發動機裝配檢測一體化系統設計與關鍵工藝

李 迪 趙 源 房建國 韓海濤 劉 勇 徐昌語

(北京航空精密機械研究所 精密制造技術航空科技重點實驗室，北京 100076)

1 引 言

目前，我國在役和在研航空發動機普遍存在整機振動問題，發動機質量、壽命、可靠性難以得到保證[1]。發動機振動的根源在于核心機。核心機是航空發動機最重要的部件[2]，由壓氣機、渦輪、燃燒室等構成[3]。壓氣機分為靜子與轉子兩部分[4]，屬回轉體類多級構件，通過堆疊裝配而成[5]，是發動機裝配中最關鍵的工序，其技術難度最大、耗時最長[6]。由于靜轉子的同軸度超差問題而導致的發動機振動故障，占航空發動機故障總量近三分之二[7]。因此，解決發動機裝配問題的關鍵，就在于攻關靜子與轉子裝配工藝，即有效保證靜轉子同軸度。為解決這一難題，國外專門開發了航空發動機裝配檢測一體化系統，在專用平臺上進行發動機靜子、轉子裝配，通過自動化檢測手段的運用[8]，實時檢測裝配面狀態，預測裝配效果，通過在線指導最優化裝配操作，及時修正、補償裝配誤差，有效保證航空發動機裝配質量與合格率。

國外主要航空發動機生產商均已在發動機裝配環節采用裝配檢測一體化系統及技術[9]，如圖1所示。系統的主要技術指標，如表1所示。系統主要針對發動機靜子與轉子的端跳、徑跳、同軸度、裝配相位等指標進行檢測，通過多測頭同步測量，一次性獲取參數量值。經系統分析評價，能夠指導多級裝配操作，消除靜轉子堆疊后產生的“曲軸”或“香蕉軸”等異常狀態[10]。

(a) EAS系統 (b) Aerospect SPS系統 (c) iMAP系統圖1 國外的航空發動機裝配檢測一體化系統Fig.1 Overseas integration system of aeroengine assembly and inspection

與國外先進水平相比，我國在發動機裝配過程檢測的理念、方法、裝備、工藝上全面落后，國內對于發動機裝配的重要性還未充分認知，從事相關研究的科研院所極為稀少。如圖2(a)所示，為某主機廠引進的RPI公司系統，由于發動機設計與裝配工藝脫節，且系統操作復雜，故長期閑置。如圖2(b)所示，為某主機廠自制的小型裝配檢測平臺，采用分度臺與表架的簡易結構，系統精度低，使用不便。如圖2(c)所示，為哈爾濱工業大學研制的系統；其指標接近國外水平，但在多級裝配指導能力、可靠性等方面仍存在差距。

表1 國外系統的主要技術指標

(a) 引進系統 (b) 簡易平臺

(c) 國內自研系統圖2 國內的航空發動機裝配檢測一體化系統Fig.2 Domestic integration system of aeroengine assembly and inspection

綜上所述，在發動機裝配流程中貫徹精密檢測的理念與方法，是突破國產航空發動機制造技術瓶頸的關鍵。而技術突破的基礎，亟待開發具有高精度、高可靠性、高易用性、可定制特性的國產發動機裝配檢測一體化系統。

2 系統設計

2.1 總體方案

發動機裝配檢測一體化系統用于發動機靜轉子裝配工序中，采用多測頭在線監測裝配過程，針對發動機靜轉子的裝配定位精度進行快速測量，通過建立裝配參數檢測數據庫、數據開放及數據互聯，能夠對發動機靜轉子的裝配工藝進行有效指導與實時校正。系統能夠為提高發動機靜轉子裝配工作效率、優化組件系統性能提供準確可靠的科學數據，能夠提升裝配體的裝配精度與裝配一致性，從而確保發動機靜轉子裝配的合格率與可靠性。

系統主要功能如下：

(1)靜轉子參數測量：在發動機靜轉子裝配過程中，通過氣浮轉臺的回轉，動態測量各級靜轉子安裝面的端跳、軸跳、同軸度等指標。

(2)靜轉子裝配平臺：通過氣浮轉臺軸系的鎖緊定位，能夠在系統平臺上完成發動機靜轉子裝配操作。

如圖3所示，系統由下列單元模塊構成，包括：花崗石基座、高精度氣浮轉臺、調心臺、快速夾具、測試夾持裝置、傳感器、自鎖模塊、控制系統、數據處理系統等。

圖3 航空發動機裝配檢測一體化系統總體設計Fig.3 Overall design of integration system of aeroengine assembly and inspection

2.2 核心部件設計

高精度氣浮轉臺是發動機裝配檢測一體化系統的核心。由于系統對于轉臺的角回轉誤差要求極高，因此，氣浮轉臺采用大浮板結構設計，利用超精密大平面保證角回轉精度，同時具備大承載能力和高剛度特性，確保系統的高精度與高穩定性。氣浮轉臺主要由上止推軸承、浮板、下止推軸承、徑向軸承和主軸等組成，如圖4所示。

圖4 高精度氣浮轉臺結構Fig.4 Structure of high-precision aerostatic rotary table

氣浮轉臺采用氣體靜壓軸承，實現極高的精度。通過結構最優化設計、節流器參數與工作間隙優化選擇等設計方法的系統性綜合運用，設計了氣浮轉臺的技術指標，如表2所示。

表2 高精度氣浮轉臺設計指標

2.3 控制系統架構

系統采用開放式架構，硬件核心采用“上位機(人機終端)+下位機(數據同步及數據采集系統)”結構，如圖5所示。能夠滿足系統的實時性、快速性要求，同時為操作和配置提供靈活性，便于系統升級維護。其中，上位機實現系統管理功能，以及傳感器信號分析與結果評價；下位機實現裝配參數測量、位置姿態反饋及數據同步功能。

2.4 數據采集與數據同步

系統開發了多通道數據采集系統，用于多傳感

圖5 控制系統架構Fig.5 Control system architecture

器集中管控、信號同步與前置處理，以及與上位機的實時通訊。同時，針對傳感器的電氣接口與通信協議，開發傳感數據實時讀取、調理的專用接口模塊，實現傳感器信號的動態采集與處理，并向上位機軟件實時傳輸有效數據。

傳感器數據與角位置反饋數據經疊加處理后，輸出帶角度信息的數據，這就需要進行信號同步控制，建立傳感器位移量與氣浮轉臺角度位置量的匹配數據庫，保證傳感器信號與角位移信號實時一一對應，實現測量數據的實時跟蹤顯示。因此，開發數據同步模塊，向傳感器和角位置感應器發送同步脈沖，緩存記錄傳感器數值與角度位置反饋值，如圖6所示。

圖6 數據同步實現原理Fig.6 Principle of data synchronization

2.5 數據處理及交互

數據處理系統可實時監控發動機靜轉子的裝配狀態，實現自動檢測和數據處理，包括數據實時跟蹤顯示、可視化參數評價、基于數據庫的存儲與檢索、檢測數據聯網等功能。系統功能，如表3所示。

如圖7所示，為軟件主界面，包含傳感器管理模塊、定心與檢測模塊、數據管理模塊、輸出與聯網模塊、安全報警模塊等。

表3 系統功能列表

圖7 軟件主界面Fig.7 Main operation interface

3 關鍵工藝開發

3.1 加工工藝分析

氣浮轉臺作為發動機裝配檢測一體化系統的核心部件，其工藝瓶頸在氣浮軸承加工。氣浮轉臺在工作狀態下，由止推軸承承載軸向負載，故止推軸承是影響氣浮轉臺精度的主要因素[11]。止推軸承通常采用較軟的鋁青銅材料(QSn4-3)加工而成，與較硬的浮板(9Cr18)配對使用。由于鋁青銅的材料特性，在傳統加工工藝中，其粗加工在平面磨床上進行，平面度達到數微米；精加工采用壓沙平板的人工研磨方式，平面度可控制在1μm之內。

但是，采用上述工藝，還存在如下問題：

(1)人工研磨屬于不確定性加工方法，止推軸承精度只能達到微米量級，制約氣體靜壓軸承性能的進一步提升；

(2)人工研磨的效率不高，研磨極其耗時，限制氣體靜壓軸承的產能，也使得生產成本難以有效控制。

隨著超精密加工技術的發展，確定性加工工藝在精密加工、測量、儀器領域開始推廣應用，這就為開發氣體靜壓軸承新工藝提供了新的思路與技術手段，使得研制更高性能、更低成本的氣體靜壓軸承成為可能。而止推軸承具有平面結構，并且采用易于切削的有色金屬材料，故特別適于進行超精密加工。

3.2 止推軸承超精密加工

止推軸承的超精密加工工藝在Nanosystem-1000數控光學加工機床上完成開發。該機床由航空工業精密所獨立研制，是國內首臺實現大型光學級加工的LODTM(Large Optics Diamond Turning Machine)機床[12]，可直接車削成形大型光學鏡面及復雜曲面。其主要指標為：最大加工尺寸為1000mm，控制系統分辨率為納米級，加工面形精度為亞微米級，加工表面粗糙度為納米級[13]。

超精密加工的質量主要受加工工藝參數的影響，包括主軸轉速、刀具進給速度、切削深度等；需針對不同的材料與加工要求，合理選擇最佳工藝參數。針對QSn4-3材料，通過開展切削試驗，確定最優化的超精密加工工藝參數，設定主軸轉速為100r/min，進給速度為3.5mm/min，切削深度為0.008mm。得到光學級氣體靜壓軸承表面，如圖8所示。

圖8 止推軸承的超精密加工表面示意圖Fig.8 Ultra-precision machining of thrust bearing

基于超精密切削加工工藝，實現了上止推軸承與下止推軸承的確定性加工。主軸采用超精密磨削工藝，徑向軸承則使用超精密鏜削工藝，而浮板仍通過人工研磨方式加工而成。完成氣浮轉臺總裝、調試，如圖9所示。實測轉臺的軸向與徑向跳動均優于0.1μm，角回轉精度為±0.18″，軸向剛度大于40kg/μm，最大負載超過1500kg，滿足設計指標要求。

圖9 高精度氣浮轉臺樣機Fig.9 Prototype of high-precision aerostatic rotary table

4 試驗與驗證

4.1 裝配檢測方法

發動機靜轉子由多級機械結構連接而成。如圖10所示，為壓氣機轉子的結構圖，其包括前/后軸頸、一級葉盤、二級葉盤、……、N級葉盤等。壓氣機轉子各級零件之間依靠止口結構定位，通過螺栓進行連接；按照順序，逐級進行裝配。每一級轉子的加工誤差均通過裝配面進行傳遞。在多級轉子的裝配過程中，若無有效措施，裝配體的徑向與軸向誤差將不斷累積，并隨裝配的進行而持續增大，最終導致轉子裝配體的指標超差[14]。因此，每安裝一級轉子，均需檢測裝配面的徑向跳動量與軸向跳動量，并嚴格控制各級轉子的止口與軸心相對軸頸基準的跳動量；同時，每完成一級安裝，前一級的裝配面均會被遮擋，而無法進行重復測量。

圖10 壓氣機轉子結構Fig.10 Structure of compressor rotor

通過逐級調整轉子的安裝位姿，可有效控制轉子裝配體的跳動量與同軸度誤差。利用發動機裝配檢測一體化系統，可找到各級轉子裝配的最優位姿，保證轉子裝配體的跳動量與同軸度誤差最小化。如圖11所示，為轉子裝配的原理圖。

(a) 理想狀態 (b) 實際狀態 (c) 優化狀態 圖11 轉子裝配原理Fig.11 Principle of rotor assembly

4.2 結果與分析

基于發動機裝配檢測一體化系統，針對某壓氣機轉子裝配過程，進行轉子逐級檢測與優化，驗證轉子裝配體裝配質量及位姿調整方法的有效性。如圖12所示，為轉子裝配體示意圖。

圖12 轉子裝配體示意圖Fig.12 Multi-stage rotor assembly body

如圖13所示，為裝配優化的試驗結果。可見，應用發動機裝配檢測一體化系統，可將裝配多級葉盤的累積徑向跳動誤差降低46%，累積同軸度誤差降低30%。驗證了通過調整、控制裝配體的跳動量與同軸度誤差，可以實現靜轉子裝配質量的有效提高。

圖13 裝配優化試驗結果Fig.13 Results of assembly optimization experiment

5 結束語

基于國產LODTM機床，針對鋁青銅材料的氣體靜壓軸承平面開展工藝研究，通過超精密加工技術的應用，實現上、下止推軸承的確定性加工，得到光學級氣浮工作面。并成功應用于高精度氣浮轉臺，為推動氣體靜壓軸承制造技術發展提供新的思路與方法，也為降低氣浮轉臺制造成本、縮短制造周期做出了有益嘗試。氣浮轉臺的核心元件還包括浮板與主軸，常采用不銹鋼材料。基于鎳磷合金鍍覆工藝，完成浮板與主軸的SPDT(單點金剛石車削)，是計劃后續開展的研究工作。而依托高精度氣浮轉臺制造工藝的改進，解決了航空發動機裝配檢測一體化系統研制的工藝難題之一，通過開發裝配檢測一體化系統平臺，針對某壓氣機轉子開展檢測與調整試驗，驗證了提高靜轉子裝配質量方法的有效性，能夠為提升國產航空發動機的裝配技術與工藝水平提供良好的條件保障。