航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)探索

■ 中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司工程技術(shù)一級(jí)專家、高級(jí)工程師

何金梅

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)控技術(shù)經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的深入推廣，特別是CAD/CAM數(shù)字化制造核心技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品制造的主要技術(shù)手段之一，使得數(shù)控車、銑、磨等通用數(shù)控機(jī)床替代了普通機(jī)床成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的主要裝備。同時(shí)，為了滿足減少機(jī)床和夾具，免去工序間的搬運(yùn)和存儲(chǔ)，提高加工精度，縮短加工周期等現(xiàn)代機(jī)械制造加工的需求，新型復(fù)合加工機(jī)床如數(shù)控車銑復(fù)合加工中心、數(shù)控五坐標(biāo)加工中心及高效強(qiáng)力磨削機(jī)床等各種高端數(shù)控設(shè)備不斷涌現(xiàn)。這些高端設(shè)備在航空產(chǎn)品的制造中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如：五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床能完成整體葉盤(pán)的復(fù)雜型面的大量切削任務(wù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)制造技術(shù)得到巨大的改進(jìn)；強(qiáng)力數(shù)控磨床利用強(qiáng)力成形磨削一次磨出渦輪葉片的榫槽齒形，使葉片榫槽加工變得簡(jiǎn)單、高效。

如圖1所示，作為高端數(shù)控的代表的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，已成為航空制造的重要裝備，這種機(jī)床的5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸在加工工件時(shí)能同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡是通過(guò)一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程得到的，因此五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)是該類設(shè)備的核心，國(guó)內(nèi)在五軸聯(lián)動(dòng)的軟件開(kāi)發(fā)方面尚不成熟，而國(guó)外再此方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的就是“西門(mén)子”數(shù)控系統(tǒng)。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床中2個(gè)回轉(zhuǎn)軸的展現(xiàn)方式有立臥轉(zhuǎn)換式和搖籃式，特別適合用來(lái)加工及幾何形狀復(fù)雜的零件，在加工較深、較陡的型腔時(shí)，可以通過(guò)工件或主軸頭的附加回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)為立銑刀的加工創(chuàng)造最佳的工藝條件，并避免刀具及刀桿與型腔壁發(fā)生碰撞，減小刀具加工時(shí)的抖動(dòng)和刀具破損的危險(xiǎn)，從而有利于提高零件的表面質(zhì)量、加工效率。

圖1 五坐標(biāo)臥式加工中心高速切削

切削加工一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵重要部件的主要制造手段之一，依托先進(jìn)的加工裝備不斷在傳統(tǒng)的切削加工方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。近30年來(lái)，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)緊跟世界航空制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，不斷更新、改善自身的制造裝備，使通用數(shù)控設(shè)備的普及率達(dá)80%以上，完成了從傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)向數(shù)字化制造技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的初級(jí)階段。隨著刀具、驅(qū)動(dòng)、控制等技術(shù)的不斷進(jìn)步，高端數(shù)控設(shè)備在航空制造企業(yè)中不斷得到了科學(xué)的應(yīng)用，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心、高精密復(fù)合機(jī)床正逐步替代由20世紀(jì)90年代中后期引進(jìn)的三軸聯(lián)動(dòng)的加工中心和高速銑床等，高端數(shù)字化裝備得到大力推廣和有效利用，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件制造生產(chǎn)的有力武器和新生力量，為現(xiàn)代航空制造技術(shù)的快速發(fā)展起到了助推作用。

如今，數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用已開(kāi)始打破局限性和片面性的狀況，已延伸到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理過(guò)程中，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和多媒體等支撐技術(shù)，將最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工車間和數(shù)字化工廠的生產(chǎn)模式。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的新工藝與新裝備

為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和提高推力，高性能發(fā)動(dòng)機(jī)研制采用大量的新材料、新結(jié)構(gòu)，對(duì)制造工藝要求也進(jìn)一步提高，相繼研發(fā)出了一系列高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)，比如：輕量化、整體化結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、寬弦風(fēng)扇葉片制造技術(shù)及整體葉環(huán)制造技術(shù)等。

跟蹤世界航空關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展形式，圍繞新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的應(yīng)用方面以及特殊工藝的總體要求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)將大量依靠高速精密加工中心、重型數(shù)控設(shè)備、高端立臥車銑復(fù)合加工中心、特種工藝設(shè)備、航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件高效精密磨削設(shè)備及自動(dòng)生產(chǎn)線等新型設(shè)備和裝置。

近年來(lái)，特種加工技術(shù)已在各個(gè)制造領(lǐng)域展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，特別是在復(fù)雜構(gòu)件的型腔、型面及微孔的加工中具有顯著優(yōu)越性，能輕易解決常規(guī)加工很難解決的問(wèn)題，比如電加工、激光加工、電子束加工、電火花加工及高壓水射流切割機(jī)等特種加工技術(shù)已在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了積極的作用。

（1）電加工技術(shù)以其特殊的加工特性用以解決傳統(tǒng)加工手段不能或難以解決的制造難題，是實(shí)現(xiàn)難加工材料和精密零件加工的有效手段。如2圖所示渦輪機(jī)葉輪的3維幾何通道在過(guò)去是不能制造的，通常在五聯(lián)動(dòng)的銑床上僅能對(duì)開(kāi)放的這種類型進(jìn)行加工制造，對(duì)于不開(kāi)放的極端螺旋幾何通道是不能加工的，但是現(xiàn)在有6軸以上的電火花成型機(jī)床就能加工了。目前電加工技術(shù)主要應(yīng)用在工作葉片氣膜孔、端孔，整流葉片內(nèi)筋通孔，火焰筒的群孔，葉片榫槽等細(xì)微深孔及異形孔、槽的高效精密的加工中。

圖2 整體葉輪

（2）針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中無(wú)法通過(guò)機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)或者機(jī)械加工成本極高的型面、型槽的加工，通過(guò)電化學(xué)加工設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)難加工材料、復(fù)雜型面的精細(xì)加工，且無(wú)重熔層，表面完好性好。目前國(guó)際普遍采用電解加工設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)整體葉盤(pán)、葉片的精粗加工及電解拋光，達(dá)到整體葉盤(pán)葉片、葉輪的葉片型面輪廓尺寸及表面粗糙度的工藝要求。如圖3所示，用電解方法加工的渦輪轉(zhuǎn)子及整體葉輪，工件材質(zhì)為高溫合金，采用套料加工方式，葉盆、葉背一次加工成形，葉片精度值0.1mm，表面粗糙度值Ra=0.8μm，每個(gè)葉片加工僅需幾分鐘時(shí)間。電解套料加工已成為航空、航天領(lǐng)域優(yōu)先的工藝方法之一。

圖3 渦輪轉(zhuǎn)子

（3）激光加工技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造與維修中，激光加工設(shè)備主要以制孔和切割兩大類為主流，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片類、燃燒室等零件的打孔、切割加工。例如DMG公司生產(chǎn)的五軸激光打孔機(jī)，主要用于航空燃?xì)鈾C(jī)輪構(gòu)件內(nèi)膜冷卻空氣孔的加工，加工精度高，效率高，適應(yīng)性強(qiáng)。目前激光加工技術(shù)將開(kāi)發(fā)和研制的激光焊接、激光熔敷、激光強(qiáng)化、激光熱處理以及激光3D打印等新型技術(shù)與設(shè)備正逐步應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造與維修中，如圖4 所示發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可增加其使用壽命，壓氣機(jī)、燃燒室及渦輪等零部件的制造主要采用激光制孔、激光切割、激光焊接來(lái)完成，可提高零部件的加工效率與加工精度。

特種加工技術(shù)在航空制造業(yè)中已突破了傳統(tǒng)機(jī)械切削加工的瓶頸，在提高加工能力、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的提升方面顯露出巨大的優(yōu)越性，是航空制造技術(shù)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化制造發(fā)展展望

美國(guó)、歐洲、日本等在航空發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品研制中都全面應(yīng)用了以敏捷制造、精益制造和虛擬制造、復(fù)合高效加工及自適應(yīng)控制為代表的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品制造周期。inchinnan工廠是羅·羅公司的專業(yè)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣葉片制造廠，其產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程體現(xiàn)了先進(jìn)制造技術(shù)理念，所有產(chǎn)品工藝在正式投入生產(chǎn)之前，都要采用生產(chǎn)線仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，確保生產(chǎn)線穩(wěn)定安全運(yùn)行；標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控加工制造單元，如機(jī)器人手臂、標(biāo)準(zhǔn)化工裝、測(cè)具及刀具、待加工零件與工序的柔性自適應(yīng)制造工藝與數(shù)控加工程序等，可以準(zhǔn)確無(wú)誤的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)零件的裝夾、找正、周轉(zhuǎn)、測(cè)量數(shù)控加工及零件在不同制造工區(qū)的周轉(zhuǎn)，并通過(guò)系統(tǒng)集成、規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠與羅羅公司總部產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的溝通并參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)決策過(guò)程。相比之下，我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)在數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用范疇比較分散，在深度和廣度上有待進(jìn)一步的突破。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新，各種加工機(jī)床或設(shè)備也隨之在功能、精度、效率及剛度等方面取得重要改進(jìn)，并不斷推動(dòng)航空制造技術(shù)發(fā)展。但我國(guó)現(xiàn)在還是大量依賴國(guó)外進(jìn)口的高端設(shè)備來(lái)完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的生產(chǎn)加工，這也說(shuō)明我國(guó)的機(jī)床設(shè)備制造行業(yè)在研發(fā)和創(chuàng)新方面能力不夠。由于國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平的差異，在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)口設(shè)備存在關(guān)鍵技術(shù)封鎖、先進(jìn)功能得不到有效的利用和開(kāi)發(fā)、設(shè)備維護(hù)成本高等問(wèn)題，如果長(zhǎng)期依賴進(jìn)口設(shè)備，那么我國(guó)航空制造技術(shù)的發(fā)展就會(huì)很被動(dòng)，因此我們應(yīng)該努力追蹤航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)，拉動(dòng)國(guó)產(chǎn)裝備制造水平。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)方面具備了一些經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，但是與國(guó)際先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)相比，還是有很大的差距。我們要以適合于我國(guó)國(guó)情的自主研發(fā)為主，積極借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)字化制造技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，大力發(fā)展我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)，使我國(guó)盡快躋身于世界航空發(fā)達(dá)國(guó)家之列。