數(shù)控機床在航空發(fā)動機制造的應(yīng)用探究

郝 斌，張振興

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機作為飛機的重要組成部分，是確保飛機是否完成順利飛行的關(guān)鍵。近年來，越來越多的國家將資金和人力投入到飛機發(fā)動機的研究和制作中，試圖研究出更高性能的航空發(fā)動機，更好地展現(xiàn)自身的科技水平和綜合國力。當(dāng)前航空發(fā)動機按照用途主要分為民用航空發(fā)動機和軍用航空發(fā)動機。民用飛機展現(xiàn)的是一個國家的科技水平和綜合國力，其中采用的大涵道比渦扇發(fā)動機更是制造業(yè)中的靈魂技術(shù)所在。利用大涵道比渦扇發(fā)動機制造出來的產(chǎn)品價值遠遠高于電器、汽車制造等行業(yè)，可以為國家創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，同時還是一個國家進行外交的重要政治籌碼。軍用飛機在戰(zhàn)爭時期是決定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵因素，而在現(xiàn)階段則是促進國民經(jīng)濟和科技發(fā)展的重要助力，集中體現(xiàn)了一個國家工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平和綜合國力，能夠為一個國家的發(fā)展提供強有力的保障，當(dāng)前航空發(fā)動機研發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為諸多國家關(guān)注的重要技術(shù)之一。

當(dāng)前許多國家能夠獨立生產(chǎn)飛機、坦克、核彈或火箭，但是只有美國、俄國、英國和法國能獨立制作航空發(fā)動機。相比于這些技術(shù)發(fā)展成熟的國家，我國在技術(shù)上還存在很多不足之處，未來我國將一直致力于研發(fā)并提高航空發(fā)動機技術(shù)。

1 數(shù)控機床的特點

第四次工業(yè)革命的到來，改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)模式，傳統(tǒng)的工廠已經(jīng)不滿足不了日益增長的生產(chǎn)需求，新型的現(xiàn)代化智能工廠應(yīng)運而生。數(shù)控機床成功替代了傳統(tǒng)機床的生產(chǎn)工藝，大大提高了生產(chǎn)線的效率，改善了產(chǎn)品精度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，使得產(chǎn)品擁有了更高的市場競爭力。數(shù)控機床的特點主要有如下4 點。

（1）精度高。普通機床的加工精度一般能夠達到微米級，而數(shù)控機床的加工精度更高，可以達到納米級。精度的提高能夠保證航空發(fā)動機零件的生產(chǎn)需求，同時還可以保障生產(chǎn)產(chǎn)品的總體合格率。

（2）連續(xù)加工多道工序。航空發(fā)動機是由多種內(nèi)部零件構(gòu)成，因此在加工的過程中會涉及到多道工序。對于普通機床來說，只能在生產(chǎn)線上完成一道工序，通過嚴(yán)格的審查后可能還要進行返工，人工重新找準(zhǔn)定位，需要耗費很多周轉(zhuǎn)時間。但是數(shù)控機床只需要進行一次定位、更換相應(yīng)的刀具，就可以直接進行航空發(fā)動機零件的生產(chǎn)，大大提高航空發(fā)動機零件的生產(chǎn)效率。

（3）允許大切削量。數(shù)控機床具有軸速快、移動快的重要特點，且內(nèi)部要保持封閉狀態(tài)。航空發(fā)動機機匣尺寸大、切削量大，滿足生產(chǎn)航空發(fā)動機內(nèi)部的零件的條件。

（4）產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。數(shù)控機床在啟動前會設(shè)置設(shè)備程序，只要程序不發(fā)生改變，設(shè)備硬件設(shè)施不發(fā)生改變，那么就會生產(chǎn)出幾乎沒有變化的零件。在保證人為誤差的前提下，只要將設(shè)備調(diào)試完好，就能確保生產(chǎn)的航空發(fā)動機零件的合格率。

2 數(shù)控機床在航空發(fā)動機制造過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在第四次工業(yè)革命后，我國的數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的發(fā)展和推廣，CAD/CAM 制造技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，已經(jīng)成為制造航空發(fā)動機產(chǎn)品的重要技術(shù)手段，普通機床已經(jīng)退出歷史的舞臺，而帶有磨、數(shù)控車和銑的數(shù)控機床逐漸成為制造航空發(fā)動機產(chǎn)品的重要設(shè)備。盡管數(shù)控機床的優(yōu)勢顯而易見，但是其內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，也存在一些問題，主要分為以下3 個方面。

（1）花費成本高昂。引入數(shù)控機床來生產(chǎn)航空發(fā)動機，會在前期投入大量的成本，在使用期間還要投入大量的人力和資金，還要花費維護設(shè)備的資金，這是傳統(tǒng)的機床無法與之相比的，盡管生產(chǎn)效率得到了有效提高，但是投入的經(jīng)濟成本較高。

（2）操作人員基數(shù)水平不夠。對于傳統(tǒng)機床來說，操作人員僅僅學(xué)會最簡單的理論知識和基本操作便能夠順利的對整個機床進行一系列的操作，但是數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床的操作方法有著很多的不同之處，不僅要準(zhǔn)備大量的前期工作，進行相關(guān)的程序編制，而且還要求操作人員把握好整個設(shè)備的操作流程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才能夠順利保障數(shù)控機床的順利生產(chǎn)。但是在實際的操作中，操作人員的技術(shù)水平并不到位，對于設(shè)備操作不熟悉很容易造成人為誤差，生產(chǎn)出來的零件自然達不到標(biāo)準(zhǔn)，而且設(shè)備后期還需要引入相應(yīng)的維護人員，生產(chǎn)企業(yè)不僅需要花費時間和資金培養(yǎng)高知識水平的操作人員，還要花費更多的資金進行后期設(shè)備的維護。

（3）精度達不到零件要求。航空發(fā)動機內(nèi)部含有多種零件，每個零件對于精度的要求也是不同的，對于精度要求不高、工序步驟少的航空發(fā)動機零件，可以使用傳統(tǒng)機床進行定位，經(jīng)驗豐富的操作人員便可以完成零件的生產(chǎn)和加工。但是對于精度高的發(fā)動機零件來說，如果因為機器的一點偏差，不僅會影響到整個發(fā)動機的性能，同時還會影響到整架飛機的飛行。發(fā)動機材料、結(jié)構(gòu)和工藝的復(fù)雜性與其高精度制造之間形成了一對矛盾，成為制約我國發(fā)動機零件生產(chǎn)的重要瓶頸，這就要求我國的零件生產(chǎn)企業(yè)不斷提高數(shù)控設(shè)備的生產(chǎn)精度，從而有效推動我國航空領(lǐng)域的發(fā)展。

3 提高航空發(fā)動機性能的有效措施

為了滿足民用飛行和軍用飛行的種種需求、提高我國航空發(fā)動機的性能，可以從以下4 個方面入手。

3.1 開發(fā)新概念的航空發(fā)動機

軍用飛機和民用飛機的用途不同，為了更好地滿足這2 種需求，我國應(yīng)當(dāng)充分重視新型發(fā)動機的發(fā)展，加大資金、人力和物力來研發(fā)新概念的發(fā)動機，為未來的航空事業(yè)奠定堅實的發(fā)展基礎(chǔ)。目前很多新型航空發(fā)動機不斷被研發(fā)出來，如波轉(zhuǎn)子發(fā)動機、渦輪沖壓發(fā)動機、智能發(fā)動機，未來這些發(fā)動機可能會成為航空發(fā)動機發(fā)展的熱點。當(dāng)然，應(yīng)用這些新型發(fā)動機的前提是確保我國制造技術(shù)朝著更成熟的方向發(fā)展。

3.2 使用新型材料和新型結(jié)構(gòu)

目前的航空發(fā)動機應(yīng)用了不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料來滿足航空飛行的要求，如使用夾層結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)、耐高溫結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)，而且也開始使用陶瓷基復(fù)合材料、新型單晶高溫合金、高溫鈦合金等新型材料，這不僅能夠有效降低航空發(fā)動機的總體質(zhì)量，延長航空發(fā)動機的使用壽命，增強可維修性，同時還可以提高航空發(fā)動機的總體性能。

3.3 采用先進的制造模式和工藝技術(shù)

基于新理念的制造模式和工藝技術(shù)是為了給我國航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展夯實基礎(chǔ)。當(dāng)前新型的制造模式和工藝技術(shù)主要分為以下4 個方面。

（1）開啟智能化的制造模式來進行工藝革命。智能制造是指通過計算機來模擬專家的判斷推理、理論分析和構(gòu)思、決策等智能行為，有機的將這些智能活動與智能機器融合在一起，這樣可以有效減少研發(fā)專家的腦力勞動，同時也能有效提高航空發(fā)動機零件的生產(chǎn)效率。在航空發(fā)動機零件的生產(chǎn)和裝配的過程中，應(yīng)用智能制造模式可以減少零件的生產(chǎn)時間、有效避免人為誤差，是當(dāng)前乃至未來航空企業(yè)需要重點發(fā)展的方向。

（2）通過增材制造技術(shù)來改變傳統(tǒng)的工藝制作路線，這種技術(shù)主要是指基于數(shù)字模型將金屬和復(fù)合材料在特定的位置制成凈零件的技術(shù)，也常被稱為3D 打印技術(shù)。這種新興的前沿技術(shù)改變了原有的工藝路線，能夠直接制作出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，不僅能簡化工藝流程，提高零件性能，同時還能夠大大提高零件反應(yīng)速度，目前已經(jīng)被用于先進發(fā)動機噴嘴等零件中。隨著應(yīng)用范圍的逐漸擴大，增材制造技術(shù)一定能成為制造先進發(fā)動機的重要工藝之一。

（3）傳統(tǒng)工藝大多遵循的是結(jié)構(gòu)完整性的制造理念。發(fā)動機的結(jié)構(gòu)完整性主要是指關(guān)系到安全使用、使用費用和功能的結(jié)構(gòu)強度、剛度、振動、損傷容限及安全壽命等發(fā)動機所要求的結(jié)構(gòu)特性的總稱。在對發(fā)動機進行設(shè)計、制造、使用和維護的系列操作中，制造技術(shù)的高低直接決定了航空發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性。在確保發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性的前提下，在制造技術(shù)和測試驗證技術(shù)的共同作用下，可以有效改進制造技術(shù)，促進制造技術(shù)的快速成熟。

（4）隨著微納米制造技術(shù)的不斷發(fā)展，制造技術(shù)的應(yīng)用范圍變得越來越寬。微納制造技術(shù)一般指微米、納米級（0.1～100 nm）的材料、設(shè)計、制造、測量、控制和產(chǎn)品的研究、加工、制造以及應(yīng)用技術(shù)，當(dāng)前微納制造技術(shù)主要包括加工精度和加工尺度2 個方面的內(nèi)容，當(dāng)前主要被應(yīng)用于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng)）、碳納米管材料、仿生結(jié)構(gòu)、傳感器等器件的制造。利用微納制造技術(shù)不僅可以生產(chǎn)出高精度的元器件和零部件，還能在一定程度上提高航空發(fā)動機的總體性能。

3.4 建立優(yōu)秀人才隊伍

人才是一個企業(yè)發(fā)展的動力源泉，面對發(fā)動機制造市場的激烈競爭，確保優(yōu)秀的人才隊伍才是制勝的關(guān)鍵所在。無論是冷加工還是熱加工，只有優(yōu)秀的人才才能夠確保航空發(fā)動機的性能優(yōu)異。目前我國發(fā)動機制造行業(yè)的人員操作水平層次不齊，缺少高層次科技人才，也沒有充足的技術(shù)骨干力量，嚴(yán)重制約了航空動力的發(fā)展。為了能夠研制出更高性能的飛機，實現(xiàn)我國成為航空大國的目標(biāo)，航空企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視人才的重要性，一定要將人才用到實處，還要加大力度引進人才，將其培養(yǎng)成優(yōu)秀的技術(shù)骨干。

4 結(jié)束語

制造高性能的航空發(fā)動機，勢必要掌握先進的制造技術(shù)，材料和工藝的進步直接關(guān)系到發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展。因此，我國應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循航空發(fā)動機研制的規(guī)律，制定出符合我國根本國情的航空制造計劃，不惜人力、物力和資金的投入，開展高性能航空發(fā)動機的制造研究。只有掌握先進的研發(fā)技術(shù)，不斷突破制造航空發(fā)動機的阻礙，積極學(xué)習(xí)國外航空強國的先進的制造技術(shù)，結(jié)合我國當(dāng)前航空發(fā)動機行業(yè)的實際研發(fā)情況，不斷進行工藝創(chuàng)新，堅持科學(xué)的工藝管理理念，以先進的數(shù)控機床技術(shù)作為支撐，不斷提升我國航空發(fā)動機制造工藝的技術(shù)水平，打造出獨具特色、滿足航空需求又能適應(yīng)我國國民經(jīng)濟發(fā)展的工藝體系。