境內(nèi)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件加工特點(diǎn)與裝備分析
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件加工特點(diǎn)與裝備分析
航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)零組件結(jié)構(gòu)與材料特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了其加工制造對(duì)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(duì)設(shè)備驗(yàn)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(dòng)機(jī)加工裝備的發(fā)展方向，研制滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工需求的設(shè)備可以更好地推動(dòng)機(jī)床工具與裝備水平的進(jìn)步，能夠研制和提供該類機(jī)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(duì)獨(dú)立的3篇文章陸續(xù)發(fā)布，但保留原文圖片及參考文獻(xiàn)的編號(hào)。若想一氣呵成看全文，請(qǐng)關(guān)注《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)（WMEM）》雜志2020年第3期“航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工裝備的性能需求與驗(yàn)收關(guān)鍵技術(shù)”一文。——編者注
航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)性能的永恒主題，這也促使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)越來越集成、設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜。現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(jìn)制造技術(shù)對(duì)相應(yīng)的加工機(jī)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(jìng)爭(zhēng)極為激烈，封鎖與摩擦不斷，我國大飛機(jī)項(xiàng)目和“兩機(jī)”專項(xiàng)的上馬促進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也為機(jī)床裝備的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。數(shù)控機(jī)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(xiàng)目支持，研發(fā)出了五軸葉片銑磨加工中心、葉片拋磨機(jī)床、機(jī)匣五軸銑車復(fù)合加工中心等設(shè)備，工信部與中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)也組織了多次航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)與機(jī)床企業(yè)對(duì)接會(huì)，推動(dòng)“兩機(jī)”專項(xiàng)與數(shù)控機(jī)床專項(xiàng)建立長效對(duì)接機(jī)制，創(chuàng)新協(xié)同模式，加速成果轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研用深度融合[3,4]。我國的高檔數(shù)控機(jī)床基本實(shí)現(xiàn)了由不能做到能做的升級(jí)和跨越[5]，但整個(gè)機(jī)床行業(yè)正向設(shè)計(jì)能力、針對(duì)用戶需求的定制工藝研究及相應(yīng)的機(jī)床設(shè)計(jì)能力還不足[6]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造對(duì)數(shù)控裝備的性能需求有其特殊的地方，機(jī)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(shì)必受到影響。
1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件特點(diǎn)
新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)總共有3萬多個(gè)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(diǎn)具體如下：
（1）零、組件種類眾多
航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)葉片、渦輪葉片以及與之對(duì)應(yīng)的靜子整流葉片，機(jī)匣有風(fēng)扇包容機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣、渦輪機(jī)匣以及分布在它們之間的級(jí)間機(jī)匣，有的整流葉片還與機(jī)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(jī)前段越來越多采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。
圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)爆炸圖
（2）難加工材料多
航空發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用高溫合金、鈦合金、高強(qiáng)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(dòng)機(jī)上。這些材料的加工性極差，對(duì)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(jī)/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(jī)/燃燒室/渦輪/中介機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子組合后葉尖高速磨削和機(jī)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(jí)，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(jī)轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇盤所需要的慣性摩擦焊設(shè)備，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)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(jí)，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(duì)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(cè)設(shè)備，甚至需要多軸多功能復(fù)合加工與檢測(cè)一體的設(shè)備來完成。
（5）多種冷卻小孔
航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃燒室、火焰筒等零組件的冷卻小孔每臺(tái)份多達(dá)數(shù)十萬個(gè)，而且是異形精密群孔，尺寸在?0.1-0.3mm，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(dòng)機(jī)零件的耐磨、防腐蝕、抗疲勞性能，需要采用表面強(qiáng)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(dòng)機(jī)的性能。
2 大型客機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)裝備行程需求分析
市場(chǎng)占有量較大的三類大型客機(jī)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)
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(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司；2. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能制造工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北工業(yè)大學(xué)）； 3. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院。
于建華，男，1985年出生，甘肅臨洮人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件先進(jìn)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(xiàng)國家課題，擔(dān)任全國金屬切削機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員。
參考文獻(xiàn)
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作者：于建華等（詳見文章末尾） 責(zé)編：張芳麗
