航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工技術(shù)及裝備

沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 楊金發(fā)　李家永　楊楠

航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工技術(shù)及裝備

沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 楊金發(fā)李家永楊楠

先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)除了先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，其性能的提高在很大程度上通過采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝來實(shí)現(xiàn)，而材料和制造技術(shù)的貢獻(xiàn)將占到50%～70%。航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料與制造技術(shù)向著高溫化、復(fù)合化、輕量化、整體化、高效率、低成本的方向發(fā)展。主要有以下特點(diǎn)：

（1）材料的耐溫水平、強(qiáng)度水平越來越高，部件的承溫承載能力越來越高，超高溫合金材料和尖端制造技術(shù)不斷突破，使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提升（見圖1）。

（2）新型整體結(jié)構(gòu)、高可靠性輕量化結(jié)構(gòu)和精密、高效、低成本制造技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)部件質(zhì)量越來越輕。

（3）復(fù)合材料及其構(gòu)件制造技術(shù)出現(xiàn)重大突破，將是第五代發(fā)動(dòng)機(jī)及未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主流技術(shù)。

（4）先進(jìn)涂層技術(shù)和特種制造技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，也是第五代發(fā)動(dòng)機(jī)及未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展方向。

圖1　渦輪盤

先進(jìn)數(shù)控機(jī)床工具

隨著航空產(chǎn)品的不斷升級，航空新材料不斷快速發(fā)展，特別是目前航空領(lǐng)域高精尖產(chǎn)品如航空發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用鈦合金、耐熱合金等難加工材料及復(fù)合材料等難加工材料的現(xiàn)狀，這對推動(dòng)和促進(jìn)航空用刀具的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用，迫切要求加工技術(shù)進(jìn)一步提高。

1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)刀具技術(shù)需求及發(fā)展趨勢

刀具作為切削加工的主體之一，在解決航空材料的加工難題中起著至關(guān)重要的作用。先進(jìn)的航空產(chǎn)品要求航空零件具有更優(yōu)異的性能、更低的成本和更高的環(huán)保性，而加工工藝要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重復(fù)精度和可再現(xiàn)性。

航空鈦合金、高溫合金零件難切削的工件材料，復(fù)雜而薄壁的形狀，高精度的尺寸和表面粗糙度要求，同時(shí)大的金屬去除量等特點(diǎn)，對切削刀具的高效、精密、安全性等提出更高的要求。傳統(tǒng)刀具已不能滿足現(xiàn)代先進(jìn)高效加工的要求，刀具行業(yè)進(jìn)入了“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現(xiàn)代刀具生產(chǎn)新格局（見圖2、圖3）。

新型航空材料不斷涌現(xiàn)，如彌散強(qiáng)化鈦合金、粉末高溫合金材料大量被應(yīng)用?，F(xiàn)代先進(jìn)加工技術(shù)對高速、高效、高精度加工的要求使得硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金剛石刀具的應(yīng)用比例大幅提高。

深入研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件材料，包括各類高溫合金、鈦合金材料的切削機(jī)理和切削加工性能，有針對性開發(fā)系列的高性能專用刀具材料。滿足航空行業(yè)典型的粉末高溫合金、鎳基高溫合金、鑄造高溫合金、鈦合金等難切削材料的加工需求。

針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，包括渦輪機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、渦輪盤、風(fēng)扇盤、長軸、葉片、葉輪等典型零件有針對性開發(fā)一系列的高效精密刀具產(chǎn)品，包括車、銑、鉆、拉、鏜削加工等刀具產(chǎn)品。刀具技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)應(yīng)著眼于建立刀具學(xué)科分析模型和多學(xué)科優(yōu)化模型，開展系列刀具的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究。

刀具質(zhì)量穩(wěn)定，刀具精度高，可轉(zhuǎn)位數(shù)控刀片各批次產(chǎn)品尺寸精度分散性能控制在一定范圍內(nèi)，成形刀具精度應(yīng)能完全滿足加工部位要求。

能針對渦輪機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、渦輪盤、風(fēng)扇盤、長軸、葉片、葉輪等典型零部件，提供完整的刀具配套和解決方案。

2. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工對數(shù)控設(shè)備的需求

航空制造業(yè)對零件加工精度和效率日益提高的需求不斷推動(dòng)機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，是機(jī)床產(chǎn)品創(chuàng)新的源源動(dòng)力。高速高精度加工中心、復(fù)合加工和多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)都與客戶需求密切相關(guān)。機(jī)床的發(fā)展方向如下：

（1）自動(dòng)化程度高，即要求設(shè)備具有數(shù)字化和前沿性的特征，軟件功能強(qiáng)大，自動(dòng)化程度高。

（2）高度集成性，附加設(shè)備少，設(shè)備高度集成，能夠?qū)崿F(xiàn)工藝復(fù)合。

（3）柔性化，設(shè)備通用程度高，生產(chǎn)適用性強(qiáng)。

（4）高精度、高效率、智能化，設(shè)備需具備精度高，技術(shù)成熟度高等特點(diǎn)。

（5）高穩(wěn)定性，精度保持時(shí)間長，故障率低。

三、四、五軸加工中心、數(shù)控車床加工中心、各種磨削設(shè)備、各種精鍛設(shè)備、各種鑄造設(shè)備、特種電加工設(shè)備、復(fù)合加工中心（車銑、銑車）、葉片加工中心及磨削中心、特種電加工設(shè)備、激光加工及強(qiáng)化設(shè)備以及零件表面處理設(shè)備是航空制造中必須的設(shè)備。如圖4、圖5所示。

圖2　模塊式刀具系統(tǒng)

圖3　帶內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)的新型高性能刀具

3.數(shù)控設(shè)備發(fā)展趨勢

（1）復(fù)合機(jī)床功能強(qiáng)勁，成為機(jī)床門類中的重要組成部分。精度穩(wěn)定性與保持性——溫升的抑制與控制技術(shù)日益得到重視并取得進(jìn)展。高效與自動(dòng)化——雙主軸、多主軸、多刀塔機(jī)床發(fā)展迅速，智能技術(shù)深入發(fā)展。復(fù)合機(jī)床以其強(qiáng)大的復(fù)合功能贏得了越來多客戶的關(guān)注，贏得了越來越大的市場份額。市場需求成為復(fù)合機(jī)床廠新發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，銑車復(fù)合、車銑復(fù)合、車銑磨滾齒復(fù)合、激光切割與沖剪復(fù)合等具有多工序、多工藝復(fù)合的復(fù)合機(jī)床，成為現(xiàn)代機(jī)床系列的重要組成部分。

（2）在現(xiàn)代制造業(yè)對機(jī)床加工精度提出更高要求形勢下，越來越多的機(jī)床企業(yè)對機(jī)床精度的穩(wěn)定性給予了高度重視。在影響機(jī)床工作精度和穩(wěn)定性的多種因素中，環(huán)境和自身溫升的影響是重要的一環(huán)。針對這種認(rèn)知，很多機(jī)床企業(yè)采取多種技術(shù)措施，取得了很好的效果。機(jī)床制造企業(yè)對精度的追求已經(jīng)不局限于出廠精度檢驗(yàn)單上的靜態(tài)精度，對機(jī)床動(dòng)態(tài)精度改善的努力正成為競爭的一個(gè)非常重要的因素。

圖4　車銑復(fù)合加工機(jī)床

智能技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的前沿技術(shù)，智能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，使機(jī)床改變了原有的面孔，具備有感知、會分析思考、能主動(dòng)應(yīng)對處理加工過程中出現(xiàn)的變化、能夠主動(dòng)對復(fù)雜問題進(jìn)行處理等智能技術(shù)。使得人機(jī)關(guān)系更加融洽和友好，并推動(dòng)機(jī)床自動(dòng)化水平進(jìn)入到更高的階段。

智能技術(shù)的發(fā)展主要集中在兩個(gè)方面：一是加工過程中對變化因素的實(shí)時(shí)處理。通過數(shù)控系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、專用軟件，提供編程、機(jī)床調(diào)整、加工、操作、維護(hù)等智能化的幫助與指導(dǎo)。二是具有智慧與技術(shù)的內(nèi)涵。隨著數(shù)控設(shè)備越來越多地被應(yīng)用到航空零件的生產(chǎn)中來，航空零件的加工能力得到了明顯的提高，航空典型零件如機(jī)匣、葉片等都能夠使用數(shù)控設(shè)備加工完成，這些復(fù)雜型面采用普通設(shè)備是很難加工的。

雖然零件的加工能力有所提高，但數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用水平還有待提高，不論是編程技術(shù)還是加工技術(shù)都還有許多提升的空間。數(shù)控設(shè)備高級功能的開發(fā)，提高數(shù)控設(shè)備的加工效率，最大限度地發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的優(yōu)越性是提高加工技術(shù)水平的必由之路。機(jī)床工具企業(yè)應(yīng)以典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的工件材料和加工工藝入手，深入研究各類難加工材料的切削性能、對刀具的要求及未來發(fā)展方向；掌握典型零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝方法等等。通過產(chǎn)、學(xué)、研、用聯(lián)合開發(fā)模式，建立并完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件高精、高效加工的刀具研發(fā)、加工工藝研究以及刀具應(yīng)用的綜合性高效研發(fā)平臺。

圖5　五坐標(biāo)加工中心

典型零件的高效加工

典型零件的高效加工技術(shù)是一種技術(shù)復(fù)雜涉及面廣泛的系統(tǒng)工程，我們應(yīng)對毛坯狀態(tài)、刀具幾何參數(shù)、裝卡方式、走刀路徑、切削用量等工藝條件進(jìn)行全面優(yōu)化。采取有效減小加工變形的工藝措施，消除各種工藝條件對變形的影響。

（2）優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)剛性的同時(shí)，還要根據(jù)對加工薄壁件所用的刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)。刀具試驗(yàn)要接近于生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)，努力提高金屬去除率，延長刀具壽命。選擇好動(dòng)平衡刀柄，減少振動(dòng)源，調(diào)節(jié)刀具懸伸，實(shí)現(xiàn)高效加工。

（3）在刀具的選擇上，合理選擇與被加工零件在力學(xué)性能、化學(xué)性能、物理性能相匹配的新型高效刀具。優(yōu)化刀具幾何參數(shù)；優(yōu)化走刀路徑和刀位，通過試驗(yàn)優(yōu)化切削用量，既要提高金屬去除率，又要有合適的刀具壽命。采用刀具動(dòng)平衡技術(shù)及高效冷卻技術(shù)，能夠有效地提高零件加工質(zhì)量。通過加強(qiáng)對新型切削材料、新型刃具結(jié)構(gòu)、新型切削技術(shù)的研究，做好刀具管理必將不斷提升高效加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域?qū)C(jī)床工具發(fā)展的建議

（1）以點(diǎn)帶面，提升基礎(chǔ)。專項(xiàng)研究不但要兼顧主機(jī)和最終產(chǎn)品，還要夯實(shí)機(jī)床相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造理論。對基礎(chǔ)共性技術(shù)進(jìn)行研究，提高機(jī)床工具核心競爭力。

（2）重點(diǎn)突出，突破。航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的裝備種類很多，可以集中在典型零件和機(jī)床上進(jìn)行研究，突破這些零件加工技術(shù)，其他零件均可采用。

（3）做好售后，實(shí)現(xiàn)共贏。機(jī)床工具企業(yè)應(yīng)積極做好售后服務(wù)，實(shí)施“交鑰匙”工程。了解客戶需求，聽取客戶反饋意見，掌握世界先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)制造出精品，與客戶共贏。

結(jié) 語

我們要以加快新一代信息技術(shù)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)融合為主線，推進(jìn)智能制造。以滿足國防建設(shè)對重大技術(shù)裝備需求為目標(biāo)，強(qiáng)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力建設(shè)，促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工技術(shù)不斷提升?！?/p>

作者簡介：楊金發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心，高級工程師。 主要從事高性能數(shù)控加工技術(shù)、整體葉盤加工技術(shù)，切削數(shù)據(jù)庫開發(fā)等研究工作。發(fā)表科技論文10余篇。