航空發(fā)動機(jī)薄壁零件高效高精度制造空氣阻尼工藝裝備技術(shù)

■ 李湉 張晟瑋 劉波 周兆鋼/中國航發(fā)成發(fā) 唐鋆磊/西南石油大學(xué)

為滿足航空發(fā)動機(jī)鍛件整體機(jī)匣的高效高精度制造要求，研發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動機(jī)薄壁零件高效高精度制造空氣阻尼工藝裝備，設(shè)計并研制了機(jī)匣加工的減振系統(tǒng)，實現(xiàn)加工效率和刀具壽命的大幅度提升、加工變形的大幅度降低。

航空發(fā)動機(jī)的薄壁機(jī)匣零件承載發(fā)動機(jī)零組件重量（質(zhì)量）、承受軸向和徑向力的作用，構(gòu)成氣流通道，包容氣流、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子，防止轉(zhuǎn)子葉片斷裂飛出，起到連接、支撐、包容等作用。隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對薄壁零件的功能性、材料性要求越來越高：結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，加工精度要求越來越高，材料性能挑戰(zhàn)越來越大，制造技術(shù)要求越來越高。

薄壁零件加工難點

現(xiàn)役大型商用渦扇發(fā)動機(jī)熱端薄壁機(jī)匣零件均為高溫鎳基合金材料，由整體鍛件加工而成，主要特點包括以下幾個方面：零件的整體尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且工件的壁厚較薄，在加工過程中極易產(chǎn)生加工變形；零件外輪廓尺寸較大，但截面積較小，零件剛性的降低，容易發(fā)生切削振動，嚴(yán)重影響零件的加工質(zhì)量和效率；零件裝配在發(fā)動機(jī)熱端，工作環(huán)境復(fù)雜，不僅對加工尺寸精度有較高的要求，對表面完整性也有很高的要求。

圖1 遄達(dá) XWB燃燒室外機(jī)匣示意圖

對于薄壁機(jī)匣零件加工中出現(xiàn)的振動劇烈問題，國內(nèi)傳統(tǒng)的解決方案是使用能夠提供徑向支撐的剛性約束輔助工裝，但能完全與零件表面貼合的支撐工裝制造十分困難，通常采用增加徑向支撐點數(shù)量的方式為薄壁零件提供徑向支撐力以增加零件加工時的剛度。

中國航發(fā)成發(fā)承接了羅羅公司的遄達(dá) XWB發(fā)動機(jī)核心零件——燃燒室外機(jī)匣（如圖1所示）的制備加工。該零件為整體機(jī)匣，材料為鎳基高溫合金，高600mm，直徑將近1000mm，最薄壁厚2mm，零件型面復(fù)雜，其安裝座有近70個復(fù)雜的花邊結(jié)構(gòu)，整個零件由400kg的毛料加工成90kg的成品件，材料去除率將近80%。這是中國航發(fā)成發(fā)首次承制如此大型復(fù)雜的整體機(jī)匣零件。

由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、材料難加工、尺寸精度和位置精度要求都很高，加上該機(jī)匣的所有安裝座都必須用數(shù)控五軸聯(lián)動銑加工，再加上零件壁薄、剛性差等因素，在銑加工中伴有劇烈的振動，只能用很低的切削參數(shù)進(jìn)行加工，加工時間將超過280h。加工過程中還會產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力等原因，使得零件的機(jī)加變形超過0.6mm，不得不通過反復(fù)修基準(zhǔn)來保證其加工精度，單臺設(shè)備加工調(diào)試周期超過3個月。 而羅羅公司銑加工時間僅為90h，并且加工變形較小，在加工過程中無須修基準(zhǔn)。

通過創(chuàng)新開展技術(shù)攻關(guān)

針對“新產(chǎn)品”“新材料”的“新問題”，中國航發(fā)成發(fā)的創(chuàng)新團(tuán)隊通過深入研究，決定應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)結(jié)合阻尼新材料技術(shù)、氣體阻尼機(jī)理、靜力學(xué)和動力學(xué)機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計：用阻尼凝膠減振材料自適應(yīng)于零件表面，吸收振動；用空氣阻尼均衡支撐零件，分散切削力，吸收加工振動；用機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)加工振動的傳遞、擴(kuò)散和衰減。新開發(fā)出的工裝設(shè)備結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 零件系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)振動示意圖

圖4 阻尼材料試驗示意圖

振動機(jī)理與特征研究

應(yīng)用力學(xué)理論，結(jié)合先進(jìn)制造技術(shù)與大量現(xiàn)場試驗，在理論上研究振動機(jī)理，并應(yīng)用在線振動檢測儀器采集加工過程中刀具機(jī)床系統(tǒng)和零件系統(tǒng)的振動特征信號，對采集的信號進(jìn)行分析。對比剛性支撐夾具的高階譜等信號特征分析得出，在250～650Hz之間，零件夾具系統(tǒng)弱于刀具系統(tǒng)（如圖3所示），無法保證加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且，由于增加的支撐面不能全部均勻地覆蓋在零件內(nèi)表面，開始加工時薄壁將在未接觸位置彎曲變形并產(chǎn)生回彈，進(jìn)而破環(huán)零件的動態(tài)穩(wěn)定性。

剛性約束技術(shù)研究結(jié)果表明，單獨依靠剛性約束減振的效果無法達(dá)到要求，還必須創(chuàng)造性地突破氣體阻尼技術(shù)和高性能阻尼減振凝膠材料技術(shù)，這兩項創(chuàng)新技術(shù)成為最終解決加工振顫的核心技術(shù)。

阻尼材料開發(fā)

利用分子微觀振動與轉(zhuǎn)動將宏觀機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的基本理論，創(chuàng)新團(tuán)隊開創(chuàng)性地提出了利用凝膠材料的多尺度微觀結(jié)構(gòu)的特性構(gòu)建新型阻尼減振材料的理論，設(shè)計了阻尼凝膠體系，通過凝膠體系中大分子鏈與小分子組分對不同頻率振動機(jī)械能的耗散作用，從而能在寬頻率與寬溫域范圍內(nèi)將絕大部分振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。由于凝膠材料的大分子互穿形成骨架結(jié)構(gòu)，小分子無序排列，分子所受束縛適中，其能量轉(zhuǎn)化效率極高。隨后，進(jìn)一步開發(fā)出了現(xiàn)場噴涂成形和3D打印工藝，針對異形件可快速制備阻尼層或阻尼組件，實現(xiàn)了現(xiàn)場應(yīng)用。

圖5 振動監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

創(chuàng)新團(tuán)隊設(shè)計了10mm厚的高性能阻尼減振凝膠材料模塊，用于夾具系統(tǒng)的阻尼結(jié)構(gòu)耦合，以獲得最優(yōu)協(xié)同減振效果。高性能阻尼減振凝膠材料能夠在現(xiàn)場對零件型面進(jìn)行常溫成形噴涂，適應(yīng)任何型面，方便快捷，更能符合工廠對經(jīng)濟(jì)性的要求。該新型阻尼材料具有一定的柔性，可以緊密地與零件型面進(jìn)行完整的貼合；具有熱塑性，可以重復(fù)成形和循環(huán)使用。

空氣阻尼器的開發(fā)

創(chuàng)新團(tuán)隊設(shè)計并開發(fā)出不同的氣體阻尼器，優(yōu)化構(gòu)型與受力傳導(dǎo)方式，研究不同氣體的阻尼性能，突破了氣體阻尼技術(shù)及氣體阻尼器模塊化技術(shù)，開發(fā)出氣體阻尼器的變徑支撐組件。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，氣體阻尼和氣體阻尼系數(shù)基本呈線性增長，因此可以通過控制氣體阻尼器壓力獲得不同特性零件的最優(yōu)阻尼參數(shù)。

綜合集成與阻尼性能耦合

創(chuàng)新團(tuán)隊通過理論創(chuàng)新提出了阻尼耦合綜合技術(shù)，將剛性約束優(yōu)化、氣體阻尼技術(shù)、高性能阻尼減振凝膠材料技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，通過模態(tài)分析與優(yōu)化試驗獲得了復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)。以剛性約束為基礎(chǔ)，高性能阻尼減振凝膠材料能夠滿足不同類型復(fù)雜型面的需求，通過氣體阻尼器將高性能阻尼減振凝膠材料支撐在零件型面上，可以自適應(yīng)各型機(jī)匣零件或其他類似零件的加工需要。新開發(fā)的在線檢測技術(shù)，如圖5所示，建立了基于檢測數(shù)據(jù)分析的加工參數(shù)控制與調(diào)整方法，可以獲得最優(yōu)的減振和加工參數(shù)，對多種類型多種工藝的航空發(fā)動機(jī)零部件加工獲得了高效、高質(zhì)量與高精度的效果。

表1 加工技術(shù)指標(biāo)表

實施效果

通過本項目技術(shù)的應(yīng)用如圖6所示，加工時的動態(tài)穩(wěn)定性得到極大增強(qiáng)，加工中的振動被極大地減弱。加工技術(shù)指標(biāo)對比見表1。另外，通過與羅羅公司的加工效果對比，該項技術(shù)成果已處于世界先進(jìn)水平。

圖6 現(xiàn)場實施示意圖

結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)薄壁零件高效高精度制造空氣阻尼工藝裝備技術(shù)針對航空發(fā)動機(jī)薄壁零件，因切削加工振動大，導(dǎo)致加工效率低、零件精度差、表面完整性差、刀具消耗大等難題，中國航發(fā)成發(fā)的創(chuàng)新團(tuán)隊開發(fā)出了航空發(fā)動機(jī)薄壁零件制造的專用工藝與阻尼系統(tǒng)，突破了航空發(fā)動機(jī)薄壁零件高效高精度加工的瓶頸，使加工效率和質(zhì)量達(dá)到了世界先進(jìn)水平。