航空發動機制造技術探索

■ 中航工業西安航空發動機（集團）有限公司工程技術一級專家、高級工程師

何金梅

航空發動機數字化制造技術發展現狀

數控技術經半個多世紀的深入推廣，特別是CAD/CAM數字化制造核心技術的不斷發展，逐漸成為航空發動機產品制造的主要技術手段之一，使得數控車、銑、磨等通用數控機床替代了普通機床成為航空發動機制造業的主要裝備。同時，為了滿足減少機床和夾具，免去工序間的搬運和存儲，提高加工精度，縮短加工周期等現代機械制造加工的需求，新型復合加工機床如數控車銑復合加工中心、數控五坐標加工中心及高效強力磨削機床等各種高端數控設備不斷涌現。這些高端設備在航空產品的制造中發揮著至關重要的作用。例如：五軸聯動的數控機床能完成整體葉盤的復雜型面的大量切削任務，使發動機葉盤制造技術得到巨大的改進；強力數控磨床利用強力成形磨削一次磨出渦輪葉片的榫槽齒形，使葉片榫槽加工變得簡單、高效。

如圖1所示，作為高端數控的代表的五軸聯動數控加工中心，已成為航空制造的重要裝備，這種機床的5個運動軸在加工工件時能同時協調運動，它們的運動軌跡是通過一個非常復雜的計算過程得到的，因此五軸聯動數控系統是該類設備的核心，國內在五軸聯動的軟件開發方面尚不成熟，而國外再此方面具有絕對優勢的就是“西門子”數控系統。五軸聯動數控機床中2個回轉軸的展現方式有立臥轉換式和搖籃式，特別適合用來加工及幾何形狀復雜的零件，在加工較深、較陡的型腔時，可以通過工件或主軸頭的附加回轉及擺動為立銑刀的加工創造最佳的工藝條件，并避免刀具及刀桿與型腔壁發生碰撞，減小刀具加工時的抖動和刀具破損的危險，從而有利于提高零件的表面質量、加工效率。

圖1 五坐標臥式加工中心高速切削

切削加工一直是航空發動機關鍵重要部件的主要制造手段之一，依托先進的加工裝備不斷在傳統的切削加工方法的基礎上進行改進和創新。近30年來，我國航空發動機制造企業緊跟世界航空制造技術的發展趨勢，不斷更新、改善自身的制造裝備，使通用數控設備的普及率達80%以上，完成了從傳統的機械加工技術向數字化制造技術進行轉變的初級階段。隨著刀具、驅動、控制等技術的不斷進步，高端數控設備在航空制造企業中不斷得到了科學的應用，五軸聯動數控加工中心、高精密復合機床正逐步替代由20世紀90年代中后期引進的三軸聯動的加工中心和高速銑床等，高端數字化裝備得到大力推廣和有效利用，成為航空發動機關鍵零部件制造生產的有力武器和新生力量，為現代航空制造技術的快速發展起到了助推作用。

如今，數字化制造技術的應用已開始打破局限性和片面性的狀況，已延伸到產品設計、制造和管理過程中，借助計算機網絡、數據庫和多媒體等支撐技術，將最終實現數字化加工車間和數字化工廠的生產模式。

航空發動機制造技術的新工藝與新裝備

為了確保發動機的可靠性和提高推力，高性能發動機研制采用大量的新材料、新結構，對制造工藝要求也進一步提高，相繼研發出了一系列高性能航空發動機關鍵制造技術，比如：輕量化、整體化結構制造技術、寬弦風扇葉片制造技術及整體葉環制造技術等。

跟蹤世界航空關鍵技術發展形式，圍繞新結構、新材料、新工藝的應用方面以及特殊工藝的總體要求，航空發動機制造技術將大量依靠高速精密加工中心、重型數控設備、高端立臥車銑復合加工中心、特種工藝設備、航空發動機關鍵零件高效精密磨削設備及自動生產線等新型設備和裝置。

近年來，特種加工技術已在各個制造領域展現其優勢，特別是在復雜構件的型腔、型面及微孔的加工中具有顯著優越性，能輕易解決常規加工很難解決的問題，比如電加工、激光加工、電子束加工、電火花加工及高壓水射流切割機等特種加工技術已在科研和生產中發揮了積極的作用。

（1）電加工技術以其特殊的加工特性用以解決傳統加工手段不能或難以解決的制造難題，是實現難加工材料和精密零件加工的有效手段。如2圖所示渦輪機葉輪的3維幾何通道在過去是不能制造的，通常在五聯動的銑床上僅能對開放的這種類型進行加工制造，對于不開放的極端螺旋幾何通道是不能加工的，但是現在有6軸以上的電火花成型機床就能加工了。目前電加工技術主要應用在工作葉片氣膜孔、端孔，整流葉片內筋通孔，火焰筒的群孔，葉片榫槽等細微深孔及異形孔、槽的高效精密的加工中。

圖2 整體葉輪

（2）針對航空發動機零部件中無法通過機械加工實現或者機械加工成本極高的型面、型槽的加工，通過電化學加工設備可以實現難加工材料、復雜型面的精細加工，且無重熔層，表面完好性好。目前國際普遍采用電解加工設備代替傳統機械加工設備來實現整體葉盤、葉片的精粗加工及電解拋光，達到整體葉盤葉片、葉輪的葉片型面輪廓尺寸及表面粗糙度的工藝要求。如圖3所示，用電解方法加工的渦輪轉子及整體葉輪，工件材質為高溫合金，采用套料加工方式，葉盆、葉背一次加工成形，葉片精度值0.1mm，表面粗糙度值Ra=0.8μm，每個葉片加工僅需幾分鐘時間。電解套料加工已成為航空、航天領域優先的工藝方法之一。

圖3 渦輪轉子

（3）激光加工技術廣泛的應用于航空發動機零部件的制造與維修中，激光加工設備主要以制孔和切割兩大類為主流，應用于航空發動機葉片類、燃燒室等零件的打孔、切割加工。例如DMG公司生產的五軸激光打孔機，主要用于航空燃氣機輪構件內膜冷卻空氣孔的加工，加工精度高，效率高，適應性強。目前激光加工技術將開發和研制的激光焊接、激光熔敷、激光強化、激光熱處理以及激光3D打印等新型技術與設備正逐步應用到發動機零部件的制造與維修中，如圖4 所示發動機的風扇葉片采用激光沖擊強化技術可增加其使用壽命，壓氣機、燃燒室及渦輪等零部件的制造主要采用激光制孔、激光切割、激光焊接來完成，可提高零部件的加工效率與加工精度。

特種加工技術在航空制造業中已突破了傳統機械切削加工的瓶頸，在提高加工能力、產品質量、生產效率和經濟效益的提升方面顯露出巨大的優越性，是航空制造技術不可缺少的關鍵技術。

我國航空發動機數字化制造發展展望

美國、歐洲、日本等在航空發動機新產品研制中都全面應用了以敏捷制造、精益制造和虛擬制造、復合高效加工及自適應控制為代表的先進數字化制造技術，大大縮短了產品制造周期。inchinnan工廠是羅·羅公司的專業化航空發動機壓氣葉片制造廠，其產品的生產過程體現了先進制造技術理念，所有產品工藝在正式投入生產之前，都要采用生產線仿真技術進行模擬，確保生產線穩定安全運行；標準的數控加工制造單元，如機器人手臂、標準化工裝、測具及刀具、待加工零件與工序的柔性自適應制造工藝與數控加工程序等，可以準確無誤的自動實現零件的裝夾、找正、周轉、測量數控加工及零件在不同制造工區的周轉，并通過系統集成、規范數據結構，能夠與羅羅公司總部產品設計部門實現實時的溝通并參與產品設計決策過程。相比之下，我國的航空發動機制造企業在數字化技術的應用范疇比較分散，在深度和廣度上有待進一步的突破。

隨著航空發動機制造技術的不斷創新，各種加工機床或設備也隨之在功能、精度、效率及剛度等方面取得重要改進，并不斷推動航空制造技術發展。但我國現在還是大量依賴國外進口的高端設備來完成航空發動機關鍵部件的生產加工，這也說明我國的機床設備制造行業在研發和創新方面能力不夠。由于國內外技術水平的差異，在實際生產中，進口設備存在關鍵技術封鎖、先進功能得不到有效的利用和開發、設備維護成本高等問題，如果長期依賴進口設備，那么我國航空制造技術的發展就會很被動，因此我們應該努力追蹤航空發動機制造技術，拉動國產裝備制造水平。

結語

當前，我國在航空發動機數字化制造技術方面具備了一些經驗和基礎，但是與國際先進的航空發動機制造企業相比，還是有很大的差距。我們要以適合于我國國情的自主研發為主，積極借鑒國外發達國家數字化制造技術的成功經驗，大力發展我國航空發動機制造業，使我國盡快躋身于世界航空發達國家之列。