數控機床在航空發動機制造的應用探究

郝 斌，張振興

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧沈陽 110015）

0 引言

航空發動機作為飛機的重要組成部分，是確保飛機是否完成順利飛行的關鍵。近年來，越來越多的國家將資金和人力投入到飛機發動機的研究和制作中，試圖研究出更高性能的航空發動機，更好地展現自身的科技水平和綜合國力。當前航空發動機按照用途主要分為民用航空發動機和軍用航空發動機。民用飛機展現的是一個國家的科技水平和綜合國力，其中采用的大涵道比渦扇發動機更是制造業中的靈魂技術所在。利用大涵道比渦扇發動機制造出來的產品價值遠遠高于電器、汽車制造等行業，可以為國家創造巨大的經濟效益，同時還是一個國家進行外交的重要政治籌碼。軍用飛機在戰爭時期是決定戰爭勝敗的關鍵因素，而在現階段則是促進國民經濟和科技發展的重要助力，集中體現了一個國家工業基礎、科技水平和綜合國力，能夠為一個國家的發展提供強有力的保障，當前航空發動機研發技術已經成為諸多國家關注的重要技術之一。

當前許多國家能夠獨立生產飛機、坦克、核彈或火箭，但是只有美國、俄國、英國和法國能獨立制作航空發動機。相比于這些技術發展成熟的國家，我國在技術上還存在很多不足之處，未來我國將一直致力于研發并提高航空發動機技術。

1 數控機床的特點

第四次工業革命的到來，改變了傳統制造業的生產模式，傳統的工廠已經不滿足不了日益增長的生產需求，新型的現代化智能工廠應運而生。數控機床成功替代了傳統機床的生產工藝，大大提高了生產線的效率，改善了產品精度，提高了產品質量，使得產品擁有了更高的市場競爭力。數控機床的特點主要有如下4 點。

（1）精度高。普通機床的加工精度一般能夠達到微米級，而數控機床的加工精度更高，可以達到納米級。精度的提高能夠保證航空發動機零件的生產需求，同時還可以保障生產產品的總體合格率。

（2）連續加工多道工序。航空發動機是由多種內部零件構成，因此在加工的過程中會涉及到多道工序。對于普通機床來說，只能在生產線上完成一道工序，通過嚴格的審查后可能還要進行返工，人工重新找準定位，需要耗費很多周轉時間。但是數控機床只需要進行一次定位、更換相應的刀具，就可以直接進行航空發動機零件的生產，大大提高航空發動機零件的生產效率。

（3）允許大切削量。數控機床具有軸速快、移動快的重要特點，且內部要保持封閉狀態。航空發動機機匣尺寸大、切削量大，滿足生產航空發動機內部的零件的條件。

（4）產品質量穩定。數控機床在啟動前會設置設備程序，只要程序不發生改變，設備硬件設施不發生改變，那么就會生產出幾乎沒有變化的零件。在保證人為誤差的前提下，只要將設備調試完好，就能確保生產的航空發動機零件的合格率。

2 數控機床在航空發動機制造過程中的應用現狀

在第四次工業革命后，我國的數控技術經歷了半個多世紀的發展和推廣，CAD/CAM 制造技術不斷發展和成熟，已經成為制造航空發動機產品的重要技術手段，普通機床已經退出歷史的舞臺，而帶有磨、數控車和銑的數控機床逐漸成為制造航空發動機產品的重要設備。盡管數控機床的優勢顯而易見，但是其內部構造復雜，也存在一些問題，主要分為以下3 個方面。

（1）花費成本高昂。引入數控機床來生產航空發動機，會在前期投入大量的成本，在使用期間還要投入大量的人力和資金，還要花費維護設備的資金，這是傳統的機床無法與之相比的，盡管生產效率得到了有效提高，但是投入的經濟成本較高。

（2）操作人員基數水平不夠。對于傳統機床來說，操作人員僅僅學會最簡單的理論知識和基本操作便能夠順利的對整個機床進行一系列的操作，但是數控機床與傳統機床的操作方法有著很多的不同之處，不僅要準備大量的前期工作，進行相關的程序編制，而且還要求操作人員把握好整個設備的操作流程和內部結構，才能夠順利保障數控機床的順利生產。但是在實際的操作中，操作人員的技術水平并不到位，對于設備操作不熟悉很容易造成人為誤差，生產出來的零件自然達不到標準，而且設備后期還需要引入相應的維護人員，生產企業不僅需要花費時間和資金培養高知識水平的操作人員，還要花費更多的資金進行后期設備的維護。

（3）精度達不到零件要求。航空發動機內部含有多種零件，每個零件對于精度的要求也是不同的，對于精度要求不高、工序步驟少的航空發動機零件，可以使用傳統機床進行定位，經驗豐富的操作人員便可以完成零件的生產和加工。但是對于精度高的發動機零件來說，如果因為機器的一點偏差，不僅會影響到整個發動機的性能，同時還會影響到整架飛機的飛行。發動機材料、結構和工藝的復雜性與其高精度制造之間形成了一對矛盾，成為制約我國發動機零件生產的重要瓶頸，這就要求我國的零件生產企業不斷提高數控設備的生產精度，從而有效推動我國航空領域的發展。

3 提高航空發動機性能的有效措施

為了滿足民用飛行和軍用飛行的種種需求、提高我國航空發動機的性能，可以從以下4 個方面入手。

3.1 開發新概念的航空發動機

軍用飛機和民用飛機的用途不同，為了更好地滿足這2 種需求，我國應當充分重視新型發動機的發展，加大資金、人力和物力來研發新概念的發動機，為未來的航空事業奠定堅實的發展基礎。目前很多新型航空發動機不斷被研發出來，如波轉子發動機、渦輪沖壓發動機、智能發動機，未來這些發動機可能會成為航空發動機發展的熱點。當然，應用這些新型發動機的前提是確保我國制造技術朝著更成熟的方向發展。

3.2 使用新型材料和新型結構

目前的航空發動機應用了不同的內部結構和材料來滿足航空飛行的要求，如使用夾層結構、整體結構、空心結構、耐高溫結構等新型結構，而且也開始使用陶瓷基復合材料、新型單晶高溫合金、高溫鈦合金等新型材料，這不僅能夠有效降低航空發動機的總體質量，延長航空發動機的使用壽命，增強可維修性，同時還可以提高航空發動機的總體性能。

3.3 采用先進的制造模式和工藝技術

基于新理念的制造模式和工藝技術是為了給我國航空發動機技術的發展夯實基礎。當前新型的制造模式和工藝技術主要分為以下4 個方面。

（1）開啟智能化的制造模式來進行工藝革命。智能制造是指通過計算機來模擬專家的判斷推理、理論分析和構思、決策等智能行為，有機的將這些智能活動與智能機器融合在一起，這樣可以有效減少研發專家的腦力勞動，同時也能有效提高航空發動機零件的生產效率。在航空發動機零件的生產和裝配的過程中，應用智能制造模式可以減少零件的生產時間、有效避免人為誤差，是當前乃至未來航空企業需要重點發展的方向。

（2）通過增材制造技術來改變傳統的工藝制作路線，這種技術主要是指基于數字模型將金屬和復合材料在特定的位置制成凈零件的技術，也常被稱為3D 打印技術。這種新興的前沿技術改變了原有的工藝路線，能夠直接制作出復雜結構的零件，不僅能簡化工藝流程，提高零件性能，同時還能夠大大提高零件反應速度，目前已經被用于先進發動機噴嘴等零件中。隨著應用范圍的逐漸擴大，增材制造技術一定能成為制造先進發動機的重要工藝之一。

（3）傳統工藝大多遵循的是結構完整性的制造理念。發動機的結構完整性主要是指關系到安全使用、使用費用和功能的結構強度、剛度、振動、損傷容限及安全壽命等發動機所要求的結構特性的總稱。在對發動機進行設計、制造、使用和維護的系列操作中，制造技術的高低直接決定了航空發動機內部結構的完整性。在確保發動機結構完整性的前提下，在制造技術和測試驗證技術的共同作用下，可以有效改進制造技術，促進制造技術的快速成熟。

（4）隨著微納米制造技術的不斷發展，制造技術的應用范圍變得越來越寬。微納制造技術一般指微米、納米級（0.1～100 nm）的材料、設計、制造、測量、控制和產品的研究、加工、制造以及應用技術，當前微納制造技術主要包括加工精度和加工尺度2 個方面的內容，當前主要被應用于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）、碳納米管材料、仿生結構、傳感器等器件的制造。利用微納制造技術不僅可以生產出高精度的元器件和零部件，還能在一定程度上提高航空發動機的總體性能。

3.4 建立優秀人才隊伍

人才是一個企業發展的動力源泉，面對發動機制造市場的激烈競爭，確保優秀的人才隊伍才是制勝的關鍵所在。無論是冷加工還是熱加工，只有優秀的人才才能夠確保航空發動機的性能優異。目前我國發動機制造行業的人員操作水平層次不齊，缺少高層次科技人才，也沒有充足的技術骨干力量，嚴重制約了航空動力的發展。為了能夠研制出更高性能的飛機，實現我國成為航空大國的目標，航空企業應當重視人才的重要性，一定要將人才用到實處，還要加大力度引進人才，將其培養成優秀的技術骨干。

4 結束語

制造高性能的航空發動機，勢必要掌握先進的制造技術，材料和工藝的進步直接關系到發動機技術的發展。因此，我國應當嚴格遵循航空發動機研制的規律，制定出符合我國根本國情的航空制造計劃，不惜人力、物力和資金的投入，開展高性能航空發動機的制造研究。只有掌握先進的研發技術，不斷突破制造航空發動機的阻礙，積極學習國外航空強國的先進的制造技術，結合我國當前航空發動機行業的實際研發情況，不斷進行工藝創新，堅持科學的工藝管理理念，以先進的數控機床技術作為支撐，不斷提升我國航空發動機制造工藝的技術水平，打造出獨具特色、滿足航空需求又能適應我國國民經濟發展的工藝體系。