航空發(fā)動機零組件加工特點與裝備分析
2020-5-6 來源：- 作者：-
航空發(fā)動機零組件加工不斷挑戰(zhàn)數(shù)控裝備的高速度、高精度、高可靠性、高可達(dá)性、多功能等性能與功能極限，對加工設(shè)備有很多特殊和極端要求，但是目前設(shè)備研制和工藝需求還存在匹配性不夠的問題。本文作者在分析航空發(fā)動機零組件結(jié)構(gòu)與材料特點的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了其加工制造對數(shù)控裝備的共性技術(shù)需求、常用的典型金切設(shè)備和短板設(shè)備的具體性能要求，并對設(shè)備驗收的流程內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)做了具體闡述。指出了航空發(fā)動機加工裝備的發(fā)展方向，研制滿足航空發(fā)動機加工需求的設(shè)備可以更好地推動機床工具與裝備水平的進步，能夠研制和提供該類機床裝備的研究者和企業(yè)代表著行業(yè)最高水平。
因原文較長，為便于閱讀，經(jīng)與作者商議，將其拆分成相對獨立的3篇文章陸續(xù)發(fā)布，但保留原文圖片及參考文獻的編號。若想一氣呵成看全文，請關(guān)注《世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）》雜志2020年第3期“航空發(fā)動機加工裝備的性能需求與驗收關(guān)鍵技術(shù)”一文。——編者注
航空發(fā)動機是由多種類型零部件組成，可以在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和不斷變換工作狀態(tài)的惡劣環(huán)境中工作的高度復(fù)雜和精密的熱力機械[1]，追求更輕量化、更大推力、更高可靠性、更長壽命、更低油耗、更低成本是提升航空發(fā)動機性能的永恒主題，這也促使發(fā)動機結(jié)構(gòu)越來越集成、設(shè)計越來越復(fù)雜。現(xiàn)代航空發(fā)動機設(shè)計采用了許多新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)來滿足苛刻的性能要求，高溫和承力結(jié)構(gòu)件多采用整體結(jié)構(gòu)，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高，表面粗糙度及表面質(zhì)量要求高，其先進制造技術(shù)對相應(yīng)的加工機床與裝備需求十分迫切。
目前，世界主要大國在航空制造業(yè)方面的競爭極為激烈，封鎖與摩擦不斷，我國大飛機項目和“兩機”專項的上馬促進了航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也為機床裝備的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。數(shù)控機床的研制和應(yīng)用首先起源于航空制造業(yè)，并伴隨著航空制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展[2]。通過相關(guān)項目支持，研發(fā)出了五軸葉片銑磨加工中心、葉片拋磨機床、機匣五軸銑車復(fù)合加工中心等設(shè)備，工信部與中國機床工具工業(yè)協(xié)會也組織了多次航空發(fā)動機企業(yè)與機床企業(yè)對接會，推動“兩機”專項與數(shù)控機床專項建立長效對接機制，創(chuàng)新協(xié)同模式，加速成果轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研用深度融合[3,4]。我國的高檔數(shù)控機床基本實現(xiàn)了由不能做到能做的升級和跨越[5]，但整個機床行業(yè)正向設(shè)計能力、針對用戶需求的定制工藝研究及相應(yīng)的機床設(shè)計能力還不足[6]，航空發(fā)動機制造對數(shù)控裝備的性能需求有其特殊的地方，機床裝備企業(yè)如未吃透用戶的具體需求就倉促研發(fā)設(shè)備，其應(yīng)用推廣效應(yīng)勢必受到影響。
1 、航空發(fā)動機零組件特點
新一代航空發(fā)動機總共有3萬多個零件，涉及230多種不同標(biāo)準(zhǔn)的材料，與加工制造相關(guān)的特點具體如下：
（1）零、組件種類眾多
航空發(fā)動機主要零件有葉片、帶榫槽輪盤、整體葉盤、軸、環(huán)形與鼓筒件、噴嘴組件、齒輪、軸承、緊固件、導(dǎo)管等10大類。如圖1所示，葉片分為風(fēng)扇葉片、壓氣機葉片、渦輪葉片以及與之對應(yīng)的靜子整流葉片，機匣有風(fēng)扇包容機匣、壓氣機機匣、燃燒室機匣、渦輪機匣以及分布在它們之間的級間機匣，有的整流葉片還與機匣整體成形，各類轉(zhuǎn)子葉片都通過榫接結(jié)構(gòu)連接在轉(zhuǎn)子盤上。為了減重增效、提高推重比，壓氣機前段越來越多采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。
圖1 航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)爆炸圖
（2）難加工材料多
航空發(fā)動機大量采用高溫合金、鈦合金、高強度鋼材料，復(fù)合材料、工程陶瓷材料等新材料也越來越多地應(yīng)用到高性能航空發(fā)動機上。這些材料的加工性極差，對工藝裝備的剛性和切削刀具的要求極其苛刻，還需要大量的特種工藝裝備。
（3）零組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜
風(fēng)扇/壓氣機/整體葉盤葉片屬于典型的自由曲面零件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差，加工過程易變形，需要高性能多軸數(shù)控加工設(shè)備；風(fēng)扇/壓氣機/燃燒室/渦輪/中介機匣需要高精度多軸坐標(biāo)鏜、高精度立式車/磨數(shù)控裝備、電解或線切割裝備；壓氣機轉(zhuǎn)子組合后葉尖高速磨削和機匣組件高精度立式磨削設(shè)備；盤類零件輻板、周向榫槽、軸向深孔等形狀復(fù)雜，需采用車銑磨復(fù)合、拉削、成形磨削等特殊設(shè)備或新工藝裝備；燃油噴嘴桿芯/活門安裝座/外殼油路和冷卻型腔復(fù)雜，需要增材制造設(shè)備，其活門組件很多小微零件的形位公差甚至到亞微米級，需要車銑磨一體復(fù)合加工設(shè)備；整體葉盤修復(fù)需要線性摩擦焊設(shè)備，而高壓渦輪盤軸組件、高壓壓氣機轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇盤所需要的慣性摩擦焊設(shè)備，對發(fā)動機減重和提高耐高溫性至關(guān)重要。
（4）零件加工精度高
發(fā)動機零件要保證在高溫、高速、惡劣環(huán)境下可靠工作，需要零件具有良好的配合質(zhì)量和互換性，一方面對零件的加工精度要求極高，很多零件的精度要求都在微米/次微米級，非配合表面粗糙度要在Ra1.6以下，配合表面粗糙度在Ra0.8以下；另一方面，對設(shè)備的加工精度及精度保持性要求很高，還要配套相應(yīng)的精密檢測設(shè)備，甚至需要多軸多功能復(fù)合加工與檢測一體的設(shè)備來完成。
（5）多種冷卻小孔
航空發(fā)動機渦輪葉片、燃燒室、火焰筒等零組件的冷卻小孔每臺份多達(dá)數(shù)十萬個，而且是異形精密群孔，尺寸在ø0.1-0.3mm，孔的位置呈空間多向分布，其外壁還有涂層。孔的形位精度和孔壁表面質(zhì)量要求高，常規(guī)的鉆孔、沖孔方法難以滿足要求，需要激光、電子束、電火花等特種加工技術(shù)和裝備。
（6）零件表面特種工藝要求多
為了提高發(fā)動機零件的耐磨、防腐蝕、抗疲勞性能，需要采用表面強化、噴涂、噴丸、滲鍍等表面處理技術(shù)與裝備。渦輪導(dǎo)向葉片、燃燒室采用的陶瓷熱障涂層，尤其是渦輪葉片表面高溫防腐蝕涂層，其工藝及裝備始終制約航空發(fā)動機的性能。
2 、大型客機航空發(fā)動機對裝備行程需求分析
市場占有量較大的三類大型客機主要零件尺寸如下表所示，其設(shè)備行程應(yīng)該分別覆蓋其最大零件加工尺寸。
表 典型大型客機發(fā)動機
本文作者及單位：
于建華1，陸濤1，梁永收2，何艷麗1，陳亞林1，王杰1，李勛3，雷力明1，張渝1
1.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司；2. 航空發(fā)動機高性能制造工業(yè)和信息化部重點實驗室（西北工業(yè)大學(xué)）； 3. 北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院。
于建華，男，1985年出生，甘肅臨洮人，博士，高級工程師，主要研究方向為航空發(fā)動機關(guān)鍵部件先進制造工藝，航空零件長壽命制造及加工表面完整性控制技術(shù)。主持多項國家課題，擔(dān)任全國金屬切削機床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員。
參考文獻
[1] 航空制造工程手冊-發(fā)動機機械加工[M].北京:航空工業(yè)出版社,2016(08).
[2] 湯立民,宋智勇.航空數(shù)控加工機床發(fā)展方向及其關(guān)鍵技術(shù)[J].航空制造技術(shù), 2010(10):45-48.
[3] “兩機”專項和數(shù)控機床專項現(xiàn)場對接會在北京召開[J]. 世界制造技術(shù)與裝備市場, 2018(2): 17-19.
[4] 工信部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心. 數(shù)控機床成果在航空發(fā)動機領(lǐng)域應(yīng)用推廣會在株洲召開[EB/OL]. (2018-12-17). http://idpc.org.cn/xwdt/zxdt/1252.htm.
[5] 劉峰,高長才.展望未來機床服務(wù)航空工業(yè)[J].航空制造技術(shù),2014(11):56-59.
[6] 王磊,盧秉恒.中國工作母機產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J/OL].中國工程科學(xué): 1-9[2020-04-27].http://kns.cnki.net/kcms/ detail / 11.4421.G3.20200403.1716.007.html.
作者：于建華等（詳見文章末尾） 責(zé)編：張芳麗
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