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航空發動機製造裝備的性能需求

2020-5-8 來源：- 作者：-

接2020年5月6日（rì）“航空發動機零組件加工特點與裝備分析”。因原文較長，為（wéi）便於閱讀，經（jīng）與作者商議，將其拆分成相對獨立的（de）3篇文章陸續發布，但保留原文圖片（piàn）及參考（kǎo）文獻的編號（hào）。

圖1 航空發動機結（jié）構爆炸（zhà）圖

我國航空發動（dòng）機製造業從引進斯貝發動機開始，並隨著上世紀90年代（dài）投入了一些型號攻關項目，逐步引進了一些（xiē）精（jīng）鑄、精鍛方麵的全套設備，各類金屬切削機床，焊接和熱處理設備，計量儀器和理化（huà）測試儀器等[7]，尤其是（shì）後來承（chéng）擔（dān）了大量RR、GE、PW的外貿轉（zhuǎn）包業務，引進了大量高檔數控設備，學習到了很多發動機先進製造技術。經過30多年的學（xué）習和自（zì）主攻（gōng）關發展，在數（shù）控加工、緩進磨削、拉削、電子束焊、等離子噴鍍和各種無損探（tàn）傷檢驗等方（fāng）麵的技術和裝備都通過反複實踐而得到鞏固和發展，GE一台發動機80-90%的零件都可以（yǐ）在中國完成加工。但是這些零件大部分都是在國外品牌機床（chuáng）上加工製造的（de），這類機床主要集中在高檔五軸立/臥（wò）式加工中心（xīn）、數控坐標鏜加工（gōng）中心、數控坐標磨削加工中心、立式車磨複合加工中心、高（gāo）速葉尖磨機床、高精度數控拉床以及各類多功能複合的專用金屬切削設備。但是，外貿加工主要集中在冷加工領域，零件和組件加工的特種工藝受製於設備及相應（yīng）的工藝（yì）水平，例如渦輪葉片塗層設備、壓氣機和高壓渦（wō）輪轉子組件摩擦焊設備（bèi）、渦輪（lún）葉片和火焰（yàn）筒小微群（qún）孔（kǒng）打孔設備等方麵。目前，完成特種加工工（gōng）藝的國產機床設備市場占有率尚待提高，而這些特種工（gōng）藝恰恰（qià）是利潤率（lǜ）最高的工序之（zhī）一。特種工藝裝備的提升將有利於降低我國航空（kōng）發動機製造業的綜合成本、提高國產（chǎn）航空發動機的市場競爭力。

1 、設備的共性技（jì）術分析

（1）高（gāo）剛性、高效率

航空發動機零（líng）件（jiàn）大（dà）多（duō）采用難加工材料，高效加工（gōng）常采用強力切削方法（fǎ），因此對數控機床的剛性要求較高。

床身和（hé）進給係統：一般要求機床基座和床身結構是整體經過動力學仿真與驗證的最佳結構，具有±2µm的平麵精度，機床直線軸、旋轉軸熱穩定性好。

切削主軸：鈦合金切（qiē）削的最佳線速度在200m/min左右，高溫（wēn）合金切削最佳線速度在120m/min，但是航空零件的多特征需要不同直徑的刀具，不同階（jiē）段的（de）加（jiā）工需要設定不（bú）同的切削深度。這就要求切削主軸可以在較寬的切削速度範圍內具備（bèi）較大的恒扭矩輸出能力，高速下主軸剛性要好。對主（zhǔ）軸的（de）結構設計（jì）、線圈纏繞工藝、冷卻潤滑係統、密封、軸承及支撐方式等（děng）都提出了很（hěn）高（gāo）要求，如采（cǎi）用動靜壓軸承（陶瓷球）保障最低磨損狀態下實現高主軸轉速（sù），提高剛性（xìng），帶有頂級的槽口潤滑，防漏端麵迷（mí）宮密封接頭可提供良好的空氣密封。

（2）高精度、高動態響應

航空發動機（jī）零件對尺（chǐ）寸精度、幾何元素的形位（wèi）精度要求高，特別是（shì）薄壁零件剛性差（chà）、加（jiā）工（gōng）過程易變形，加工後尺寸和位置度等難以檢查，需要一次（cì）成形，並采用在機方式進行測量，對數控機床的加工精（jīng）度要求較高（gāo）。機床動態性能不足引起（qǐ）的動態誤差是高（gāo）速高精運動過程中影響加工精度的最主要因素之一[8]。通過選擇帶有（yǒu）光柵尺的全閉環反饋係統和穩定的靜壓導軌，可保證（zhèng）數控機床具有（yǒu）較高的定位精度和重複（fù）定位精度。要求伺服進（jìn）給具有高加速性（xìng）和（hé）較（jiào）短的定位及啟動時（shí）間，對主軸振動、漂移和溫度進行實時監控並調（diào）整，並具有較好的精度保持性，具有在（zài）機檢測功（gōng）能。同時要求一機兼備粗加工和精加工能力，可以提供粗加工、預加（jiā）工、快速加工、精加工（gōng）和超精加（jiā）工等多種（zhǒng）功能的最佳配置，以（yǐ）保證工（gōng）件（jiàn）的高質量和高精度加工要求。

（3）高可靠性、高（gāo）精度保持性

機床的可靠性涉及因素很多，是一個係統問題（tí）。從用戶（hù）角度看，像（xiàng）Starrag（斯（sī）達拉格）等精（jīng）度保持性比較好的機床，其結構設計的各個環節都有合理分配承載力和切削（xuē）力分散的機構或裝（zhuāng）置。例（lì）如，為避免切削扭力集中，擺動頭采用傘齒輪和（hé）蝸輪蝸杆結構，並通過增加多齒（chǐ）接觸和增大接觸麵的設計，有效分散切削承載力，從而減緩磨（mó）損；主軸和立柱箱（xiāng）有中空（kōng）的減震和（hé）水冷（lěng）設（shè）計，可（kě）以（yǐ）衰減振（zhèn）動並減小重載切削變形；工作台和進給（gěi）軸等裝有過載切削保護傳感（gǎn）器，在（zài）崩刃等突發情況下可以（yǐ）保護（hù）機（jī）床不受損。采用的主軸（zhóu）靜壓（yā）軸承（陶瓷球）可以在最低（dī）磨損狀態（tài）下實現高主（zhǔ）軸轉速和高剛性。此外，控製主軸（zhóu）精度、基礎件（jiàn）幾何精度和各軸的運動精度（dù），可以有效降低非正常磨損造成機床精度衰退[9]。總體上，機床整體采用穩定（dìng）的熱對稱結構，采用可靠性（xìng）比較好的（de）機床（chuáng）主軸頭、主軸、回轉擺動工（gōng）作台，關鍵部件提供連續（xù）水冷功（gōng）能，可以保持機床長期的高可靠性。

（4）強大的冷卻與綠色加工環境

航空難加工材料在加工過（guò）程中會產生大量的切削熱，從而降低刀具的（de）使（shǐ）用壽命，還會使（shǐ）零件產生較大的加工應力，在加工後甚至在使用過程中產生較大（dà）的變形，影響發動機零件使用的可靠性。因此需要機床具有良好的切（qiē）削冷卻功（gōng）能，如內冷（lěng）和水基油基（jī）方便切換的高壓外冷，帶有油霧潤（rùn）滑、液（yè）氮（dàn）冷卻、幹切削（xuē）吸塵等（děng）功能。

（5）操作（zuò）便捷且易於維護

航空發（fā）動機零件裝夾複雜且易出現異常切削現象，因此（cǐ）要求機床上下料裝夾和（hé）找正操作（zuò）可達性好，采用大尺寸車（chē）門和觀察窗，窗口工位姿態舒適。排屑器（qì）需有寬大的排屑（xiè）口且沒有死（sǐ）角區域，帶工件噴淋功能的綜合清洗係（xì）統，能（néng）夠適用於（yú）濕式（shì）或幹式加工。

所有需（xū）要（yào）定期維護的組件（jiàn）均應易於操作（zuò），如過濾（lǜ）器、刮水器等要能易於更換零件。同時（shí），為維護人員（yuán）提供（gòng）安全工作區域，例如平台和固定點。可配置狀態監控（kòng）機器，預測組（zǔ）件的潛在故障。

（6）功（gōng）能強大的控製係統

數控機床的加工（gōng）運動是（shì）通過控製係統的指（zhǐ）令（lìng）實現的，因此一（yī）個穩定（dìng）的、功能強大的控製係統是數控機床充分發揮作用的可靠保證，否則（zé）數控機床無異（yì）於普通機床。功能強大的控製係統可根據不同的加工工況，對各（gè）運動部位的傳動參數進（jìn）行實時調節，對控製行為和數控（kòng）路徑規劃進（jìn）行詳細的（de）開發和優化，以實現幾何精度、表麵質量和生產率的完美結合。

（7）專機化、智能化

整體葉盤、渦輪葉片、噴嘴組件、渦輪（lún）盤、機匣（xiá）等零件產（chǎn）品附加值（zhí）非常高，這類零件的加工質量（liàng）要求（qiú）高、加工難度（dù）很大，而且機械加工往往是最後一道工序，一旦超差將造成整個零件報（bào）廢（fèi），因此針對這類典型零件的複雜結構與表麵特（tè）征開發（fā）專機設備非常必要。

針對典型零件提供全麵綜合解決方案，除了傳統的數控加工工藝方案和切削（xuē）方法外，還包括專門開發CAM係統、加工係統（tǒng）及過程監控係統的集成（chéng）；提供個性化的夾具，設（shè）計單獨的適配器方案，夾爪（zhǎo）可針對複雜表麵和預加工麵進行靈活操作，不同夾具之間的基準轉換幾何（hé）偏差可（kě）在係統中進行（háng）自動偏（piān）置補償，並可兼容多種夾具，自動托盤交換裝置夾具更換方便（biàn）；通過預見性特征和動態預選提高高速加工時的輪廓精確度；甚至針對不同零件開發係列化刀具方案。

航空發動機（jī）零件加工對智能化需（xū）求的難（nán）點和亮點主要體現在工藝過程中，如加工過程的自適應控製、工藝參數自動推薦與生成係統，簡化編程、操作智（zhì）能係統，集成裝/卸單元（yuán）中的精密（mì）定位托盤（3R、Mecatool和Yerly等），智能監控、智（zhì）能診斷及維修（xiū）等[10]。

2 、典型的金屬切削設備

（1）葉（yè）片加工設備

葉片毛坯目前（qián）越來越趨向於近淨成形，主要集中在葉身和進排氣邊複雜曲麵的小餘量精密成形，其加工餘量比較小，因此葉（yè）片加工需要采用精（jīng）密五坐標（biāo）加工中心（xīn）。

以Starrag LX係列為代表的機床，B軸回轉中（zhōng）心與刀具（jù）主軸的回轉中心成45°，刀具主軸重（chóng）心在其擺動中（zhōng）心上，擺動時比較平衡，機械設計比較簡單，但B軸轉動角度依靠X、Z軸插補（bǔ）實現，容易產生誤（wù）差，適用於扭曲較小（xiǎo）的靜子葉片（圖2）。國內秦川機床QMK係列（liè）葉片磨削機床也屬於此類結構。

a. Starrag LX係列 b. 秦川（chuān）QMK係列

圖2 五軸葉片加工機（jī）床（45°擺頭）

以C.B.Ferrari（C.B.法拉利）A係列、Liechti（利吉特）為代表的B軸回轉中心與刀具主軸回轉中心成90°（見圖3），其中B軸回轉中心基本與（yǔ）刀具主軸的重心重合的機型，擺動時比較平衡，但B軸每轉一個角度都需要通過X、Z軸插補以調（diào）整刀尖在工作位置；而B軸（zhóu）回轉中心（xīn）偏離刀具主軸重心，與刀（dāo）尖部位基本重合的機型，B軸擺（bǎi）動時不需要（yào）插補或者插補量非常小[11]，有利於在前後緣等曲率變化劇烈的部位加（jiā）工時提供更高的機床加速度。

圖3 五軸葉片加工機床（90°擺頭）

Liechti XL係列可以1g（10m/s2）的加速度準確地進行三維加工，實現葉片前、後緣的大曲率突變複雜曲麵高精度加工，弧形導軌引導機構可平衡刀具主軸擺動產生的偏心（xīn）力矩，立柱前傾20°角，有利於排屑和（hé）切削液回（huí）流（見圖4）。國（guó）內北京機電院的XKH係列也屬於B軸回轉中心與刀具主軸的回轉中心成90°的機床。此外，由於葉片生產量大，國內（nèi）外也競相開發了一些多主軸、多（duō）工（gōng）位的機床（chuáng），可以同時加工兩個以上的葉片；還有用於精鍛（duàn）葉片進排氣邊、葉根和阻尼（ní）台加工的自適應砂帶磨削（xuē）設備等。

圖4 五（wǔ）軸葉片加工機床（90°擺頭、帶傾角）

這些設（shè）備可以有效提高精密（mì）成形的壓氣機葉片加工效率和加工精度，有利（lì）於發展精（jīng）密成形技術、提升壓氣機性能。目前葉片加工（gōng）的精度已大幅提升，未來的研究將主要（yào）集中在降本增效方麵。此外，葉片加工時由於基準遠離葉身，並頻繁轉換基準，因此需（xū）要係列化的統一接口夾具（jù）用於（yú）加工多種類型葉片，實現葉片零件高效換裝（見圖5）。

圖5 葉片加工夾具

（2）機匣加工設備

機匣加工主要包括環形鍛件毛坯（pī）的餘量去除、兩端安裝止口、周向多特征島嶼、凸台以及孔加工（見圖6）。機匣殼體外型麵通常采用四、五坐標加工中心進行銑加工（gōng）；內（nèi）腔T形槽和前後安裝邊采用數控立車加工；前後安裝（zhuāng）邊孔和外型麵安裝座、探（tàn）視孔采用數控鑽鏜床（chuáng）或四、五坐標加工（gōng）中心銑加工；對開機匣水平安裝邊螺栓聯接（jiē）孔采（cǎi）用四（sì）坐標精密鏜加工[12]。尺寸小的機匣適於采用（yòng）立式加工中心，尺寸大的機匣適於臥式加工中心。此外，以某型航空發動機為例，機匣和蜂窩組合件還需要（yào）Z向行程在1200mm以上的立式車磨複合加工中心完成蜂窩和塗層修磨。

圖6 機匣種類與結（jié）構（a、b、c為環形機匣，d為對開機匣）

立式車削/磨削設備：如圖7，上述立式車磨複合加工（gōng）中心需配備3個以（yǐ）上功（gōng）率大於45kW的水冷磨削主軸，最高轉速（sù）可大（dà）於16000 r/min，滿足（zú）不同機匣止（zhǐ）口和端（duān）麵以及蜂窩磨削，主軸軸承布置有溫度傳感器（qì），可實現熱補償和運行中的振動監測；需配置修整單元、砂輪自動（dòng）更換裝置以及工件（jiàn）測（cè）量裝置，可在無中斷的情況下完成單件和組件整體加工；由於機匣零件和組件的安裝和工位調整較為複雜，且易（yì）變形，還需有硬（yìng）質合金鏜削（xuē）和（hé）工件測量的附（fù）加選項，使機床加工工序盡量集（jí）中，同時擴大（dà）應用範圍，提高單台（tái）設備（bèi）的價值；工作台應安裝靜壓推力軸承，回（huí）轉驅動由力矩電動機驅動，確保減振扭轉剛度；配（pèi）置（zhì）工件觸頭監（jiān）控（kòng）、過程監控、用於工件測量的自動或部分自動動態平衡。機床（chuáng）床身整（zhěng）體式鑄造，機床各進給軸應配置光纖距離測量係統實現高定位精度（dù），滿足（zú）高同軸度和軸向跳動精度；機匣車削餘量較大，止口精度要（yào）求高，控製係統和CAM應該具（jù）備數控路徑粗加工、預加工、快速加工、精加工和超精加工規劃開發和優化功能，各進給和回轉軸及主軸應具備大扭矩（jǔ）提供能力；如果是車/磨複合機床，應帶有軸向（xiàng）聯鎖，用於（yú）在車削過（guò）程（chéng）中鎖定主軸。

圖7 立（lì）式車/磨設備

立/臥式加（jiā）工中心：如圖8，具有優良的靜態和動態特性，並配（pèi）有緊湊（còu）設計大扭矩雙擺（bǎi）頭，雙（shuāng）擺頭（A軸）滑枕安裝在雙滾（gǔn）柱軸承絲杠上，並配置光纖測量係統實（shí）現高定位精度和（hé）高剛度；整體床身與進給軸、回轉軸都進行專門的高精度保持性設計；切削主軸具有良好的鈦合金/高溫合金切削速度/扭（niǔ）矩特征曲線，主軸直通冷（lěng）卻係統可以提供水基（jī）或油液的（de）高（gāo）壓冷卻（壓力最大為10Mpa，盡可能接近於切削區）以延長刀具壽命進而（ér）提高零件的一致性；可提供定製化的機匣液（yè）壓或（huò）真空耦合裝夾係統，適用於高效粗加（jiā）工（gōng）和無變形精加工，可選裝升降旋轉係統進行快速托盤交換，大幅度控製加工變形並縮短裝夾和找正等（děng）輔助時間；高效的排屑器和帶工件噴淋功能的綜合清洗係（xì）統保證機匣加工多餘物控製；水（shuǐ）冷式直驅工作轉（zhuǎn）台配置了適合高負載甚至車削作業的耐磨軸承，可實現B 軸工作姿態液壓夾緊，提高切削剛性和精度。鏈式（shì）刀庫和可容納 60-80把刀具滿足機匣加工多種（zhǒng）刀具需（xū）求，刀（dāo）具最大直徑為325mm（T型刀具可達500mm）且長度達800mm，換（huàn）刀時間短。

圖8 五（wǔ）軸立/臥加工中心

五軸銑車複合加工中心：如圖9，各運動部位帶水冷卻係統與高剛性、高精度機床結構（gòu）相（xiàng）結合，為使用陶瓷刀具高效車削提供了可能；緊湊設計（jì）的高扭（niǔ）矩萬能雙擺頭可以更好地到達機匣各島嶼凸台腔、槽、孔加工位置；多個不同切削範（fàn）圍的電主軸可快速更換，方便粗/精加工、車/銑加工都能提供最佳切削（xuē）參數；工作台為帶靜壓推力軸承的力矩電機直驅轉台，可提供車削時的高轉速，同（tóng）時又能滿足銑削加工時的回轉精度。

圖9 五（wǔ）軸銑車（chē）複合加工中心

DMG MORI的duoBLOCK係列高穩定（dìng）性結構的五軸加工中（zhōng）心，扭矩達1800Nm的主軸提（tí）供高性能、高精度的加工能力，機床精度達（dá）4µm，進給（gěi）速（sù）度達60000mm/min的高動態性能，大幅提（tí）高難切削材料（liào）零件的表麵質量。其提供的燃燒室機匣加工（gōng）解（jiě）決方案，可以將中間去應力熱處理工序之外（wài）的所有（yǒu）工序在一台機床上完成，而且將九道工序縮減到六道，大（dà）幅縮短輔助加工時間，燃燒室外機匣（xiá）總（zǒng）加工時間（jiān）可以在60個小時內完成。

（3）整體葉盤加（jiā）工設（shè）備

如圖10，整體（tǐ）葉（yè）盤葉片之間（jiān）的流道開敞性差，葉片型麵為空間自由曲麵，葉身型（xíng）麵加工精度（dù）要求高，且材料為（wéi）鈦合金或高溫（wēn）合金，導致其加工難度較（jiào）大。

圖10 整體葉盤加（jiā）工示意

五軸聯動數控銑削/磨削是整體葉盤加工所廣泛采用的有效手段，但能夠高效高精度加工整體葉盤的機床並（bìng）不多，如（rú）圖11為整體葉盤加工（gōng）常用的機床。在整體葉盤加工方麵具有獨到優勢的Liechti機床，各伺服進給和轉台進給可提供1g（10m/s2）的加（jiā）速度，主軸轉速15000r/min，扭矩120Nm，與（yǔ）雙驅動搖籃A軸協同工作可（kě）提供整體葉（yè）盤加工所需功率和性能；所提供的 TURBOSOFT plus CAM軟件（jiàn），以及日益（yì）擴充的複雜曲麵製造工藝數據庫使其（qí）機床功能愈發強大；尤其是可以（yǐ）提供進排氣邊（biān）加工時劇烈曲率突變所需的高加速度和（hé）高剛性，滿足了對氣動性（xìng）能有重要影響的進排氣邊加工精度要求。

a. 工作台單驅擺動（dòng）五軸機床

b.搖籃式五軸機床（chuáng）及CAM軟件

c.擺頭式五軸機床

圖11 整體葉盤加工機床結構

整體葉盤加工機床在結構原（yuán）理上應考慮（lǜ）回轉運（yùn）動部件質量的最小（xiǎo）化與運動平衡，以及載荷（hé）分散設計（jì），所有基架組件（jiàn）均采用可實現（xiàn）最大剛度的FEM分析進行設計，使設備（bèi）具（jù）有（yǒu）良好的（de）加工剛度和加速度，從（cóng）而實（shí）現加工參數突變時的穩定切削。

（4）噴嘴加（jiā）工設備

如圖12，航（háng）空發動機燃油噴嘴主要由外殼、杆芯、活門組件、旋流芯組件（jiàn）等組成。噴嘴杆芯（xīn）內部油路和（hé）冷（lěng）卻（què）回路錯綜複雜，內腔區空間狹小、長徑比大且形位公差要求嚴格，加工中需要對異形特（tè）征精確定位（wèi）並基準轉換；活門殼體類零件體積（jī）小且包含大量（liàng）異形型（xíng）麵和島嶼，還要求與回轉基體之間有很高的形位公差，活門杆、活門缸等小微零件（jiàn）對於同軸度、輪廓度和表麵粗糙度要求非常高；旋流芯與杆芯上包含大量微孔與（yǔ）微槽類（lèi）特征在加工中極易超差；此外還有很多小（xiǎo）微孔需要電火（huǒ）花和激光打孔設（shè）備完成。傳統的加工都（dōu）是在（zài）車床、三軸加（jiā）工中心和四軸/五軸加工中（zhōng）心上分別完成，中間檢驗還要拆卸後再次（cì）裝夾找正。隨著機床工具的進步，具備七個進給軸和三個切削主（zhǔ）軸的五軸聯動加工中心（見圖13），可對噴嘴係列零件（jiàn）進行車削、銑削和研磨的集成加工，可以一次裝卡完（wán）成燃油噴嘴零件（jiàn）的（de）大部分機械加工，效率（lǜ）和質量提升十分明顯。

圖12 燃油噴嘴（zuǐ）結構

燃（rán）油噴嘴殼體和杆芯是結構非常（cháng）複雜的六麵體都有加工特征的部件，各進給軸配置直線電機（220-400Nm）可在加工部件時確保最大精度和可靠的重複率。通過配置高精度測量（liàng）係統（分辨（biàn）率1/100μm）、快速直線電機（加（jiā）速度1.1 g，速度50 m/min）、以及易（yì）熱部位（wèi）充分的冷卻回路，可實現高精高效加工能力；配置扭矩大且適應切削轉速範圍廣（guǎng）的恒扭矩高速主軸（150000r/min），能夠車削和銑削（xuē）高溫合金部（bù）件，而且通過不同的研磨（mó）盤（尺寸0. 5 - 80mm）還可以進行（háng）幹式研磨；配置換（huàn）刀裝置，配置豐富的夾緊係統。

主軸聯鎖機構（gòu）確保了（le）車削時非旋轉刀具（jù）準確的機械分度（dù），將銑磨主軸的動靜壓軸承分離，分散了通過主軸箱的加工振動和（hé）負載。

配置在機檢測探（tàn）頭、主軸探頭，車削主軸對麵夾緊係統（tǒng）提供（gòng）台鉗、筒夾係統或尾座（zuò），夾緊裝置中（zhōng）大部分（fèn）都可以在主軸（zhóu）和對麵夾緊（jǐn）係統之（zhī）間進（jìn）行互換，而且排屑裝置流暢，鑄鐵機床基座和行程（chéng）柱有效消除了振動。這些都有助於燃油噴嘴複雜結構零件和小微活門零件加工的高精度（dù）和一致性（xìng），以及更好的表麵粗糙度（dù），並大（dà）幅縮減了轉序、裝夾找（zhǎo）正、中間檢驗的輔助加工時間。

圖13 小微零件加工多軸複合機床結（jié）構

（5）渦（wō）輪盤加工設備

如圖14，渦輪盤的榫槽、輪（lún）緣、輻板、內孔、安裝空、安裝（zhuāng）止口與花邊等大量複雜特征需要機械加工完成，而且渦輪盤材料多為粉末冶金材料或（huò）變形高溫合金材料，麵臨加工變（biàn）形（xíng）問題突出、加工效（xiào）率極低、表麵完整性不易保證等重要難題，尤其粉末（mò）冶金材料對應變速率非（fēi）常敏（mǐn）感，在高應變速率條件下加工容易出現裂紋。粉（fěn）末渦輪（lún）盤加工機床（chuáng）應（yīng）該重點關注加（jiā）工效率（lǜ）的提升，加工精（jīng）度（dù）的保（bǎo）證，避免（miǎn）加工缺陷（xiàn）。

圖14 渦輪盤結構

渦（wō）輪盤輻板、輪緣、安裝邊及孔加工（gōng）需要高剛（gāng）性的車（chē）削加工中心或車磨複合加（jiā）工中心，渦輪（lún）盤榫槽加工需要高剛性高速拉削機床；近年來開發出多層包套鍍鎳線絲減小放電（diàn）切割工藝重鑄層影響的線切割機床，提高了線切（qiē）割加工高溫合金榫槽的可行性（如圖15）；目前，高剛性（xìng）的多（duō）軸磨床性能大大提高，電鍍金剛（gāng）石超硬（yìng）磨料砂（shā）輪的研製取得巨大（dà）進步，能夠（gòu）以超過50000 r/min的轉速（sù）穩定回轉，保證了小直徑異（yì）形成形砂輪獲得（dé）理想的切觸點線速度（dù）[13]。由此，使得“線切（qiē）割+磨削”榫槽加工成為可能。尤為重要的是，超硬磨（mó）料磨粒砂輪的價格非常便宜，而且便於定製，如果大批量生產，其綜合成本是拉刀和銑刀成本的千分之幾。

圖（tú）15 渦（wō）輪盤榫槽加工設備（拉削、線（xiàn）切割）

3 、特種設備短板與性能

（1）摩擦焊（hàn）設備

慣性摩擦焊是適用於粉末高溫合金零件焊接的唯一（yī）可行手段，其焊（hàn）接接頭質量優異，尺寸與形位（wèi）精度高，生產效率高，能耗低，GE公司焊接TF39航空發動（dòng）機（jī）大截麵薄壁零件（φ610mm，壁厚3.8mm）的試件僅為3s。如圖16所示，采用摩擦焊工藝的風扇盤、高壓壓氣機鼓筒、高壓渦輪（lún）轉子組件省去了大量螺（luó）栓連接緊固件，並減少了轉子在（zài）螺栓孔處的截麵（miàn）尺寸。這可以有效消除應力集（jí）中、提高轉子剛性和平衡（héng）性、增加各級盤間（jiān）的斷裂裕度（dù）、減（jiǎn）輕發動機轉子重量、提高推重比，顯著（zhe）提高發動（dòng）機性能。

圖16 采用摩擦焊工藝的轉子組件

但是國內尚未開展大慣量（≥24000kgm2）、高轉速（≥600r/min）、大頂鍛力（≥1000t）的慣性摩擦焊設備研製和焊接工藝研究，國際上比較知名的摩擦焊設（shè）備和工藝提供商是美（měi）國的MTI公司，2014年製造（zào）出（chū）全球最先進的自（zì）動化慣性（xìng）摩擦焊設備（見圖17），2016年研製出（chū）全球最大（dà）的慣性摩擦焊設備。摩擦焊是典型的設備和工藝緊密（mì）結合的工藝技術，發（fā）動機的轉子設計結構與摩擦焊工藝參數緊密相關，要求設備具有極高的軸向位置和跳動精度、專用的主軸和尾座工裝夾具、精確隨動的工件位置調整控製係統與機構、高精度的（de）主軸與尾座同（tóng）步定心旋轉（zhuǎn）隔離機構（gòu），並能根據轉子（zǐ）結構對設備專用主軸和尾座工裝夾具等進行不（bú）斷優化調整。此外，摩擦焊設備在工作中各運動部位和液壓執行機構承受載荷和衝擊很大，損（sǔn）耗嚴（yán）重，因此設備的（de）耐用（yòng）度和精（jīng）度（dù）保持性十（shí）分（fèn）關鍵。

圖（tú）17 MTI全自動化慣（guàn）性摩擦焊

（2）電子束物理（lǐ）氣相沉積設備（bèi）

高壓（yā）渦輪葉（yè）片的型麵和緣（yuán）板等部位需要塗覆熱障塗層係統，以降低葉片表麵溫（wēn）度，延長其（qí）服役壽命。電子束物理氣相沉積是一種視（shì）線沉積方法（fǎ），其在高真空中利用高能量電子束（shù）匯聚熔化並蒸發陶瓷靶材（cái），蒸汽在零件表麵（miàn）上方達到最大（dà）密度並在基體表麵沉積為固態，形成垂直於（yú）基體表麵的柱狀塗層。陶瓷塗層對缺陷和邊緣效應較為敏感，在實際服役過程中，往往（wǎng）較小的飛濺點和邊緣不規則（zé）即可引發熱障塗（tú）層的大麵積（jī）剝落。此外，隨（suí）著渦輪前溫度提升，葉片緣板不易沉積柱狀結構塗層的問題凸顯。總體而言，渦輪葉（yè）片表麵陶瓷（cí）麵層應當具有均勻的厚度、穩定的柱（zhù）狀（zhuàng）晶結構、良好的界麵結（jié）合力和表麵（miàn）粗糙度。

麵向渦輪葉片熱障塗（tú）層在（zài）實際服役中的問（wèn）題，根據電子束物理氣相（xiàng）沉積技術特點，其設備應當重點關注：①電子束對靶材熔池的精確掃描控製；②多（duō）維（wéi）度且與蒸（zhēng）汽雲匹配（pèi）的零件旋轉機構；③零組件基體的均勻預熱；④高能量電子槍的穩（wěn）定性。

近年來，隨著渦輪葉片熱障塗層在各型號航空發動機中的普遍應用，電子束物理氣相沉積設備得到了（le）較快發展。一（yī）方麵，通過設置多自由度旋轉機構，在一（yī）定程度上降低（dī）了葉片的遮擋效應，優化了緣板表麵（miàn）塗（tú）層結構；另一方麵，通（tōng）過電子束蒸發仿真（zhēn）研究，在傳統設備中引入雙電（diàn）子槍（qiāng），既能預熱零（líng）件基體至900-1000℃，又可加熱陶瓷（cí）靶材，塗（tú）層整體性能得（dé）到了一定程度提升，如圖18為渦輪葉片塗層設備原（yuán）理及噴塗熱障塗層工藝過程及塗（tú）層後的渦（wō）輪葉片。

圖18 渦輪葉片及塗層設備

（3）複材零件切削加工設備

廣泛使用複合材料是新一代（dài）航空發動機先進（jìn）性的重要標誌之一，碳纖維增強樹脂基（jī）複合材料可用於（yú）製備更大、更輕的風扇葉片，輕質高強樹脂基複合材料可用於製備風扇包容機匣[14]，甚至在（zài）進氣機匣、風扇靜子（zǐ）葉片、壓氣機靜子葉片都采用樹脂基複合材料實現減重目標。GEnx發動（dòng）機應（yīng）用陶瓷基複合材料的燃燒室、高壓渦輪、低壓渦（wō）輪和噴管實現葉片減（jiǎn）重2/3，耐溫性提高20%，對耗油率改（gǎi）善的貢獻達30%。應用鈦基複合材料的壓氣機整體葉環、低（dī）壓軸，應用鋁基複合材（cái）料的低壓壓氣機和外涵部件替換鋁合金可以顯著提高發動機減（jiǎn）重（chóng）效果。

複合（hé）材料（liào）零件的連接處、邊緣（yuán）等位置還（hái）需要經過鑽孔或者切（qiē）削加工成形。由於複合材料（liào）的比強度、比彈性模量較金屬高許多倍，其導熱係數為金屬的幾十、幾百分之一（yī），含有SiO2、碳化（huà）矽、碳化硼及（jí）陶瓷等高硬度（dù）的纖維（wéi）或（huò）顆粒，因此切削過程中粉塵汙染大，刀具磨損（sǔn）快，適宜高（gāo）速、輕載、鋒利切（qiē）削。要求切削機床主軸能夠提供足夠高的轉速、較好的主軸密封性能，且（qiě）不能有任何滴油滴液現象，最好在切削位置配置吸塵（chén）裝置；切削環境全封閉，絲（sī）杠（gàng）、導軌、主軸、工作台運動部位（wèi）有專門的密封設計，防止粉塵對機床（chuáng）運動位置配合麵造（zào）成汙（wū）染，降（jiàng）低機床的損耗與故障率；由於複材零件多為已成形的薄壁結構件，工作台應配置有自啟動或液壓夾（jiá）具接口功（gōng）能，最（zuì）好能提供專（zhuān）用的環形件或複雜曲麵薄壁件（jiàn）自適應裝夾夾具（jù）。

（4）增材製造設備

航空發動機中不少零部件采用高性（xìng）能、高可靠、輕量化整體結構，使得零件結（jié）構（gòu）趨向複雜化和功能結構一體化，傳統加工方式不能滿足設計快速迭代需求，而增材製造（zào）具備製造（zào）周期短、小批量生產成本低的特點，較好地（dì）解決（jué）了發動機研製階段快速響應的難題。

現階段（duàn），鋪粉式增材製造設備在航空發動機中應用較為廣泛，發展重點有以（yǐ）下幾點：首先，出（chū）於對工藝開發的需求，設備應具備更高的開放（fàng）水平，參（cān）數可調性更（gèng）高，例如嚴重製（zhì）約成形件尺寸極限（xiàn）的激光光斑直徑若能控製（zhì）在0.05mm或者更（gèng）小，才（cái）能（néng）更好成形小（xiǎo）於0.1mm的壁厚結（jié）構。其次，大尺寸、多（duō）激光束鋪粉成形設備無論在降低單件成本還是成形（xíng）大尺寸零件層麵都具有優勢，但需注（zhù）重（chóng）成形（xíng）倉風場和氧（yǎng）含量控製，以及一定的加熱保溫能力（降低成形過程熱應力開裂風險（xiǎn））。再者，設備智能（néng）流水化是降低成本、提（tí）高生產效（xiào）率的最有（yǒu）效（xiào）手段，各部分的模塊化不僅會減少零件收取、成形準備等的待機（jī）時間，極大提高設備利（lì）用率，同時可減少操作人員與（yǔ）粉末的接觸（chù）；設備的智能化將具備更完（wán）善的成形過程監控功能（néng），不僅（jǐn）僅是現階段單純的拍攝記錄成形過程，還應具備異常情況報警（jǐng）提示甚至簡單問題自主處理能力。最後，增材製造設備的大批量采用必須建立在設備穩定可靠（kào）的基礎上，減少各設備間差異（yì）才能更好控製成形件質（zhì）量穩定（dìng）性，主（zhǔ）要監控方麵是激光器的光斑大（dà）小（xiǎo）、出光功率、聚焦能力（lì）的穩定性，成形空（kōng）間的一致性。此（cǐ）外，複雜（zá）零件內部結構無法（fǎ）有效進行表麵處理，鑒於現階段成形（xíng）精（jīng）度和粗糙度的限製，增減（jiǎn）材複合製造也是一（yī）個發展方向，但重點需解決加工帶來的變形、金屬屑汙染粉末（mò）材料以及影響鋪粉質量、粉末利用率低等問題。

（5）微孔（kǒng）精密加工設備

航空發動機熱（rè）端零件諸如渦輪葉片、燃燒室、渦輪外環等曲麵及複（fù）雜型麵高精度零組件表麵分布有數量眾多的超精細（xì）微（wēi）小（xiǎo）氣膜冷卻孔，以降低其表麵溫（wēn）度。傳統的微（wēi）孔加工方法包括機械鑽削加工、電火（huǒ）花穿孔加工、電液束射流加工以及相關的複合加工等（děng），但在冶金質量、加工精（jīng）度或加（jiā）工效率（lǜ）上，愈發難以滿足高（gāo）精度氣膜孔加工技術要求。此外，此類熱端零組（zǔ）件表麵通常塗覆有熱障塗層，以隔絕高溫燃（rán）氣，進一步降低表麵溫度（dù）。先進工（gōng）藝方法通常選擇先塗層（céng）後製孔方案，以避免塗覆（fù）熱障塗層工藝過程中造成的（de）鎖孔和堵孔現象。目（mù）前，激（jī）光加工技術由於對材料去除無選（xuǎn）擇性，且加工精度及可靠性高，因而其應用範圍不（bú）斷擴大。常見的激光加工技術包括長脈（mò）衝激光加（jiā）工、超快激光加工和水導（dǎo）激光（guāng）加工（gōng）。

火焰筒等薄壁（bì）環形鍛件（jiàn）通常使用長脈衝激光加工，加工過程中由於激光能量高會引起薄壁零件局部變形。高壓渦輪葉片等複雜曲麵精鑄件（jiàn）通常使用超快激光或水（shuǐ）導激光加工，但由於鑄造誤差，在氣膜孔定位和解析過程中造成加工位（wèi）置度偏移等問題，且由於零件存在極狹窄空腔，易發生激光擊傷零件內腔的現象，異形角度微孔加工難度尤其大。解決以上問（wèn）題，往往一方麵需要設備和加工（gōng）程序在加工過程中予（yǔ）以自適應修正，另（lìng）一方（fāng）麵需要通過智能檢測係統進行激（jī）光控製。綜（zōng）合考慮熱端零組件的氣膜孔加（jiā）工技術指標，激光加工（gōng）技術（shù）及設備應當重點關注以（yǐ）下幾點：①長（zhǎng）脈（mò）衝（chōng）高能（néng）量（liàng）激光（guāng）器（qì）的（de）穩定性；②超快激光和（hé）水導激光器的穩定性和功率；③配置六點定位和自適應加工模塊；④設備的高定位精度和重複定位精度；⑤配置高靈敏度（dù）的（de）激光穿透檢（jiǎn）測係統。

近年來，超快激光器的研製得到顯著提升，功率從數瓦提升至數十瓦乃至數百瓦，使其加工效率大幅提升，工藝裝備也在航空（kōng）發動機渦輪葉片中得（dé）到應用。此外，長脈衝激光加工裝備和超快（kuài）激光加工裝備均集成了穿透監測模（mó）塊、功率監測模塊、終端監測模塊、三維自適應定位模塊（kuài）、高精度激光測距模塊等，使得其既能有效應對鑄造和加工帶來的零件尺寸偏（piān）差，又（yòu）可在一定（dìng）程度上避免激光加工易發生的對壁擊傷等問題。

a.五軸超快激光製孔設備 b.六軸（zhóu）長脈衝激光製孔設備

圖19 微孔精（jīng）密加工設備

4、數控係統與CAM係統的需求分（fèn）析

航空（kōng）發動（dòng）機零件的特征多樣性和複雜性要求（qiú）機床數控係統在功（gōng）能選擇方麵要更加多樣化。葉（yè）盤進排氣邊、噴嘴小微活門組件、盤類榫（sǔn）槽以及難加工（gōng）材料的高效（xiào）、高表麵質量加工，都要求機床（chuáng）能（néng）在極限性能狀況下穩定運行，這就需要數控係（xì）統提供強大的功能支撐。由於長期在極限性能的惡劣工況下工作，機床就容（róng）易發生故障。好的數（shù）控（kòng）係統在極限切削過程中能保持更（gèng）加穩定的加工性能，在遇到各類機械故障（zhàng）時能及時預防並采取相應的應急措施，也能比較容易恢（huī）複正常。對機床用戶來（lái）說，數控係統的使用流暢性、穩定性和可靠性至為關鍵（jiàn）。人性化的交（jiāo）互式界麵設計（jì）、豐富的（de）功能配置和支（zhī）持多種接口與標準的兼容性更容易提高操作者（zhě）的使用粘性。航（háng）空（kōng）發動機零件的複雜特征對編程要求很高，好的數控係統與專用的CAM軟件集成在一起更容易獲得（dé）用（yòng）戶認可。

智能化的CAM功能，內置典型特征參數推薦和動態功能，確保高速加（jiā）工時的輪廓精確度；可根（gēn）據加工參數實時調節傳（chuán）動參數；對於整（zhěng）體葉盤、葉片、噴嘴組件（jiàn）等複雜型麵零件，控製係統與（yǔ）曲麵建模工具完美結合，能夠自動配置優化數控路徑規劃，進行樣條擬合、包封、修補和邊緣擬合以實現最佳幾何精度、表麵質量和生產率；根據（jù）餘（yú）量分布自動匹配粗加工策略，自動推薦精加工（gōng）中型麵搭接參數，避免出現接刀痕，能夠自動檢查參數突變區域，避免啃刀（dāo）、咬邊等加工缺陷（xiàn）；配置（zhì）有集成式後處理程序。

參考文獻

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本文作者及單位：

於建華1，陸濤1，梁（liáng）永收2，何豔麗1，陳亞林1，王傑1，李勳（xūn）3，雷（léi）力明（míng）1，張渝1

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

責編：張（zhāng）芳麗

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