航空發(fā)動機零部件精密制造技術

賈麗　郝軍濤　杜改梅

摘 要：航空發(fā)動機關鍵零部件的精密制造技術一直是我國高性能航空發(fā)動機研制的瓶頸。文章深入分析了航空發(fā)動機關鍵零部件的典型制造技術，對精密制坯、高效切削、抗疲勞制造、特種加工以及復合材料構件加工技術進行了總結，并給出了其發(fā)展方向。

關鍵詞：航空發(fā)動機；精密制坯；高效切削；抗疲勞制造

中圖分類號：V262.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0157-04

Abstract： The precision manufacturing technology of the key components of aero-engine has been the bottleneck of the development of high-performance aero-engine in our country. This paper analyzes the typical manufacturing technology of the key components of aero-engine， summarizes the technologies of precision billet making， high-efficiency cutting， anti-fatigue manufacturing， special machining and processing of composite components， and gives the development direction of these technologies.

Keywords： aero-engine； precision blanking； high efficiency cutting； anti-fatigue manufacturing

航空制造集聚了大量的高新制造技術，其制造過程對制造設備、工藝、執(zhí)業(yè)人員素質等要求極高；航空發(fā)動機被譽為飛機的“心臟”，是研發(fā)制造難度最大最頂級的現(xiàn)代工業(yè)造物，其制造技術的進步對航空制造乃至整個制造業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。航空發(fā)動機的設計研發(fā)難度極大，在保證人力及資本投入的情況下，一個型號的發(fā)動機從開始研發(fā)到技術成熟大概需要三十年的時間，為此，美國將航空發(fā)動機技術定義為“一個高技術要求、高準入門檻的領域，它需要以國家的力量充分扶持，需要長時間的技術積累以及巨大的資本投入”。目前，幾大航空強國都將航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)歸為核心技術產(chǎn)業(yè)，對內在新一代航空發(fā)動機研制方面投入了大量的資金和人力，規(guī)劃并實施了一系列技術研發(fā)計劃，如“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術計劃（IHPTET）”、“先進戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機發(fā)動機設計計劃（ATFE）”、英法合作軍用發(fā)動機技術計劃（AMET）及ADVENT計劃等，以此來推進航空發(fā)動機的升級換代；并對外實行技術封鎖。我國目前的航空發(fā)動機技術與世界先進水平差距較大，為解決目前國內航空產(chǎn)業(yè)“外國心”的問題，國家新成立了“兩機專項”，對航空發(fā)動機的研制投入大筆資金用于技術攻關、人才培養(yǎng)以及產(chǎn)業(yè)鏈的形成。

高性能航空發(fā)動機追求的是在極有限的自身重量與工作空間、極惡劣的工作條件下保證長期穩(wěn)定的服役性能，其制造技術要求極高，是一種極端制造情形。為達到高的推重比性能要求，航空發(fā)動機大量采用復雜的整體輕量結構，如空心葉片、寬弦葉片、整體葉盤等，以做到最大程度的減重；同時高性能的鈦合金、高溫合金以及復合材料也大量應用，而這些材料都屬于典型的難加工材料；另外航空發(fā)動機關重件多屬于復雜型面薄壁零件，對加工精度和表面質量的要求極高。這都要求航空發(fā)動機制造企業(yè)需要有大量的、長期的技術儲備才能完成航空發(fā)動機的制造任務。本文將針對航空發(fā)動機零部件的典型制造技術進行闡述和分析。

1 精密制坯技術

航空發(fā)動機設計時應用了大量復雜結構件、各種新材料，其零件的制坯方法也在不斷的更新進步?！敖鼉舫尚巍笔窍冗M精密毛坯制造技術的發(fā)展方向。“近凈成形”指零件毛坯制成之后，不再冷加工或者少量冷加工之后，就可用作最終使用零件的毛坯成形技術。它建立在材料、制造等多學科融合基礎之上，使原有的粗糙毛坯成形發(fā)展為高精度、高效率、輕量化、低成本的成形技術。“近凈成形”的毛坯具有較為準確的輪廓尺寸和較好的表面質量，可以很大程度上減少后期冷加工造成的材料浪費，節(jié)省制造成本?！敖鼉舫尚巍泵鲗⑷〈鷤鹘y(tǒng)的大余量毛坯。航空發(fā)動機制造中應用的精密制坯技術主要有精密鑄造、鍛壓和粉末冶金等技術。

1.1 精密鑄造制坯

精密鑄造，指的是獲得精準尺寸鑄件工藝的總稱。與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，精密鑄造獲得的鑄件具有更加準確的輪廓尺寸精度，更加良好的表面質量。傳統(tǒng)的低壓澆鑄方法存在氧化夾渣、氣孔、縮孔、裂紋等一系列弊端。精密鑄造制坯是鑄造領域主要的發(fā)展方向。單晶葉片精鑄技術是航空發(fā)動機關鍵制造技術之一。目前第二代對開式空心無余量超單晶葉片已經(jīng)在新一代發(fā)動機中被廣泛應用，其制造工藝為定向凝固后時效處理、處理完成后再加防護涂層，不需要冷加工工藝。目前，單晶葉片精密鑄造生產(chǎn)線已在航空企業(yè)中推廣，葉片單邊余量可控制在0.05-0.1mm，單晶葉片鑄造合格率在75%以上。在國外航空制造企業(yè)中，第三代單晶鑄造技術已成功獲得應用，相關技術應用于F119的渦輪葉片上。

1.2 精密鍛造制坯

目前航空發(fā)動機的零部件鍛件毛坯占毛坯總重量的一半以上，精密鍛造技術在航空發(fā)動機制造企業(yè)獲得了重視并被廣泛采用。精密鍛壓技術制造的發(fā)動機零部件的毛坯，具有精確的毛坯外形，可以實現(xiàn)小切削余量甚至無切削余量的空心渦輪葉片、整體渦輪以及其他部件的加工制造。隨著等溫模鍛、超塑性等溫模鍛等先進的鍛造技術的發(fā)展應用，航空發(fā)動機制造企業(yè)已經(jīng)可以制造無偏析超細晶粒毛坯，并批量生產(chǎn)無余量精鍛葉片。

1.3 快速凝固粉末冶金制坯

快速凝固是使液相材料快速凝固成固相材料的技術，它是一種非平衡的凝固過程，冷卻速率大于105K/s，凝固過程中非晶、準晶、微晶和納米晶等亞穩(wěn)相的出現(xiàn)使材料表現(xiàn)出獨特的性能和特殊用途。快速凝固技術可以顯著改善現(xiàn)有合金的微觀組織形態(tài)進而提高其使用性能，另外，還可以研制新型合金。目前，快速凝固技術已在航空發(fā)動機零部件制造中廣泛應用，在某型葉片制造中應用表明，快速凝固技術能有效改善葉片的材料組織性能，進而顯著提高渦輪前溫度，極大地提升了航空發(fā)動機的使用性能。

2 高效精密數(shù)控切削技術

數(shù)控加工技術是目前發(fā)動機零部件毛坯余量去除的主要手段。數(shù)控加工技術在航空發(fā)動機機匣、葉盤、葉片等復雜構件的制造中被廣泛采用。目前發(fā)動機零部件的制造流程主要是通過精密鍛造制坯，然后經(jīng)過多道機加工序得到成品。其關鍵技術為難加工材料的切削、復雜結構加工程序的編制、表面質量的控制、薄壁構件變形控制及誤差補償方法等。

航空發(fā)動機零部件切削加工的難點主要集中在以下幾個方面：（1）難加工材料：目前發(fā)動機部件應用的材料多為典型難加工材料，如高溫合金、鈦合金等。以高溫合金為例，高溫合金材料因在耐熱、強韌、耐腐蝕、抗疲勞方面具有較好的綜合性能而在航空發(fā)動機中有極其廣泛的應用，特別是用以生產(chǎn)耐熱零部件或結構件。但是也正是由于這些優(yōu)良的服役特性，造成了高溫合金的切削過程會產(chǎn)生較大的切削力與切削熱，從而導致加工質量與加工效率的下降。（2）復雜零件結構：航空發(fā)動機內零件，多為復雜型面結構件，數(shù)控編程難度較大。以整體葉盤為例，葉片間通道極為狹窄，使得刀具的刀軸控制非常困難。（3）薄壁結構：為做到最大程度減重，航空發(fā)動機部件中存在大量剛度極低的薄壁件，像葉片、機匣等，這些零件的加工需要極高的加工工藝。這些加工特點造成航空發(fā)動機零部件加工中容易出現(xiàn)以下幾個問題：（1）難以提高加工效率，工件材料難切削、結構剛性弱、易發(fā)生變形等特點，使得工件加工只能采用較低的切削用量，耗費時間長，加工成本高；（2）難以保證尺寸精度，在航空發(fā)動機大量使用的薄壁件加工中易產(chǎn)生彈性讓刀變形，加工后易發(fā)生殘余應力變形，造成尺寸誤差的出現(xiàn)；（3）難以控制表面質量，難加工材料加工過程中切削力熱耦合現(xiàn)象嚴重，另外零件具有深腔薄壁的結構特點，這導致發(fā)動機零部件加工過程中容易發(fā)生顫振、表面灼傷等，損害工件表面質量。由于以上加工難點，高效加工技術、自適應加工技術等的研究和應用是目前的研究熱點。

2.1 高效加工技術

高效加工技術是在保證零件加工精度和表面質量的前提下，優(yōu)化切削工藝，提高材料去除率，從而提高機床利用率和加工效率的一種高性能加工技術。切削的本質是切除毛坯材料余量的過程，因此簡單準確的裝夾、快速穩(wěn)定的材料切除是實現(xiàn)航空發(fā)動機零部件高效加工的關鍵。目前的高性能數(shù)控切削設備多具有功能復合化的特點，這使得工藝人員可以通過合理安排工藝路線，集中相似的加工工藝，進而減少裝夾次數(shù)。這樣一方面可以最大程度上保持切削穩(wěn)定進行，提升工件的加工效率；另一方面也避免了裝夾釋放、再裝夾過程引入的加工誤差。對于加工過程來說，均勻的切削余量分布有利于切削效率的提高，因為面對局部的余量突變，需要降低程序段的加工速度以保證切削載荷的穩(wěn)定。而針對數(shù)控編程，高效切削面臨著切削參數(shù)應用水平低、刀具軌跡難以光滑連續(xù)、刀軸矢量變化劇烈的挑戰(zhàn)。目前多通過加工方式（擺線銑、螺旋銑等）的創(chuàng)新、加工區(qū)域的合理規(guī)劃和基于機床運動特性的運動校核等手段進行解決。

2.2 自適應加工技術

自適應加工技術指零件加工中根據(jù)工件的在位切削狀態(tài)、工件-夾具系統(tǒng)實時狀態(tài)等及時做出工藝調整，以適應當前工況，完成零件高精密加工的技術。自適應加工技術多應用在余量不均的復雜薄壁曲面加工中，如葉片、葉輪、整體葉盤的精加工過程。自適應加工在航空發(fā)動機零部件加工中主要有3種應用方式。一是面向設備，通過軟硬件的技術更新實時監(jiān)測加工過程中設備的狀態(tài)（功率、速度或負載等），并進行調整，以適應當前的加工狀態(tài)；二是面向零件，基于逆向工程，結合測量、建模與修正等技術手段，適應零件輪廓的微小變化，隨其變化而做出調整；三是面向裝夾，在工件-夾具系統(tǒng)未能精確定位的狀況下，通過在位測量等技術，調整工藝適應現(xiàn)有裝夾狀態(tài)，實現(xiàn)工件的高精度加工。

3 抗疲勞制造技術

抗疲勞制造技術是指在原有材料和保證制造精度要求的前提下，通過工藝的改進和革新優(yōu)化工件材料的組織構成和分布、控制工件的應力分布，以提高零部件疲勞壽命的制造技術?？蛊谥圃斓募夹g的主要評價指標是表面質量，主要包括表面粗糙度，表面硬化情況，表面形貌分布，殘余應力狀態(tài)，表面缺陷，金相組織等。抗疲勞制造主要通過優(yōu)化制造工藝控制變質層的生成，使裂紋產(chǎn)生在變質層內，不影響零件基體材料性能；并通過制造工藝改變變質層的材料組織分布以獲得好的微力學性能和表面完整性；通過抗疲勞設計減少零件應力集中區(qū)域從源頭解決應力集中的問題。目前航空發(fā)動機制造中抗疲勞制造主要是采用冷變形技術（滾壓、噴丸、拋光等），使工件表層發(fā)生形變硬化，引入較高的殘余壓應力，進而減少了疲勞應力作用下微裂紋的萌生并抑制其早期擴展，從而顯著提高航空發(fā)動機零件的抗疲勞斷裂和抗應力腐蝕開裂的能力。

4 綠色切削技術

綠色切削技術主要指在加工過程中回收或者降解切削產(chǎn)生的廢氣、廢液和廢渣，達到無公害的環(huán)保要求，對生態(tài)大環(huán)境和加工小環(huán)境沒有危害的切削技術。目前綠色切削主要針對的是加工過程大量使用的冷卻液問題，油基或水基冷卻液在企業(yè)數(shù)控加工中大量使用以降低切削溫度，控制刀具磨損，減小刀具使用量。但是切削液的大量耗費增加了制造成本，會損害工人的身體健康，同時更為嚴重的是廢液的大量排放會造成環(huán)境污染。綠色切削技術的發(fā)展可有效解決這個問題。目前，綠色制造得到了各個國家的重視，綠色切削作為綠色制造的關鍵技術之一，近些年發(fā)展較快。準干式切削技術是最近發(fā)展起來的近無冷卻液切削技術，可有效降低冷卻液使用量。準干式切削又稱極微量潤滑（MQL）技術，它是將極微量的切削油與壓縮空氣混合并霧化后，噴射到刀具-工件嚙合區(qū)，對切削部位進行有效的冷卻。MQL技術在縮減冷卻液使用量的基礎上可以有效降低切觸區(qū)域的摩擦、減小切削熱的生成，進而降低刀具磨損和保證加工質量。

5 特種加工技術

航空發(fā)動機零部件制造領域是特種加工技術應用最廣泛的領域。特種加工技術主要是指用電能、熱能、光能、化學能、聲能等非傳統(tǒng)機械能量實現(xiàn)材料去除或增加的加工方法，又被稱作是“非傳統(tǒng)加工技術”或者“現(xiàn)代加工技術”。特種加工技術主要應用于無法通過傳統(tǒng)的機械冷加工技術實現(xiàn)或者加工成本極高的航空發(fā)動機復雜零部件中的加工。目前，特種加工技術已經(jīng)廣泛應用于航空發(fā)動機零部件制造中，大量用于復雜零部件的孔系加工、難加工槽加工、特種焊接等關鍵工藝上，主要包括電化學加工、電火花加工、激光加工等。

電化學加工技術將數(shù)控技術與電解技術相結合，具有加工過程具有陰極無損耗，無機械切削力等優(yōu)點，對航空發(fā)動機中大量存在的復雜薄壁零件（如通道狹窄的整體葉盤、弱剛度的葉片等）非常適用。目前航空企業(yè)中已經(jīng)普遍采用電化學加工設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)控加工設備來實現(xiàn)復雜薄壁零部件的粗精加工及最終拋光，能夠較好的達到零件型面輪廓尺寸精度及表面質量要求。

電火花加工技術利用脈沖性火花在放電時產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象來去除工件-工具間多余的金屬材料，以達到工件的加工精度與表面質量要求。電火花加工技術由于其無切削力、加工效率高且加工區(qū)域廣等優(yōu)點，被廣泛應用于航空發(fā)動機結構件加工中。目前國內航空制造企業(yè)中的精密數(shù)控電火花成形機床，已經(jīng)可以實現(xiàn)發(fā)動機整體葉盤、閉式葉輪及其他復雜型面的加工，實現(xiàn)對高溫合金、鈦合金等難加工材料的高效穩(wěn)定加工。

6 復合材料結構件制造技術

新一代高性能航空發(fā)動機設計指標不斷提高，大推重比、低油耗、高可靠性是其普遍要求。由于復合材料具有高的比強度、比剛度、服役溫度以及好的抗疲勞性能等優(yōu)點，其廣泛應用成為下一代航空發(fā)動機的主要特征。復合材料是由多種不同組織結構、不同物理化學性能的材料組成多相材料（主要為基體相和增強相）。近年來，復合材料被廣泛應用于航空發(fā)動機制造中，應用較多的主要是金屬基、陶瓷基以及碳基復合材料等。例如碳化硅連續(xù)纖維增強鈦基復合材料TiMMC葉環(huán)的應用，可使壓氣機的結構質量減輕70%；SiC基CMC構件也在F119機型上進行了驗證；國內西北工業(yè)大學研制成功的TiB2/Al復合材料葉片，其重量相當于空心率為33%的鈦合金空心葉片，若進一步采用空心設計，其重量有望達到空心率為45%以上的鈦合金空心葉片，可有效減輕發(fā)動機重量，且任何損傷易于發(fā)現(xiàn)，并使成本下降30%以上。

目前復合材料關鍵制造技術有纖維涂層法、等離子噴涂法、漿料帶鑄造法、箔-纖維法等。一種典型的鈦基復合材料葉片的加工技術如下所述：首先將SiC纖維與鈦絲編織成纖維布，然后將其間隔疊放，根據(jù)葉片厚度不同采用不同的疊放層數(shù)，然后用熱等靜壓法擴散連接制取SiC纖維預制帶；進而將SiC預制帶與鈦合金制成TMC楔型面板，按葉片要求的疊層排序制備毛坯組件，最后采用SPF/DB工藝成形出最終的葉片。

7 結束語

新一代高性能航空發(fā)動機在很大程度上依賴于先進的材料和制造技術，為了提高我國航空發(fā)動機的制造水平，迫切需要在以下幾個方面加強研究和應用。

（1）航空發(fā)動機零部件工藝知識的優(yōu)化與積累。合理的工藝參數(shù)決定了零件加工的效率與加工質量。由于技術管理水平的落后，我國航空發(fā)動機行業(yè)工藝參數(shù)的選取大多是執(zhí)業(yè)人員憑經(jīng)驗采用試錯法進行，缺乏科學嚴謹?shù)墓に囍R積累方法和平臺，這使得成品質量不均勻，提升了廢品率，造成了極大的經(jīng)濟損失。因此，應建立工藝知識的積累機制和專用平臺，建立航空發(fā)動機典型部件、常用材料的制造工藝數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工藝知識的有效積累。

（2）航空發(fā)動機專業(yè)化零件生產(chǎn)線建設。對于結構復雜、制造周期長、生產(chǎn)批量大、制造質量要求高的零件，如機匣、葉盤、葉片等，建立專業(yè)的零件生產(chǎn)線，以解決航空發(fā)動機制造瓶頸問題。形成標準的制造工藝規(guī)范，提高工藝人員的能力，以充分發(fā)揮現(xiàn)有設備的加工能力。

（3）智能制造技術的集成與應用。目前，國家正在大力倡導智能制造，作為制造業(yè)的尖端行業(yè)，在航空發(fā)動機制造過程中應進一步集成感知、處理和反饋裝置，實現(xiàn)對加工過程的監(jiān)控與優(yōu)化。

（4）新工藝的研究和應用。相關科研單位和制造企業(yè)應積極研究新的制造技術，以占領制造業(yè)的尖峰領域。為此，一方面要充分利用現(xiàn)有設備，集成智能制造模塊，升級改造現(xiàn)有設備，提高產(chǎn)品加工質量和效率；另一方面加強一些典型的難加工零件（如整體葉盤、新材料轉子等）的新制造技術研發(fā)，研制新的制造工藝和設備，提高其加工質量和加工效率。

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