix Composites MMC/CMC)、新型鈦合金和高溫合金等，這些新型材料在航空葉片、葉盤、渦輪等具有復(fù)雜曲面特征零部件上面應(yīng)用廣泛，屬于典型難加工材料。磨料水射流技術(shù)在上述難加工材料領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其研究應(yīng)用取得顯著增長，已逐漸成為航空航天特種加工領(lǐng)域不可或缺的重要手段。表1總結(jié)了航空發(fā)動機新型難加工材料的磨料水射流加工工藝現(xiàn)狀[17-37]。

表1 航空發(fā)動機難加工材料磨料水射流加工應(yīng)用

2 整體葉盤磨料水射流開坯工藝特性分析

2.1 整體葉盤磨料水射流加工結(jié)構(gòu)特性

由圖3(a)可以看出整體葉盤的流道深而窄，葉片薄、扭曲大、葉展長、葉根與邊緣過渡曲率半徑小、開敞性很差，開坯過程中需要兼顧葉片等余量和葉盤根部無“過沖蝕”、“欠沖蝕”兩種工藝特點，且整體葉盤毛坯廣泛采用高強度難加工材料，所需材料去除率很高，嚴重影響了整體葉盤加工質(zhì)量和效率。因此，磨料水射流開坯整體葉盤時，面臨的主要問題首先是實現(xiàn)葉片扭曲曲面等剩余余量加工，鑒于切割頭集束管和葉片間距狹小區(qū)域幾何干涉狀況，射流軌跡線局限于加工凸形折線形狀(如圖3(b)所示)，因此易出現(xiàn)所謂的凹曲面“欠加工”問題。這種凸形折線開坯形狀因其相對理想曲面加工余量存在較大的不均勻性，將給后續(xù)精密銑削加工帶來切削斷續(xù)、誤差復(fù)映等不良問題；其次，由于磨料水射流本身射流特性，隨著切削深度增加，磨料攜帶的動能變小，切割效力減弱，射流柱出現(xiàn)偏折和分離，磨粒對材料的去除作用由切削磨損去除變?yōu)樽冃文p去除，導(dǎo)致加工面出現(xiàn)分層現(xiàn)象，即在射流出口處出現(xiàn)“掃尾”現(xiàn)象(如圖4所示)，尾部切割面出現(xiàn)明顯條紋彎曲。為實現(xiàn)葉片等余量加工和抑制開坯過程中“掃尾”現(xiàn)象對工件尺寸精度及后續(xù)加工的影響，需要根據(jù)開坯試切結(jié)果對走刀路徑進行偏移補償和射流柱沖蝕角度進行調(diào)整。

圖3 磨料水射流整體葉盤結(jié)構(gòu)及開坯葉片特征

2.2 開坯葉片曲面射流軌跡特性

基于整體葉盤結(jié)構(gòu)特性，在磨料水射流開坯整體葉盤過程中，為避免葉片之間狹小空間干涉導(dǎo)致集束管和被加工工件發(fā)生碰撞現(xiàn)象，需要對葉片曲面射流柱軌跡特性進行分析。圖5(a)為提取射流柱沖蝕葉片特征軌跡線，圖5(b)為均勻余量走刀軌跡仿真圖。從圖中可以看出，整體葉盤葉片扭曲較大，外輪廓型面余量分布不均勻。為抑制射流柱沿軌跡特征線加工過程中系統(tǒng)讓刀嚴重、多軸聯(lián)動引起集束管劇烈震顫、集束管與工件干涉等現(xiàn)象，在五軸數(shù)控控制系統(tǒng)軌跡優(yōu)化過程中，常采用樣條曲線插值和角度補償?shù)炔呗詠砩善交叩盾壽E。

圖5 整體葉盤型面加工軌跡線

2.3 葉盤開坯加工區(qū)域規(guī)劃

整體葉盤加工主要分為近凈成形開坯加工(粗加工)、精加工、激光強化以及拋光等主要工藝過程，如圖6所示[38]。最終使橫截面線輪廓度達到0.05 mm，葉片表面粗糙度低于0.4 μm。磨料水射流開坯做為整體葉盤加工的第1道工序，開坯過程中材料去除率多達70%，所以對加工區(qū)域合理規(guī)劃顯得十分必要。

圖6 整體葉盤加工成形工藝順序[38]

整體葉盤開坯區(qū)域規(guī)劃需要綜合考慮路徑運動幾何特性、材料去除均勻性以及剩余余量控制等問題，對復(fù)雜曲面通道空間進行合理的計算和規(guī)劃來確定加工區(qū)域，其生成質(zhì)量直接決定加工效率和后續(xù)光整加工質(zhì)量。將同一通道內(nèi)的2個葉片曲面和輪轂曲面偏置并延伸相交后，把葉尖子午線回轉(zhuǎn)后得到4個回轉(zhuǎn)面與通道上下平面充分相交截取，得到葉盆和葉背的臨界曲面，這5個面共同圍成的1個封閉區(qū)域就是規(guī)劃的通道加工區(qū)域，也是整體葉盤開坯過程中去除大量材料的通道區(qū)域[39]，如圖7(a)所示，圖7(b)為材料去除后通道型面。

圖7 整體葉盤開坯加工區(qū)域規(guī)劃

鑒于水射流實現(xiàn)的是貫穿式加工，當進行整體葉盤開坯時，葉片通道之間凹凸曲面嚴重干涉刀具運行軌跡，為避免射流柱沖蝕引起的不良加工特征，使被加工葉片更加趨近于葉片輪廓線，除了角度補償和多軌跡逼近之外，還需要對水壓和磨料流量等多物理量之間實時協(xié)調(diào)控制有更深的了解。

3 整體葉盤磨料水射流開坯加工技術(shù)及裝備進展

3.1 磨料水射流加工材料沖蝕機理

磨料水射流加工是大量磨料顆粒持續(xù)沖蝕材料表面的加工過程。對于單顆磨料而言，其沖蝕機理非常復(fù)雜，從磨料粒子引起材料的破壞方式，可將其分為微切削、耕犁、脆性斷裂和塑性流動[40-42]，在加工過程中這幾種加工機理并不是單獨作用，而是幾種機理的相互綜合作用，如圖8所示。

圖8 磨粒微觀材料去除機理

針對鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料這類整體葉盤常用材料磨料去除機理(圖8(a))，國外相關(guān)學(xué)者進行了大量的基礎(chǔ)研究工作，從已發(fā)表文章來看磨粒引起材料去除模型主要有微切削模型、切削變形模型、耕犁-磨損模型等。Finnie和Mcfadden[43]、Bitter[44]通過研究低攻角下剛性磨粒沖蝕塑性材料的磨損現(xiàn)象，較為完整定量給出沖蝕率與攻角關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；隨后，通過高速攝影和金相組織分析，Tilly[45]提出二次沖蝕模型，即第一階段磨粒沖擊材料表面產(chǎn)生壓痕，第二階段產(chǎn)生壓痕后反彈破碎的磨粒進行第二次沖蝕，指出材料被沖蝕總量等于兩次沖蝕之和；Magne[46]在總結(jié)微切削沖蝕模型和動量損失模型的基礎(chǔ)上，將磨料和材料硬度都引入沖蝕模型中，更加符合實際磨粒沖蝕狀態(tài)，對磨料水射流加工塑性材料具有很大的參考意義。

以磨料水射流加工Ti6-Al-4V為例，Hascalik 等[47]針對加工表面提出了初始損傷區(qū)(Initial Damage Region,IDR)、光滑切割區(qū)(Smooth Cutting Region,SCR)、粗糙切削區(qū)(Rough Cutting Region,RCR)，如圖9所示，表明射流柱能量自上而下不一致，導(dǎo)致加工零件底部出現(xiàn)明顯條紋，即“掃尾”；此外“掃尾”現(xiàn)象還與AWJ加工參數(shù)(如：進給速度、水壓、磨料流速)不穩(wěn)定和集束管加工系統(tǒng)振動有關(guān)[48]；Shipway等[49]通過研究低角度沖擊材料，發(fā)現(xiàn)可以有效抑制磨粒的二次沖擊，進而有利于的降低表面粗糙度，同時也發(fā)現(xiàn)，表面磨粒嵌入是疲勞失效的根源。

Shanmugam等[50]就AWJ加工石墨/環(huán)氧復(fù)合材料分層機理進行了深入分析，結(jié)果表明，初始裂紋是由射流柱沖擊波產(chǎn)生，分層是由于水楔和磨料嵌入導(dǎo)致，并基于能量守恒的方法在減少分層的基礎(chǔ)上建立了解析模型；Mieszala等[51]通過進行單顆磨粒分別撞擊納米晶、微晶、單晶鎳基合金實驗，研究了微觀結(jié)構(gòu)和機械性能對侵蝕機理的影響，發(fā)現(xiàn)AWJ侵蝕速率與晶粒尺寸成正相關(guān)，與硬度成非線性負相關(guān)，結(jié)合對表面和亞表面特征分析，闡明了表面出現(xiàn)加工硬化的主要原因是塑性變形導(dǎo)致晶間錯位；波音公司和Northwest National Laboratory[52]聯(lián)合采用磨料水射流加工航空鋁合金支架時，發(fā)現(xiàn)其疲勞壽命提升30%，通過測量其表面硬度發(fā)現(xiàn)，成形后的表面硬度較基體材料有所提升，表明磨料對加工表面起到了一定的強化作用。

圖9 AWJ加工表面形貌SEM圖[47]

針對葉片陶瓷基涂層這類脆性材料(圖8(b))，國外研究學(xué)者大多基于壓痕斷裂力學(xué)理論，主要有彈性模型、彈塑性模型、磨粒噴射模型等。彈性模型是指磨粒的沖蝕完全是由于接觸應(yīng)力的作用形成切削和裂紋擴展[53]；彈塑性模型在彈性模型的基礎(chǔ)上增加了橫向裂紋是磨粒沖蝕引起材料去除的主要原因，側(cè)向裂紋的深度與徑向裂紋的尺寸成比例關(guān)系[54]；磨粒噴射模型主要考慮是基于磨粒所攜帶的能量多少，決定引起脆性材料的沖蝕是穿晶斷裂還是晶間斷裂[55]。

在國內(nèi)，山東大學(xué)黃傳真等在材料去除機理上做了大量的研究工作，分析了磨料水射流形貌、速度、磨料、能量分布，建立了不同材料沖蝕成形機理，在AWJ加工硬脆材料時，提出了工件產(chǎn)生徑向/中位裂紋和側(cè)向裂紋的沖蝕動能臨界條件模型，引入的脆性斷裂沖蝕阻RCE和脆性沖蝕加工數(shù)M的概念，解決了脆塑轉(zhuǎn)變機理[56-59]；Shu等[60]針對切縫輪廓形貌差異，揭示了射流柱發(fā)散和射流柱能量衰減對加工表面質(zhì)量的影響，并建立了切縫輪廓形貌預(yù)測模型；Liu等[61]利用CFD建立了磨料水射流模型，分析了射流柱動力學(xué)特征，結(jié)果表明射流柱沿中心軸向速度快速衰減，在射流柱橫截面方向，能量呈現(xiàn)出兩邊高、中間低，這與實際加工情況較為相似；此外，蔡志剛等[62]、張成光等[63]、趙偉和郭楚文[64]等眾多學(xué)者也進行了大量機理研究工作，促進了磨料水射流技術(shù)的發(fā)展。

3.2 磨料水射流開坯路徑優(yōu)化

關(guān)于復(fù)雜曲面磨料水射流加工軌跡優(yōu)化的相關(guān)文獻不多，針對整體葉盤開坯的軌跡優(yōu)化更是鮮有報道，但是從本團隊在整體葉盤磨料水射流開坯過程中所遇到的問題來看，可以將不良缺陷分為以下幾種情況，如圖10所示：

1) 過沖蝕(圖10(a))。過沖蝕主要發(fā)生在通道下表面根部，主要原因是當切割頭到此處時，受葉片之間的曲面干涉，切割頭的AC擺角需要做出調(diào)整，同時切割頭沿曲面軌跡也要執(zhí)行加/減速，導(dǎo)致射流柱能量發(fā)生偏折，出現(xiàn)嚴重的二次沖蝕，進而形成“過沖蝕”缺陷。

圖10 AWJ整體葉盤開坯不良特征缺陷

2) 欠沖蝕(圖10(b))。欠沖蝕主要發(fā)生在兩葉片之間的上下通道曲面部分，主要原因是由于在此處增加了部分插值點，導(dǎo)致射流柱軌跡不能平滑過渡，引起切割頭急劇震顫從而產(chǎn)生“欠沖蝕”缺陷。

3) 加工面條紋(圖10(c))。整體葉盤厚度較大，AWJ開坯時如果不采取軌跡補償策略，由于射流柱動能衰減，磨料粒子動能減少，切割能力減弱，對材料的去除由切削磨損變?yōu)樽冃文p，表面條紋就會出現(xiàn)，且線性從上至下逐漸加深。

4) 葉片上下型面不一致(圖10(d))。葉片上下型面不一致即沒有實現(xiàn)等余量去除，葉片橫截面會有錐度出現(xiàn)，錐度的出現(xiàn)不僅與射流柱具有能量有關(guān)，也與靶距、磨粒噴射角度密切相關(guān)，通過給出合理的軌跡，可以實現(xiàn)葉片等余量去除。

關(guān)于通過軌跡優(yōu)化消除整體葉盤開坯過程中出現(xiàn)“過沖蝕”“欠沖蝕”缺陷，目前很難查到有價值的參考文獻，不過針對于通過軌跡優(yōu)化抑制表面條紋和降低錐度國內(nèi)外學(xué)者還是進行了大量的研究工作。

在理論分析上面，Kong等[65]針對復(fù)雜曲面零件幾何形狀自由生成，考慮射流柱路徑方向、沖擊角度方向、射流柱駐留時間等之間的關(guān)系，建立一個通用數(shù)學(xué)模型，得出了沖蝕速率函數(shù)，對于復(fù)雜曲面路徑軌跡的生成具有一定的參考意義。Torrubia等[66]將有限元與Monte Carlo方法結(jié)合，預(yù)測了AWJ加工軌跡形狀，實驗結(jié)果表明該方法能準確預(yù)測射流柱多次走刀后的平均軌跡形貌，且誤差率小于5%；Guillerna等[67]探究了射流柱加工的線性可逆問題，即尋求射流束軌跡的沖蝕輪廓，為解決這一問題，用傅里葉變換分析射流柱幾何結(jié)構(gòu)和切割頭系統(tǒng)動力學(xué)行為，優(yōu)化軌跡輪廓，減小了模型軌跡與實際軌跡之間的跟蹤誤差；在工程應(yīng)用領(lǐng)域，OMAX公司的Peter等[68]研制出了兩軸偏擺切割頭，配合XYZ三軸的移動，實現(xiàn)了不同角度的偏擺切割，結(jié)合先進的CAD/CAM功能，在很短的時間內(nèi)加工過程中噴嘴的擺動路徑，從而精確計算出兩軸在不同位置所需要的偏擺方向和擺動路徑，進而很好的消除了表面條紋和上下型面不一致的缺陷；Flow公司[16]開發(fā)了一種偏擺角更大的動態(tài)切割頭，在加工復(fù)雜曲面零件時，通過提取出葉片的特征輪廓線，導(dǎo)入到智能CNC控制系統(tǒng)，生成開坯軌跡路徑，然后根據(jù)切割頭位置，實時計算出偏轉(zhuǎn)角度，避免了切割頭和葉片之間的干涉，進而能夠高質(zhì)高效地完成整體葉盤的開坯工作。

在國內(nèi)，王軍等[69-72]通過沖蝕角補償、切割頭高頻振動和多次加工等策略，完全消除了水射流加工切口的錐度；周大鵬[73]通過理論分析和FLUENT流場分析，得出粒子能量分布特點及切割過程能量轉(zhuǎn)移，推導(dǎo)出射流柱加工輪廓特點，并建立切口輪廓錐度模型，根據(jù)刀頭的切割位置，得出切割頭需要的補償傾角以便消減切口錐度，并通過實驗驗證了該模型的正確性；王舒[74]用一元三次方程擬合磨料水射流切割厚材料的輪廓曲線，構(gòu)建了厚材料切縫輪廓曲線的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停瑢τ谏钊胙芯?D曲面成形的精密補償有較強的實用價值。

結(jié)合磨料水射流射流柱貫穿式加工特點，為了避免曲面干涉、規(guī)避過沖蝕，很好的趨近葉片輪廓線，楊維學(xué)[39]采用多個直紋面軌跡線，逐漸逼近的方式獲得葉片形狀，如圖11所示。通過優(yōu)化切割頭在葉盆和葉背處的運動軌跡，并基于軌跡線上采樣點作擬合垂直線中點的樣條曲線獲得新的軌跡直紋面，最終確保葉片雙邊等余量去除[75]。

圖11 多軌跡線切割成形[39]

圖12 磨料水射流整體葉盤開坯試驗臺

大連理工大學(xué)高航針對整體葉盤通道扭轉(zhuǎn)角大、空間狹窄特點，另外根據(jù)整體葉盤開坯方向，增加了一個旋轉(zhuǎn)軸用于支撐待開坯工件，如圖12所示。增加該軸的主要原因是：葉片曲線上各點曲率不同，切割頭在水平方向上與葉盆和葉背之間的加工間隙是不一致的，所以會導(dǎo)致葉盆和葉背處的余量差異較大。通過將旋轉(zhuǎn)軸和機床五軸進行聯(lián)動，不僅可以有效避免刀具和工件之間的相互干涉，還能保證葉盆葉背處的去除量均勻。

3.3 磨料水射流開坯多物理量和機械量參數(shù)組合優(yōu)化

為了消除整體葉盤開坯出現(xiàn)的不良特征缺陷，如圖10所示，除了通過軌跡優(yōu)化之外，若能將多個物理量(水壓、磨料流速、射流柱駐留時間等)和機械量(射流柱沖擊角、靶距、磨粒尺寸等)之間的關(guān)系進行合理優(yōu)化，同樣能夠有效避免上述缺陷。

Srivastava等[22]針對磨料水射流車削MMC材料，研究了不同進給速度對表面完整和紋理結(jié)構(gòu)的影響，實驗結(jié)果對比分析，當進給速度增加20%～30%時，材料去除率降低13.81%，表面會伴隨內(nèi)部裂紋、凹坑、增強劑顆粒斷裂等缺陷生成，與此同時亞表面殘余壓應(yīng)力也會增加，通過X-ray測得亞表面50 μm處硬度增加7%～9%，可見磨料水射流加工時，獲得高材料去除率和好的表面形貌是相互矛盾的，只能在滿足精度要求的條件下尋求參數(shù)之間的最優(yōu)組合；Ahmed等[76]通過統(tǒng)計學(xué)方法建立加工參數(shù)與粗糙度的關(guān)系，借助響應(yīng)面分析法深入研究磨料流速、水壓、靶距等物理量和機械量之間的組合對粗糙度的影響，實驗結(jié)果表明在低進給速度下增加水壓、高進給速度下降低水壓或者低進給速度下降低靶距都可以獲得相同的表面粗糙度值；在保持其他加工參數(shù)相同條件下，切割頭多次走刀研究結(jié)果表明，高進給速度結(jié)合多次走刀，較低進給速度結(jié)合單次走刀，能獲得更高的材料去除率和較低的錐度、表面條紋，主要原因是因為在多次走刀的情況下，相當于射流柱對切割面起到了類似光整的作用，保證了加工表面的完整性[49]；Ming等[77]選用不同水壓、磨料流速、靶距、進給速度，研究了磨料水射流加工NiTi記憶合金的切口輪廓幾何特征和表面形貌，通過選用參數(shù)之間的最優(yōu)組合，不僅能夠抑制白化層、晶間變形、裂縫等缺陷，還能使切割面輪廓錐度最低，消除表面條紋不良特征；Gent等[78]選用不同磨料加工韌性材料，探究了磨粒尺寸、磨粒硬度、磨料流速對沖蝕深度的影響，結(jié)果表明磨粒尺寸對沖蝕速率影響不大，磨粒硬度對材料的沖蝕速率取決于與被加工材料的相對硬度之差，即磨料硬度與韌性材料的相對硬度之差越大，沖蝕效果越明顯，磨料流速對材料沖蝕速率存在一個最優(yōu)值，也就是說當磨料流速較小時，單位時間內(nèi)高壓水傳遞給磨料的能量較低，但當磨料流速較大時，磨粒之間的相互碰撞導(dǎo)致的能量損失非常顯著。

國內(nèi)學(xué)者劉盾等[79]通過回歸模型和響應(yīng)面分析法分析了加工參數(shù)(進給速度、靶距、磨料流速、傾斜角度等)對陶瓷沖蝕深度和表面粗糙的影響，獲得最大沖蝕深度和最低表面粗糙度的最優(yōu)組合參數(shù)，根據(jù)不同加工參數(shù)之間擾動圖對比分析表明進給速度對沖蝕深度和表面粗糙度影響最大；陳正文等[80]用磨料水射流切割復(fù)合材料來研究進給速度、樣品厚度對樣品切口表面粗糙度的影響規(guī)律，結(jié)果表明對于切口表面粗糙度，存在一個最優(yōu)工藝參數(shù)值；張文超和武美萍[81]設(shè)計了正交實驗,對不同參數(shù)組合下磨料水射流加工45#鋼的表面粗糙度、材料去除率進行了MATLAB數(shù)據(jù)分析,同時從材料去除機理方面對磨料粒度、射流壓力、橫向進給速度、靶距、噴嘴沖蝕角度等加工參數(shù)對于表面質(zhì)量和材料去除率的影響程度和影響趨勢進行了分析，結(jié)合加工面表面粗糙度和材料去除率,選出最優(yōu)加工參數(shù)組合用于指導(dǎo)工程應(yīng)用。大連理工大學(xué)針高航對厚度為60 mm、葉片長度為18 mm鋁合金單葉片開坯成形做了很多基礎(chǔ)實驗研究，如表2所示，通過不同實驗參數(shù)條件下的葉片形貌、尺寸精度、加工時間對比可以看出，單從提升加工效率來看，水壓越大、磨料流速越大、靶距越小，單葉片成形所用時間也就越少，但此時會有嚴重的表面條紋、“過沖蝕”缺陷存在；因此需要根據(jù)加工精度要求，綜合考慮各個加工參數(shù)對最終形貌的影響，結(jié)合各種智能算法[82-83]，找出針對水射流開坯的最優(yōu)參數(shù)組合。

表2 不同加工參數(shù)磨料水射流單葉片加工成形對比分析

3.4 整體葉盤磨料水射流開坯裝備進展

整體葉盤開坯傳統(tǒng)方法有電解加工、激光熔覆、數(shù)控銑削等，各種開坯方法對比如表3所示[84-87]，然而這些方法普遍面臨周期長、污染嚴重、刀具磨損等問題，所以為尋求更為經(jīng)濟綠色的工藝方法，磨料水射流開坯應(yīng)運而生，據(jù)國外研究報告，采用水射流開坯可以使生產(chǎn)成本減半，周期縮短為原來的1/4～1/5。整體葉盤的材料去除主要是在開粗加工階段完成的,因此提高通道開槽切削的效率是實現(xiàn)葉盤高效加工的關(guān)鍵。整體葉盤開坯加工的目的就是要高效率地去除葉盤多余材料，并為精銑加工階段提供均勻的加工余量。下面主要介紹磨料水射流開坯國內(nèi)外裝備研究現(xiàn)狀，為航空發(fā)動機高效高質(zhì)加工提供參考。

3.4.1 整體葉盤磨料水射流開坯國外設(shè)備研究進展

國外在磨料整體葉盤水射流開坯方面已經(jīng)做了大量研究工作，美國Flow公司(圖13[88])在水射流加工方面最先起步，其生產(chǎn)的Aquarese系列的六軸機械手機器人是目前最為先進的水射流整體葉盤開坯機器人，主要優(yōu)勢是該機器手在五軸基礎(chǔ)上，在集束管上集成柔性自由度的關(guān)節(jié)臂，讓集束管可以從任何角度接近工件，結(jié)合最先進的在線優(yōu)化CNC控制系統(tǒng)，將預(yù)測模型和計算機模擬技術(shù)同步連接，一旦開始加工時，集束管遵循光滑、準確、可重復(fù)的走刀路徑，以創(chuàng)建精確的切割和輪廓，從而完成發(fā)動機葉盤整體開坯工作，裝備比較成熟、靈活性高，容易實現(xiàn)。此外，相對于銑削和其他常規(guī)加工來講，該機器人對裝夾要求較低，大大節(jié)省夾具成本，研究報告表明Aquarese機器人已經(jīng)成功應(yīng)用在波音公司整體葉盤水射流開坯上面，該機器人已經(jīng)證明其足夠的耐用性和精確性，能夠滿足航空航天整體葉盤開坯所要求的嚴格公差。以加工直徑804 mm、31個葉片的Ti6Al4V葉盤為例，與銑削開坯相比，該機器人將整體葉盤成形周期從200 h縮短至35 h(節(jié)省83%)，同時裝夾成本費用降低為72%，極大促進了整體葉盤加工效率。

表3 整體葉盤開坯加工技術(shù)對比

圖13 Flow公司磨料水射流整體葉盤開坯設(shè)備[88]

Jet-Edge水射流采用直接驅(qū)動泵(圖14(a))，水壓可達520～620 MPa，AB軸擺角±50°，切割頭能夠切入整體葉盤兩葉片之間的狹小間隙內(nèi)，改善切割頭在葉盆和葉背之間的曲面干涉狀況；五軸運動控制由交流無刷數(shù)字伺服電機和單雙機架耦合，用滾珠絲桿精確驅(qū)動，加上運控控制系統(tǒng)與水箱分離開來，有利于提高抗干擾性和魯棒性，抑制由機床運動引起的工件震顫，在加工時采用基于多點定位走刀方式、實現(xiàn)安裝—檢測—優(yōu)化集成控制的自適應(yīng)成形加工技術(shù)，通過工裝與機床切割頭之間實現(xiàn)自適應(yīng)數(shù)控聯(lián)動，在提高工作效率的同時，能夠保證復(fù)雜曲面工件的加工尺寸精度，最大限度的確保零件最終加工質(zhì)量；通過合理優(yōu)化加工工藝參數(shù)，獲得水壓、磨料供給量、靶距、傾斜角度之間的最優(yōu)組合可使開坯效率提升至40%～50%，操作成本降低40%。以鋁合金閉式整體葉盤加工為例(圖14(b))，加工后葉片表面粗糙度可達6.4～12.5 μm，葉型精度公差為-0.5～+0.5 mm，葉片單邊余量1～2 mm，加工表面一致性較高，便于執(zhí)行后續(xù)精加工程序。

圖14 Jet-Edge 整體葉盤開坯加工原理圖

諾丁漢大學(xué)(University of Nottingham)與Rolls-Royce公司在校內(nèi)成立了水射流整體葉盤開坯實驗室，用于研究高質(zhì)高效整體葉盤成形。在整體葉盤開坯基礎(chǔ)上，諾丁漢大學(xué)Axinte等[89-93]研究了材料去除函數(shù)模型、材料去除機理、軌跡路線規(guī)劃以及實驗工藝的相關(guān)研究，為實現(xiàn)整體葉盤半精加工奠定了豐富的理論基礎(chǔ)，他將水射流開坯與干涉儀在線測量技術(shù)結(jié)合起來，不僅可以完成磨料整體葉盤開坯工作，在后續(xù)加工采用純水射流進行葉片表面噴丸強化[94]，針對性解決了常規(guī)噴丸表面粗糙度增大、殘余壓應(yīng)力分布不均缺點，顯著提升表面疲勞強度。圖15[90]所示為葉盤開坯所用機床，該機床位置精度±0.001°，雙向重復(fù)定位精度為±0.001 mm，垂直度和直線度為±0.003 mm，AB軸傾斜角為±60°，C軸旋轉(zhuǎn)角度為±440°，裝有激光定位、實時聲發(fā)射傳感器監(jiān)測切削是否出現(xiàn)異常狀態(tài)?？梢詫崿F(xiàn)葉型線輪廓精度控制在+1.0～+1.6 mm以內(nèi)，葉盆、葉背的重復(fù)精度<1.5 mm，通過錐角補償克服葉片底部“掃尾”現(xiàn)象，加工面無熱損傷、硬化層等缺陷；據(jù)報道，該技術(shù)葉盤開坯已經(jīng)成功應(yīng)用在Rolls-Royce系列發(fā)動機上面。

圖15 Rolls-Royce公司整體葉盤開坯加工設(shè)備[90]

此外，國外也有很多其他公司和科研機構(gòu)在不斷探索，如德國OMAX和Hammelmann Corp、瑞士Bystronic、法國Suteau-Anver集團、日本sodic公司、Flow在MIT成立水射流研究中心、佐治亞理工學(xué)院高性能五軸整體葉盤開坯研究中心等。這些企業(yè)和機構(gòu)不斷對磨料水射流設(shè)備創(chuàng)新的持續(xù)升級，使設(shè)備不斷朝著自適應(yīng)能力強、高度柔性化、集成化發(fā)展，控制系統(tǒng)更加智能化、數(shù)字化、專業(yè)化、模塊化；目前國外頂尖水射流設(shè)備生產(chǎn)商針對整體葉盤開坯，大部分采用CATIA實體建模結(jié)合CNC編譯處理，然后集成切割模型，針對性開發(fā)CAD(數(shù)據(jù)導(dǎo)入、零件設(shè)計、工裝、材料屬性選擇)和CAM(編程、模擬、路徑修正等)為末端處理器，大幅度提升整體葉盤開坯效率。在設(shè)備和控制系統(tǒng)發(fā)展的同時，對磨料水射流開坯時涉及的材料去除機理、加工面損傷預(yù)防、整體葉盤通道多軸加工的無干涉刀具路徑適量規(guī)劃、運動量與幾何量協(xié)同控制、磨料精確供給等工藝不斷研究和優(yōu)化，使水射流加工整體葉盤技術(shù)不斷成熟，促進了航空制造業(yè)的發(fā)展。

3.4.2 整體葉盤磨料水射流開坯國內(nèi)設(shè)備研究現(xiàn)狀

我國水射流相關(guān)技術(shù)理論自20世紀90年代開始大力發(fā)展，在水射流整體葉盤開坯方面，涂運鳳和馮燕[95]、齊娜和王敘英[96]分別提出機器人七軸水射流整體葉盤切割裝置，即機器人為六關(guān)節(jié)聯(lián)動，在裝有毛坯料的工作臺上再增加一個旋轉(zhuǎn)自由度，這樣既保證了切割機器人的剛度，同時提高了夾具的定位精度，因而可以實現(xiàn)整體葉盤開坯工作；山東大學(xué)黃傳真與北京工業(yè)自動化所合作[97]，建立了磨料水射流六軸機器人工作站，進行磨料水射流加工復(fù)雜空間曲面的基礎(chǔ)工藝研究。沈陽黎明航空發(fā)動機、西安飛機工業(yè)在磨料水射流開坯做了很多工作，但是受限于設(shè)備和對開坯機理探究不夠，最終沒有獲得成型產(chǎn)品；除此之外，國內(nèi)對于磨料水射流實現(xiàn)對復(fù)雜3D空間曲面高效、高精度加工相關(guān)報道甚少。

在加工設(shè)備方面，國內(nèi)雖然起步較晚，但是經(jīng)過不斷的技術(shù)累積，已經(jīng)具備了自主創(chuàng)新能力，眾多水射流設(shè)備制造商也擁有自己的核心技術(shù)，專業(yè)領(lǐng)域的研究機構(gòu)及公司企業(yè)得到了飛速發(fā)展，如表4所示，從這些資料表明，國內(nèi)對水射流開發(fā)的設(shè)備的研究領(lǐng)域主要集中在用于各種清洗作業(yè)；用于各種不同合金、巖石混凝土、復(fù)合材料特種切割加工；用于廢舊炮彈處理、軍工、軌道交通精密件切割等。然而，對于結(jié)合水射流特性，能夠精確執(zhí)行3D復(fù)雜曲面軌跡，完成水射流整體葉盤開坯的機床設(shè)備相當匱乏；這一點上與高壓水射流技術(shù)發(fā)達的美、日、德等國家相比，產(chǎn)業(yè)梯隊和高端制造技術(shù)水平還存在較大的差距。

表4 國內(nèi)水射流制造機床對比

綜合各種因素，國內(nèi)關(guān)于射流整體開坯技術(shù)還存在很多不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 整體葉盤朝著輕質(zhì)、耐高溫、剛性好等方面發(fā)展，因此關(guān)于整體葉盤材料的去除機理需要進行深入研究。對材料本身的去除特性、去除規(guī)律、模型精度，結(jié)合對射流與磨?；旌?、磨粒加速、射流與大氣的相互干涉、磨粒在射流柱中的分布等基礎(chǔ)研究的理解程度決定了磨料水射流開坯的效率和型面精度。

2) 目前國內(nèi)對于磨料水射流整體葉盤開坯的研究基礎(chǔ)理論不足，對于射流柱沖蝕材料的流場特性、本構(gòu)方程的研究較少，關(guān)于射流柱駐留時間和材料去除率之間的數(shù)學(xué)模型理論研究不夠充分，導(dǎo)致在水射流開坯的過程中實現(xiàn)對葉片雙邊余量均勻控制比較困難。

3) 國內(nèi)對于磨料水射流不同工藝參數(shù)對加工精度的影響做了大量研究，高壓、靶距、噴嘴結(jié)構(gòu)、磨料供給量、傾斜角度等對開坯精度影響較大；但是對于如何解決開坯過程中出現(xiàn)的“掃尾”、葉盤葉盆處“過切”、葉背處“欠切”等現(xiàn)象的補償措施涉及較少。也就是說對于水射流開坯提高加工精度具體有效的工程方案尚未解決。

4) 數(shù)控技術(shù)和尖端制造技術(shù)方面的研究不足使得我國磨料水射流研究主要集中在2D加工方面，在復(fù)雜形狀零件的加工上應(yīng)用也較少。關(guān)于水射流開坯更是幾乎沒有成行的體系和研究策略，相比于美、日、德在水射流開坯領(lǐng)域的幾乎可以達到精加工能力，我國對水射流開坯的研究不管是從硬件上還是軟件上更是亟需深入進行。

4 整體葉盤磨料水射流開坯面臨的主要問題和解決方案

4.1 整體葉盤磨料水射流開坯面臨的難題

磨料水射流加工技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機整體葉盤高性能復(fù)雜曲面高效加工，面臨的主要挑戰(zhàn)和難點在于：

1) 射流柱在開坯過程中，存在能量傳遞和耗散問題，特別是現(xiàn)有的后混式混料腔結(jié)構(gòu)極易帶入空氣，由此導(dǎo)致能量耗散、材料去除率和加工表面質(zhì)量一致性難以控制。

2) 整體葉盤的扭曲曲面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其加工的開敞性較差，存在強幾何干涉，磨料水射流開坯路徑軌跡合理與否直接關(guān)系到葉盤開坯質(zhì)量；如何優(yōu)化軌跡路徑成為磨料水射流整體葉盤開坯的難題。

3) 影響磨料水射流曲面多維控形加工的因素不僅包含噴射距離和噴射角度、射流駐留時間，還包括磨料水射流壓力、高速混合流體中的磨粒含量、被加工材料特性等物理參變量，且兩類參變量存在耦合關(guān)系，難以實時調(diào)控上述機械量和物理量，使其能夠按照預(yù)定型面要求進行加工。

4.2 整體葉盤磨料水射流開坯解決方案

筆者團隊根據(jù)整體葉盤幾何形狀規(guī)劃整體加工工藝路線，研制六軸數(shù)控磨料水射流開坯試驗臺，創(chuàng)新設(shè)計磨粒供給量伺服控制精準調(diào)控系統(tǒng)，改進高壓泵電機驅(qū)動方式，開發(fā)基于多維運動參變量和多物理參變量的復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工程序，為整體葉盤開坯的工程應(yīng)用提供可靠的工藝方法。具體解決方案如下。

4.2.1 高壓磨料水射流加工水壓和磨料供給實時調(diào)控方法和射流柱混合能量建模

傳統(tǒng)磨料水射流中通過混合腔中高速水射流產(chǎn)生的負壓來供給磨料，在加工過程中不具備實時可變調(diào)控能力。為此，提出通過將磨料供給管道閥門改進為用伺服電機控制開口流量，即將傳統(tǒng)的磨料“被動負壓吸入”，改為“磨料流量線性函數(shù)精準調(diào)控供給”的方式，如圖16所示。磨粒的線性函數(shù)精準調(diào)控考慮到射流柱在葉片凹凸曲面和葉根拐角處的駐留時間與混合腔中高壓水快速流動產(chǎn)生負壓大小之間的協(xié)同作用。在水射流開坯過程中，因為葉片的特征，射流柱在葉盆和葉背處的材料去除量是不一樣的，且在葉根拐角處由于五軸聯(lián)動需要減速/加速過程，若不改變射流柱的能量，在這些加工處容易出現(xiàn)不良加工質(zhì)量。由于在目前加工中受設(shè)備能力限制，高壓是不易實時精準調(diào)控的，而磨料供給量通過PLC編程輸入控制函數(shù)，完成磨料供給量精準控制是可行的，目前筆者團隊已經(jīng)解決這一困難。因此通過改變磨料供給量的函數(shù)關(guān)系，可以有效地調(diào)控射流柱駐留時間與磨粒供給量之間的對應(yīng)關(guān)系，提高磨料水射流的能效。

在射流柱混合能量流場建模方面，通過“流場能量衰減分析—模型與參數(shù)調(diào)整—流場能量衰減分析”的迭代優(yōu)化方法，研究能量耗散機制與各物理量參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)參數(shù)之間的最優(yōu)組合，得到能量耗散、演變規(guī)律的函數(shù)關(guān)系式；驗證不同吸入氣體量的磨料水射流與加工表面沖蝕痕跡深度的關(guān)系，從而分析混入氣體對磨粒動能消減的影響程度。在此基礎(chǔ)上通過對聚能型切割頭結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化，實現(xiàn)吸入磨粒流量的實時有序調(diào)控，并最大限度地消減混入氣體量，減少噴射出口磨粒動能的耗散。

圖16 磨料流量實時精準調(diào)控原理示意圖

4.2.2 葉片曲面曲率變化的磨料水射流加工材料去除函數(shù)建立

磨料水射流加工界面的力學(xué)行為決定材料去除能力，一方面，磨料水切割射流在不同噴射距離、不同壓力和不同磨粒流量條件下，因磨粒動能變化和耗散特性，導(dǎo)致其材料去除能力有很大的差異，最終導(dǎo)致其表面形成如圖4所示的下窄上寬的“掃尾”現(xiàn)象。另一方面，磨粒與加工表面為剛性碰撞接觸，在圖17所示不同曲面和曲率條件下，磨粒對工件表面的沖蝕效果存在很大差異。

研究曲面約束條件下的磨料水射流沖蝕流場，是分析磨粒去除材料率的基礎(chǔ)。以延性材料沖蝕機理模型為基礎(chǔ)，建立曲率的磨粒連續(xù)沖蝕力學(xué)模型，研究不同參數(shù)變化下，特別是水壓、磨粒供給量、切割頭沖蝕角變化對力學(xué)行為的影響，試驗分析磨粒在不同工藝條件下的滑擦、耕犁和切削行為及其變化規(guī)律，給出多維運動參變量、水壓與磨粒供給量對材料去除率的影響規(guī)律，為磨料水射流開坯過程中的材料去除函數(shù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

圖17 曲率變化對磨粒沖蝕過程的影響示意圖

4.2.3 磨料水射流扭曲形面創(chuàng)成路徑規(guī)劃策略

現(xiàn)階段磨料水射流曲面加工因受設(shè)備功能所限，只能通過多軸數(shù)控運動改變靶距和噴頭角度的單一方式實現(xiàn)，這對于諸如圖18所示的發(fā)動機整體葉盤窄間距干涉條件下葉片凹、凸曲面的磨料水射流加工十分困難。事實上若能夠?qū)λ畨汉湍チ９┙o量這些物理參變量實現(xiàn)實時調(diào)控，通過有效地改變材料的去除率，亦能達到加工曲面的目的。為此，在整體葉盤幾何運動規(guī)劃方面，首先開發(fā)出流線型五軸加工軌跡設(shè)計方法，并針對整體葉盤的曲面建模特點，建立射流柱走刀流線場的連續(xù)性構(gòu)造插補運動方程，確定高壓泵驅(qū)動的射流柱刀具姿態(tài)算法。同時，針對葉片前后緣處曲率變化劇烈的特點，考慮葉片幾何特性和射流柱駐留時間之間的關(guān)系，將對機械運動參變量(入射角度、加工速度、靶距等)與物理參變量(水壓、磨粒供給量)的協(xié)同調(diào)控策略展開系統(tǒng)的試驗研究，建立針對凸、凹曲面結(jié)構(gòu)特點的磨料水射流材料去除函數(shù)，為整體葉盤復(fù)雜曲面磨料水射流數(shù)控開坯加工路徑規(guī)劃提供可靠的理論依據(jù)和算法。

圖18 整體葉盤窄間距干涉條件下葉柵凹、凸曲面加工策略

綜上所述，通過提出的解決方案，筆者所在團隊，經(jīng)過大量驗證實驗，對于磨料水射流整體葉盤開坯技術(shù)已經(jīng)取得了一定進展，對于開坯過程中對葉片等余量控制，避免葉片狹窄通道凹凸曲面干涉、根部出現(xiàn)“過沖蝕”“欠沖蝕”，消除加工面出現(xiàn)的“表面條紋”現(xiàn)象等不良特征已經(jīng)做了大量基礎(chǔ)研究工作，通過加工軌跡插補優(yōu)化、沖蝕角補償、磨料實時可控調(diào)節(jié)等方法已經(jīng)逐漸解決磨料水射流整體葉盤開坯過程中易出現(xiàn)的難題，以直徑120 mm、厚度20 mm的6061鋁合金整體葉盤加工為例, 如圖19(a)所示，可以達到完全消除“過沖蝕”“欠沖蝕”“掃尾(圖19(c))”等缺陷，單邊葉片余量均勻控制在-1.5～+2.0 mm范圍內(nèi)(圖19(b))，下一步工作，將針對三級整體葉盤開坯工藝進行探索。

圖19 整體葉盤磨料水射流開坯驗證實驗

5 整體葉盤磨料水射流開坯技術(shù)發(fā)展趨勢

圖20表示了整體葉盤磨料水射流開坯技術(shù)發(fā)展趨勢與整體葉盤磨料水射流開坯關(guān)鍵問題的研究。從圖中看出，要解決整體葉盤磨料水射流開坯的關(guān)鍵問題，為國家重大航空裝備提供理論方法和技術(shù)支撐，磨料水射流整體葉盤開坯要朝著高端智能化、復(fù)雜曲面自生成、多功能集成化等方向發(fā)展。

1) 高端智能化。磨料水射流開坯要求機床具有較高的精度要求，應(yīng)用五軸以上的數(shù)控加工中心是必要的前提。針對射流柱能量耗散問題，在提升高壓功率的同時，還需要對集束管進行聚能型設(shè)計，滿足不同尺寸要求的整體葉盤開坯要求，設(shè)計更為先進的且獨立于切割頭運動控制系統(tǒng)的裝夾方式，避免高壓引起機床震顫導(dǎo)致的刀頭碰撞、重復(fù)定位精度低、加工誤差大等問題。解決磨料水射流開坯過程中面向強幾何干涉、加工可達性差、等余量去除等關(guān)鍵問題。

圖20 整體葉盤磨料水射流開坯技術(shù)發(fā)展趨勢

2) 復(fù)雜曲面軌跡自生成。整體葉盤開坯過程中涉及的扭曲曲面創(chuàng)成是磨料水射流路徑規(guī)劃過程中不可缺少的插補算法。在建立整體葉盤的數(shù)學(xué)模型時，通過空間樣條曲線插值和軌跡逆向雙向插值方法，在不同曲率和曲線處通過MATLAB計算并放置過渡插值點確保過渡曲線平緩、圓滑、無斷點導(dǎo)致的“欠切”等缺陷，并結(jié)合使用專用Actcut仿真軟件進一步優(yōu)化軌跡路徑，使數(shù)學(xué)模型的軌跡符合磨料水射流開坯整體葉盤零件形位精度要求。此外，復(fù)雜曲面軌跡自生成技術(shù)在生成連續(xù)、光滑的加工軌跡的同時，保證了加工過程中的連續(xù)性和平穩(wěn)性，大幅度降低了由于機床加/減速引起的集束管振動引起誤差復(fù)映問題，保證了開坯精度，提高了工作效率。

3) 多功能集成化。多功能集成化主要是在磨料水射流的基礎(chǔ)上，增加超聲振動、激光輔助、機器視覺等先進技術(shù)彌補磨料水射流在加工過程中由射流柱能量耗散導(dǎo)致“葉盆”“葉背”材料去除率差別較大、加工表面質(zhì)量一致性較差、葉片底部出現(xiàn)“掃尾”等問題，通過視覺在線反饋實現(xiàn)“加工、測量和調(diào)控”一體化，實現(xiàn)扭曲曲面等剩余余量加工，提高葉盤型面精度一致性，解決整體葉盤開坯技術(shù)中難加工材料精密去除和凹凸曲面創(chuàng)成等機理問題，形成航空發(fā)動機復(fù)雜曲面零件磨粒水射流高質(zhì)高效控形新技術(shù)。

6 結(jié) 語

磨料水射流開坯技術(shù)作為一種新型、高效、綠色環(huán)保加工手段，是21世紀極具創(chuàng)造性的加工方式，具有無熱影響區(qū)、低切削力、柔性強、低成本效率高等優(yōu)勢，決定磨料水射流開坯技術(shù)在航空航天難加工復(fù)雜曲面零件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。通過對整體葉盤磨料水射流開坯工藝特性分析、國內(nèi)外關(guān)于磨料整體葉盤水射流開坯技術(shù)對比分析可以看出，我國在整體葉盤磨料水射流開坯技術(shù)涉及到的難加工材料去除機理、避免凹凸曲面干涉的路徑軌跡優(yōu)化、葉片等余量控制方面的研究還應(yīng)該加大力度，研制出集成化、復(fù)合化、數(shù)字化高端制造裝備。