航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

■ 中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （遼寧 110043） 楊金發(fā) 張 軍 陳 雷 楊萬輝

■ 中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 （遼寧 110015 ） 屈鵬飛

楊金發(fā)：中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心工藝所高級(jí)工程師

先進(jìn)的材料和制造技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制與生產(chǎn)的重要物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。沒有先進(jìn)的材料和制造技術(shù)，就沒有先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖1）除了先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，其性能的提高在很大程度上通過采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝來實(shí)現(xiàn)，而材料和制造技術(shù)的貢獻(xiàn)將占到50%～70%。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料與制造技術(shù)向著高溫化、復(fù)合化、輕量化、整體化、高效率和低成本的方向發(fā)展。主要有以下特點(diǎn)：

（1）材料的耐溫水平、強(qiáng)度水平越來越高，部件的承溫承載能力越來越高，超高溫合金材料和尖端制造技術(shù)不斷突破，使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提升。

（2）新型整體結(jié)構(gòu)、高可靠性輕量化結(jié)構(gòu)和精密、高效、低成本制造技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)部件重量越來越輕。

（3）復(fù)合材料及其構(gòu)件制造技術(shù)出現(xiàn)重大突破，將是第五代發(fā)動(dòng)機(jī)及未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主流技術(shù)。

（4）先進(jìn)涂層技術(shù)和特種制造技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，也是第五代發(fā)動(dòng)機(jī)及未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展方向。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型

智能制造

（1）智能制造是先進(jìn)傳感、儀器、監(jiān)測(cè)、控制和過程優(yōu)化的技術(shù)和實(shí)踐的組合，它們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起，實(shí)現(xiàn)工廠和企業(yè)中能量、生產(chǎn)率和成本的實(shí)時(shí)管理。

（2）智能制造是在網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化基礎(chǔ)上融入人工智能和機(jī)器人技術(shù)形成的人機(jī)物深度交互與融合的新一代制造系統(tǒng)。

（3）智能制造要求能準(zhǔn)確感知企業(yè)、車間、設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析。執(zhí)行決策，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、車間和生產(chǎn)線的運(yùn)行做出調(diào)整。按照設(shè)定的規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，自主做出判斷和選擇。

產(chǎn)品個(gè)性化、定制批量化、流程虛擬化、工廠智能化和物流智慧化將成為新趨勢(shì)。

先進(jìn)數(shù)控機(jī)床工具

隨著航空產(chǎn)品的不斷升級(jí)，航空新材料不斷快速發(fā)展，特別是目前航空領(lǐng)域高精尖產(chǎn)品如航空發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用鈦合金、耐熱合金等難加工材料及復(fù)合材料等難加工材料的現(xiàn)狀，這對(duì)推動(dòng)和促進(jìn)航空用刀具的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用，迫切要求加工技術(shù)進(jìn)一步提高。

1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)刀具技術(shù)需求及發(fā)展趨勢(shì)

作為切削加工的主體之一，在解決航空材料的加工難題中起著至關(guān)重要的作用。先進(jìn)的航空產(chǎn)品要求航空零件具有更優(yōu)異的性能、更低的成本和更高的環(huán)保性，而加工工藝要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重復(fù)精度和可再現(xiàn)性。

航空鈦合金、高溫合金零件難切削的工件材料，復(fù)雜而薄壁的形狀，高精度的尺寸和光潔度要求，同時(shí)大的金屬去除量等特點(diǎn)，對(duì)切削刀具的高效、精密、安全性等提出更高的要求，傳統(tǒng)的刀具已不能滿足現(xiàn)代先進(jìn)高效加工的要求，刀具行業(yè)進(jìn)入了“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現(xiàn)代刀具生產(chǎn)新格局。

新型的航空材料的不斷涌現(xiàn)，如彌散強(qiáng)化鈦合金、粉末高溫合金材料大量應(yīng)用?，F(xiàn)代先進(jìn)加工技術(shù)對(duì)高速、高效、高精度加工的要求使得硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金剛石刀具的應(yīng)用比例大幅提高。

深入研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件材料，包括各類高溫合金、鈦合金材料的切削機(jī)理和切削加工性能，有針對(duì)性開發(fā)系列的高性能專用刀具材料。滿足航空行業(yè)典型的粉末高溫合金、鎳基高溫合金、鑄造高溫合金和鈦合金等難切削材料的加工需求。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，包括渦輪機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、渦輪盤、風(fēng)扇盤、長(zhǎng)軸、葉片和葉輪等典型零件有針對(duì)性開發(fā)一系列的高效精密刀具產(chǎn)品，包括車、銑、鉆、拉和鏜削加工等刀具產(chǎn)品。刀具技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)應(yīng)著眼于建立刀具學(xué)科分析模型和多學(xué)科優(yōu)化模型，開展系列刀具的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究。

開發(fā)具自主知識(shí)產(chǎn)品高壓冷卻系統(tǒng)（見圖2）、減振刀具等新型刀具產(chǎn)品，滿足高溫材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、薄壁零件加工的需求。

圖2 高壓內(nèi)冷卻刀具

刀具質(zhì)量穩(wěn)定，刀具精度高，可轉(zhuǎn)位數(shù)控刀片各批次產(chǎn)品尺寸精度分散性能控制在一定范圍內(nèi)，成形刀具精度應(yīng)能完全滿足加工部位要求。

能針對(duì)渦輪機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、渦輪盤、風(fēng)扇盤、長(zhǎng)軸、葉片和葉輪等典型關(guān)鍵零部件，提供完整的刀具配套和解決方案。

2. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工對(duì)數(shù)控設(shè)備的需求

（1）先進(jìn)性：即要求設(shè)備具有數(shù)字化和前沿性的特征，軟件功能強(qiáng)大，自動(dòng)化程度高。

（2）集成性：減少附加設(shè)備，設(shè)備高度集成，簡(jiǎn)化工序。

（3）高度柔性：設(shè)備通用程度高，生產(chǎn)適用性強(qiáng)。

（4）高精度：設(shè)備需具備精度高，精度保持時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)成熟度高等特點(diǎn)。

（5）高穩(wěn)定性：設(shè)備故障率低。

3. 數(shù)控設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

（1）復(fù)合機(jī)床功能強(qiáng)勁，成為機(jī)床門類中的重要組成部分。精度穩(wěn)定性與保持性：溫升的抑制與控制技術(shù)日益得到重視并取得進(jìn)展。高效與自動(dòng)化：雙主軸、多主軸、多刀塔機(jī)床發(fā)展迅速，智能技術(shù)深入發(fā)展。復(fù)合機(jī)床以其強(qiáng)大的復(fù)合功能贏得了越來多客戶的關(guān)注，贏得了越來越大的市場(chǎng)份額。市場(chǎng)需求成為復(fù)合機(jī)床廠新發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，銑車復(fù)合、車銑復(fù)合（見圖3）、車銑磨滾齒復(fù)合、激光切割與沖剪復(fù)合等具有多工序、多工藝復(fù)合的復(fù)合機(jī)床，成為現(xiàn)代機(jī)床系列的重要組成部分。

圖3 車銑復(fù)合加工中心

（2）在現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)機(jī)床加工精度提出更高要求形勢(shì)下，越來越多的機(jī)床企業(yè)對(duì)機(jī)床精度的穩(wěn)定性給予了高度重視。在影響機(jī)床工作精度穩(wěn)定性的多種因素中，環(huán)境和自身溫升的影響是重要的一環(huán)。針對(duì)這種認(rèn)知，很多機(jī)床企業(yè)采取多種技術(shù)措施，取得了很好的效果（見圖4）。機(jī)床制造企業(yè)對(duì)精度的追求已經(jīng)不局限于出廠精度檢驗(yàn)單上的靜態(tài)精度，對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)精度改善的努力正成為行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)非常重要的因素。

圖4 五軸三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)

(3) 智能技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的前沿技術(shù)，智能技術(shù)的開發(fā)運(yùn)應(yīng)用，使機(jī)床改變了原有的面孔，具備有感知、會(huì)分析思考、能主動(dòng)應(yīng)對(duì)處理加工過程中出現(xiàn)的變化、能夠主動(dòng)對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行處理等智能技術(shù)。使得人機(jī)關(guān)系更加融洽和友好，并推動(dòng)機(jī)床自動(dòng)化水平進(jìn)入到更高的階段。智能技術(shù)的發(fā)展主要集中在兩個(gè)方面：加工過程中對(duì)變化因素的實(shí)時(shí)處理。通過數(shù)控系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、專用軟件，提供編程、機(jī)床調(diào)整、加工、操作和維護(hù)等智能化的幫助與指導(dǎo)，具有智慧與技術(shù)的內(nèi)涵。

隨著數(shù)控設(shè)備越來越多的被應(yīng)用到航空零件的生產(chǎn)中來，航空零件的加工能力得到了明顯的提高，航空典型零件如整體葉盤、機(jī)匣、葉片等都能夠使用數(shù)控設(shè)備加工完成，這些復(fù)雜型面采用普通設(shè)備是很難加工的。雖然零件的加工能力有所提高，但數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用水平還有待提高，不論是編程技術(shù)還是加工技術(shù)都還有許多提升的空間。數(shù)控設(shè)備高級(jí)功能的開發(fā)，提高數(shù)控設(shè)備的加工效率，最大限度的發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的優(yōu)越性是提高加工技術(shù)水平的必由之路。機(jī)床工具企業(yè)應(yīng)以典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的工件材料和加工工藝入手，深入研究各類難加工材料的切削性能、對(duì)刀具的要求、未來發(fā)展方向；掌握典型零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝方法等等。通過產(chǎn)、學(xué)、研、用聯(lián)合開發(fā)模式，建立并完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件高精、高效加工的刀具研發(fā)、加工工藝研究、刀具應(yīng)用的綜合性高效研發(fā)平臺(tái)。

典型加工技術(shù)

未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步與發(fā)展更加依賴新材料、新工藝。國(guó)外先進(jìn)的航空專用裝備的工程應(yīng)用滿足了航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的高效和無縫鏈接的高質(zhì)量要求。全自動(dòng)化集成控制技術(shù)的研發(fā)代替人工工藝流程已走上應(yīng)用舞臺(tái)，并取得了重要進(jìn)展。

高速數(shù)控機(jī)床與高速切削技術(shù)成為主流趨勢(shì)。多軸聯(lián)動(dòng)與復(fù)合化數(shù)控加工需求增多。 加工仿真從運(yùn)動(dòng)仿真向力學(xué)仿真發(fā)展。 數(shù)控裝備與加工工藝及切削數(shù)據(jù)庫(kù)需要有效結(jié)合。

1. 特種加工技術(shù)

以高能束流加工為代表的特種加工技術(shù)在難切削材料加工、復(fù)雜構(gòu)件的型腔、型面、型孔、微小孔、細(xì)微槽及縫的加工中顯示出突出優(yōu)點(diǎn)，解決了常規(guī)加工很難解決的難題。

特殊材料和結(jié)構(gòu)的特種焊接技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用越來越廣泛。

激光快速原型制造技術(shù)在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、葉環(huán)復(fù)雜零件的直接快速成形、修復(fù)等方面，是非常有前景的制造技術(shù)。

2. 復(fù)合加工技術(shù)

（1）車銑復(fù)合加工技術(shù)：復(fù)合加工中要防止加工中出現(xiàn)干涉。由于車銑復(fù)合加工中心增加了銑削加工時(shí)的主軸刀具回轉(zhuǎn)功能，使其不同于原來車床的滑枕加刀夾結(jié)構(gòu)，顯得較為龐大。

在加工零件時(shí)，必須要考慮是否會(huì)與零件、夾具、機(jī)床工作臺(tái)（或轉(zhuǎn)盤）產(chǎn)生干涉與碰撞。解決的方法是，應(yīng)用幾何虛擬仿真技術(shù)，虛擬仿真軟件環(huán)境建立零件、夾具、機(jī)床工作臺(tái)（或轉(zhuǎn)盤）和機(jī)床銑削主軸準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)模型，運(yùn)行數(shù)控加工程序，檢查刀具軌跡是否過切，判斷銑削主軸是否與零件、夾具以及工作臺(tái)干涉，并根據(jù)干涉具體情況采取有效措施予以調(diào)整，通過加長(zhǎng)刀具刀桿的長(zhǎng)度，加高夾具的高度，使銑削主軸有足夠的運(yùn)動(dòng)行程空間。車銑復(fù)合或銑車復(fù)合工序盡量安排在零件的精加工階段，也即零件的最終成形加工階段。粗加工或半精加工工序安排在常規(guī)設(shè)備上進(jìn)行。這樣可以最大化的將車、銑、鉆、鏜等多個(gè)工藝集中，一次性加工完成零件大部分加工，提高加工效率，保證零件的加工精度。

（2）復(fù)合加工優(yōu)勢(shì)：加工復(fù)合化。車削加工加上銑加工、磨削加工等各項(xiàng)功能融入于機(jī)床內(nèi)使機(jī)床功能復(fù)合化。

通過一次性工具裝夾，完成過去需要幾臺(tái)不同機(jī)床的加工，這樣加工的整個(gè)工時(shí)和加工時(shí)間都會(huì)減少，提高生產(chǎn)效率。

因做到了以一臺(tái)設(shè)備完成加工不再需要從一個(gè)工序到另一工序的轉(zhuǎn)換，也省略了對(duì)工件的多次裝夾、拆卸。

降低生產(chǎn)成本，節(jié)省空間。不再需要有專機(jī)功能的數(shù)臺(tái)加工設(shè)備，可因此節(jié)省生產(chǎn)成本。

（3）復(fù)合加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合加工技術(shù)向精密化、自動(dòng)化、柔性化、集成化、智能化、多樣化和綠色環(huán)保方向發(fā)展。針對(duì)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，我們必須對(duì)復(fù)合加工全過程研究，形成可用、可靠的技術(shù)體系與平臺(tái)，形成生產(chǎn)力，提高加工質(zhì)量和效率，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。充分利用CAD/CAM、CIMS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化，并行設(shè)計(jì)、虛擬制造，反求工程等；利用模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)解決制造過程中的復(fù)雜決策問題，優(yōu)化加工過程，提高實(shí)用性。

復(fù)合加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)特別是發(fā)動(dòng)機(jī)制造中將占據(jù)重要地位，其發(fā)展和完善對(duì)整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造體系的形成起著非常重要的作用。我們要加快常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)與新型發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域復(fù)合加工技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，提高復(fù)合加工技術(shù)成熟度。

3. 提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工技術(shù)水平基本策略

（1）加快先進(jìn)數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用步伐，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件的加工產(chǎn)能。重視不間斷電源（UPS）的配備，防止加工中突然斷電，引起質(zhì)量問題。

（2）提高葉片、葉盤表面光整自動(dòng)化程度。 應(yīng)積極研究與探索葉盤葉片自動(dòng)光整新技術(shù)，開發(fā)、引進(jìn)自動(dòng)光整設(shè)備，開展葉片自動(dòng)拋光試驗(yàn)，提高生產(chǎn)力，從根本上解決瓶頸問題。

（3）實(shí)施交鑰匙工程。 以引進(jìn)設(shè)備為契機(jī)，以交鑰匙工程為平臺(tái)，借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，強(qiáng)化自主創(chuàng)新，以較快的時(shí)間掌握新技術(shù)。

（4）提高和改善零件毛坯材料的穩(wěn)定性，優(yōu)化材料制造工藝，為粗、精加工合并創(chuàng)造基本條件。

（5）建立專業(yè)化生產(chǎn)線。 借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)和利用先進(jìn)設(shè)備，保障關(guān)鍵零件質(zhì)量、產(chǎn)量的穩(wěn)定與提升。

結(jié)語(yǔ)

我們必須以提質(zhì)增效為中心，以加快新一代信息技術(shù)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)融合為主線，推進(jìn)智能制造。以滿足國(guó)防建設(shè)對(duì)重大技術(shù)裝備需求為目標(biāo)，強(qiáng)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力建設(shè)，促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工技術(shù)穩(wěn)步提升。