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航空發動機零組件加工特點與裝備分析

2020-5-6 來源：- 作者：-

航空發動機零組件加工不（bú）斷挑戰數控裝備的高速度、高（gāo）精度、高可靠性（xìng）、高可達（dá）性、多功能等性能與功（gōng）能極限，對加工（gōng）設備有很（hěn）多特殊和極端要求，但是（shì）目前設備研製和工藝需求還存在匹配性不夠的問題。本文作者在（zài）分析航空（kōng）發動機零組件結構與材料特點的基礎上（shàng），詳細闡述了（le）其（qí）加工製造對數控裝（zhuāng）備的共性技術需求、常用的典型金切（qiē）設備和短板設備的具體性能要求（qiú），並對設備（bèi）驗收的流程內容及關鍵技術做了具體（tǐ）闡（chǎn）述。指（zhǐ）出了（le）航空發（fā）動機（jī）加工（gōng）裝備的發展方向，研製滿足航空發（fā）動機加工需求的設備（bèi）可以更好地推動機床工具與裝（zhuāng）備（bèi）水平的（de）進步，能夠研製和提供該類機床裝（zhuāng）備的研究者和（hé）企業代表著行業最高水平。

因原文較長，為便於閱讀，經與作者商議，將其拆分成相對獨立的（de）3篇文（wén）章陸續發布，但保留原文圖片及（jí）參考文（wén）獻的編號。若想一氣嗬成看全文，請關（guān）注《世界製造技術與裝備市場（WMEM）》雜誌2020年第3期“航空發動（dòng）機加工裝備的性能需求與（yǔ）驗收關鍵（jiàn）技術”一文。——編者注

航空發動機是由多種類（lèi）型零部件組成，可（kě）以在（zài）高溫（wēn）、高壓（yā）、高轉速和不斷變換工作狀態的惡劣環境中工（gōng）作的高度複雜和精密的熱力機械[1]，追求更輕量（liàng）化、更大推力、更高可靠性、更（gèng）長壽命、更低油耗、更低成本是提升航空發動機性能的永恒（héng）主（zhǔ）題，這也促使發動機結構越來越集成、設計越來越複雜。現代航空（kōng）發動機（jī）設計采用了許多新技術、新材料、新結構來滿足苛刻的性能要求，高溫和承力結構（gòu）件（jiàn）多采用整體結構，零件結構複雜（zá）、加工精度高，表麵粗糙度及表麵質量（liàng）要求高，其先進製造技術對相（xiàng）應的加工機床與裝備需（xū）求十分迫切。

目前，世界主要大（dà）國在航空製造業方麵的競爭極為激烈，封（fēng）鎖（suǒ）與摩擦不斷（duàn），我（wǒ）國大飛機項目和“兩機”專項的上馬促進了航空發（fā）動機產業的發展，也為機床裝備的發展帶來了新的機遇和挑戰。數控機床（chuáng）的研（yán）製和應用首先起（qǐ）源於航空（kōng）製造業（yè），並伴隨著航空製造業（yè）的發展而（ér）發（fā）展[2]。通過相關項目支持，研發出了五軸葉片銑磨加（jiā）工中心、葉片拋（pāo）磨機床、機匣五軸銑車複合加工中心（xīn）等設（shè）備，工（gōng）信部與（yǔ）中國（guó）機床工（gōng）具工業協會也組織了多次航空發動機企業（yè）與機床企業對接會，推動“兩機”專項與數控機床專項（xiàng）建立長效對接機製，創新（xīn）協同（tóng）模（mó）式，加速成果轉（zhuǎn）化，實（shí）現產（chǎn）學研用深度融合[3,4]。我國的高檔數控機床基本實現了由不（bú）能做到能（néng）做的升級和跨越[5]，但整個機床行業正向設計能力、針對用戶需求的定製工藝研究（jiū）及相應的機床設計能力還不足[6]，航空發動機製造對數控裝備的性能需求有其特殊的地方，機床裝備企業如未吃透用戶（hù）的具體需求就倉促研發設備，其應用推廣效應勢必（bì）受到影響（xiǎng）。

1 、航空發動（dòng）機零組（zǔ）件特點

新一代航空發動機總共有3萬多個零（líng）件，涉及230多種不同標準的材料，與加工製造相關的（de）特點具體如下：

（1）零、組件種類（lèi）眾多

航空發動機主要零件有葉片、帶榫槽輪盤、整體葉盤（pán）、軸、環形與鼓筒件、噴（pēn）嘴組件、齒輪、軸承、緊固件、導管等10大類。如圖（tú）1所示，葉（yè）片分為風扇葉片、壓氣機葉片（piàn）、渦輪葉片以及與之對應的靜子整（zhěng）流葉片，機匣有（yǒu）風扇包容機匣、壓氣機機匣、燃燒室機（jī）匣、渦輪機匣以及分布在它們之間的級間機匣，有的整流葉（yè）片還與機匣整體成形，各類轉子葉片都通過榫接結構連接在轉子盤上。為了（le）減（jiǎn）重增效、提高推重比，壓氣機（jī）前（qián）段越來越多采（cǎi）用整體葉盤（pán）結構。

圖1 航空（kōng）發（fā）動機（jī）結構爆炸圖

（2）難加工材料多

航空發動機大（dà）量采用高溫合（hé）金、鈦合金、高（gāo）強度鋼材料，複合材料、工程陶（táo）瓷材（cái）料等新（xīn）材料也越（yuè）來（lái）越多地應用到（dào）高性能航空發動機上。這些材料的加工性極差（chà），對工藝裝備（bèi）的剛性和切（qiē）削刀具的要求極其苛刻（kè），還需要大量的特（tè）種工藝裝備。

（3）零（líng）組件結構複雜

風扇/壓氣機/整體葉（yè）盤葉片（piàn）屬於典型的自由曲（qǔ）麵零件，結構複雜、剛性差，加工過程易變形，需（xū）要高（gāo）性能多軸數控加工設（shè）備；風（fēng）扇/壓氣（qì）機/燃燒室/渦輪/中介機（jī）匣需要高精度多軸坐標鏜（táng）、高精度立式車/磨數（shù）控裝備、電解（jiě）或線切割裝（zhuāng）備；壓氣機轉子組（zǔ）合後葉尖高速磨削和機匣組（zǔ）件（jiàn）高精度立式（shì）磨削設備；盤類零件輻板、周向榫槽、軸向深孔等形狀複雜，需采用車銑（xǐ）磨複合、拉削、成形（xíng）磨削等特殊設備或新工藝（yì）裝備；燃油噴嘴杆芯/活門安裝座/外（wài）殼油路和冷卻型腔複雜，需要（yào）增材製造設備，其活（huó）門組件（jiàn）很多小微零件的形位公差甚至到亞微米級，需（xū）要車銑磨一體複合加（jiā）工設備；整體葉盤修複需要線（xiàn）性摩擦焊設備，而高壓渦輪盤（pán）軸組（zǔ）件、高壓壓氣機轉（zhuǎn）子、風（fēng）扇盤所需要的慣性摩擦焊設備（bèi），對發動機減重和提高耐高溫性至關重要（yào）。

（4）零（líng）件加工精度高

發動（dòng）機零件要保證在高溫、高速、惡劣（liè）環境下可靠工作，需要零件（jiàn）具有良好的配合質量和互換性，一方麵對零件的加（jiā）工精度要求極高，很多零件的（de）精度要求（qiú）都在微米/次微米級，非配合表麵（miàn）粗糙度要在Ra1.6以下，配合表麵粗糙度在Ra0.8以下；另一（yī）方（fāng）麵，對（duì）設備的（de）加工精度及精度保持性要求很（hěn）高，還要配套相應的（de）精（jīng）密（mì）檢測設（shè）備（bèi），甚（shèn）至需要多軸多功能複合加工與檢（jiǎn）測（cè）一體的設（shè）備來完成。

（5）多種冷卻小孔

航空發動機（jī）渦輪葉片、燃燒室、火焰筒等零組件的冷卻小孔每台份多達數十萬個，而且是異形精密（mì）群孔，尺寸在ø0.1-0.3mm，孔的位置呈空間多向分布，其（qí）外壁還有塗層。孔的形位精度和孔壁表麵質量要求高，常規的鑽孔、衝孔方法難以滿足要求（qiú），需要激光、電子束、電火花等特種加工技術和裝備。

（6）零件（jiàn）表麵特種工藝要求多

為了提（tí）高發動機零件的耐磨、防腐蝕、抗疲勞性能，需要采（cǎi）用表麵強化、噴塗、噴丸、滲鍍等表麵處理技術與裝備。渦輪導向葉片、燃燒室采用（yòng）的陶瓷熱障塗（tú）層，尤其是渦輪葉片表麵高溫防腐蝕塗層，其工藝及裝備（bèi）始終（zhōng）製約航（háng）空發動機的性能。

2 、大型客機航空發動機對裝備（bèi）行程需求分析（xī）

市場占有量較大的三類大型客機主要零件尺寸如下表所示，其設備（bèi）行程應該分別覆蓋其最大零件加工尺寸。

表（biǎo）典型大型客機發動機

本文作者及單位：

於建華1，陸濤1，梁永收2，何豔麗1，陳亞林1，王傑1，李勳3，雷力明1，張渝1

1.中國航發商用航空發動機有限責任公司；2. 航空發（fā）動機高性能製造工業和信息化部重點實（shí）驗室（西北工業大（dà）學）； 3. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院。

於建華，男，1985年出生，甘（gān）肅臨洮人，博士，高級工程師，主要研究方向為航（háng）空發（fā）動機關鍵部件先進製造工藝，航空零件長壽命（mìng）製造及加工表麵完整性控製（zhì）技術。主（zhǔ）持多項國家課題，擔任全（quán）國（guó）金屬切（qiē）削機床標（biāo）準化技術委員會委員（yuán）。

參考文獻

[1] 航空製造工程手（shǒu）冊-發動（dòng）機機械加工（gōng）[M].北（běi）京:航空工業（yè）出版社,2016(08).

[2] 湯立民（mín）,宋（sòng）智勇.航空數控加工機床（chuáng）發展（zhǎn）方向及其關鍵技（jì）術[J].航空製造技術, 2010(10):45-48.

[3] “兩機”專項和數控機床專項現場對接會在（zài）北京召開[J]. 世界製造技術與裝備市場, 2018(2): 17-19.

[4] 工（gōng）信部產業發展促進中心. 數控機床成果（guǒ）在航空發動機領域應用推廣會在株洲召開[EB/OL]. (2018-12-17). http://idpc.org.cn/xwdt/zxdt/1252.htm.

[5] 劉（liú）峰,高長才.展望未來機（jī）床服務航（háng）空工業[J].航空製造技術,2014(11):56-59.

[6] 王（wáng）磊,盧秉恒.中國工作母機產業發展研究[J/OL].中國工程科學: 1-9[2020-04-27].http://kns.cnki.net/kcms/ detail / 11.4421.G3.20200403.1716.007.html.

作者：於建華等（děng）（詳見文章末尾）責編：張芳麗

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