芻議航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工技術(shù)及裝備

孫巍 李澄 龔天才 孫升志

摘 要：眾所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)元構(gòu)件對(duì)精密度有較高的要求，為此，一線技術(shù)人員要?jiǎng)?chuàng)新產(chǎn)品交工模式，減小誤差，提高零件加工效率與質(zhì)量等級(jí)。本文首先簡(jiǎn)要論述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件的基本特征，以刀具技術(shù)與數(shù)控設(shè)備為切入點(diǎn)展開(kāi)深度探究。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；典型零件；刀具技術(shù)；數(shù)控設(shè)備；

1、簡(jiǎn)述航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基本特征

為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能安全穩(wěn)定性，在完善設(shè)計(jì)水平的基礎(chǔ)上，要優(yōu)選材料、高效應(yīng)用創(chuàng)新工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。據(jù)業(yè)內(nèi)調(diào)查可知，材料與制造工藝在強(qiáng)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面所占據(jù)的比例在50%-70%之間。隨著現(xiàn)代科技水平的提高與領(lǐng)域創(chuàng)新，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝逐步趨向高效化、智能化、集成化方向發(fā)展，且發(fā)動(dòng)機(jī)材料也更加輕量化、預(yù)制化、經(jīng)濟(jì)化，耐受性能進(jìn)一步得到完善。航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料與制造工藝的基本特征如下所述：

1.1材料強(qiáng)度與耐高溫水平不斷提高，元構(gòu)件承載負(fù)荷能力增強(qiáng)，各類超高溫合金材料層出不窮，且尖端制造技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)性突破，這在一定程度上為提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定性創(chuàng)造了有利條件。

1.2整體結(jié)構(gòu)輕量化、精密化，制造工藝高效化、經(jīng)濟(jì)化，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)部件質(zhì)量不斷減輕，并縮短了生產(chǎn)加工周期，節(jié)約成本投入。

1.3元構(gòu)件制造工藝的應(yīng)用日趨完善，復(fù)合型材料普及優(yōu)化，為航空航天事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.4涂層技術(shù)與制造技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用，為第五代發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展指明了方向。

2、綜合論述航空發(fā)動(dòng)機(jī)刀具技術(shù)的實(shí)際需求

顧名思義，刀具是規(guī)律性切削加工的核心器具，在航空材料加工領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。優(yōu)質(zhì)的航空產(chǎn)品要求航空元構(gòu)件具有穩(wěn)定的性能，兼?zhèn)涔?jié)能環(huán)保性，且價(jià)格低廉。針對(duì)加工工藝來(lái)說(shuō)，要具備高效性、可靠性與可再現(xiàn)性等特征。

航空鈦合金與耐高溫合金元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)尺寸與表層粗糙度等有特殊性要求，進(jìn)一步提高了對(duì)切削工具高效性、精確性與安全性的要求。傳統(tǒng)刀具已無(wú)法切實(shí)滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工需求，為此，現(xiàn)代刀具逐步向著高效化、高精度化、高專業(yè)化方向發(fā)展。

創(chuàng)新型航空材料種類繁多，如彌散強(qiáng)化鈦合金、粉末高溫合金等，憑借其優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工領(lǐng)域，并取得了卓越的成效。為此，深入研究各類鈦合金材料切削工藝，強(qiáng)化切削加工性能，積極開(kāi)發(fā)多元化專業(yè)刀具材料勢(shì)在必行。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零構(gòu)件，如風(fēng)扇機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、葉輪及葉片等，研發(fā)一系列兼具高效性、精密性與安全性的專業(yè)刀具，包括車、鉆、拉等。創(chuàng)新刀具技術(shù)應(yīng)當(dāng)立足于構(gòu)建完整的道具分析模型，逐步優(yōu)化模型數(shù)據(jù)參數(shù)，開(kāi)展精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究?？偠灾挥写_保刀具性能穩(wěn)定、精密度符合標(biāo)準(zhǔn)，才能切實(shí)滿足加工需求。

3、航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型元件加工對(duì)數(shù)控設(shè)備的專業(yè)化要求

航空制造業(yè)對(duì)零件加工效率與精密度的標(biāo)準(zhǔn)要求不斷提高，為推進(jìn)機(jī)床技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。復(fù)合加工運(yùn)作模式與多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的問(wèn)世與服務(wù)主體對(duì)象的實(shí)際需求緊密相關(guān)?？傊瑱C(jī)床的發(fā)展方向如下所述：

3.1自動(dòng)化程度高，要求機(jī)床設(shè)備具有數(shù)字化、前沿化特征，且自動(dòng)化水平較高。

3.2集成化水平高，附加設(shè)備有限，能夠?qū)崿F(xiàn)各類創(chuàng)新工藝的協(xié)調(diào)配合。

3.3設(shè)備通用性、實(shí)用性程度高，可滿足各類加工模式的實(shí)際需求。

3.4設(shè)備高效化、高精度化特征突出，且核心技術(shù)應(yīng)用成熟。

3.5設(shè)備穩(wěn)定性高，出現(xiàn)緊急故障的概率在合理范圍內(nèi)。

4、深入探究航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工技術(shù)

4.1嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)零件材料，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工生產(chǎn)過(guò)程中，一線技術(shù)人員可優(yōu)先使用復(fù)合材料零件。在切削加工零件時(shí)，加入具有一定性能的原材料，可進(jìn)一步降低切削難度系數(shù)。例如，在切削加工發(fā)動(dòng)機(jī)零件時(shí)，添加鎢可提高材料耐高溫性能，添加鉬可提高材料的韌性與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)零件的使用效果。但是，在發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工中添加合金元素，一線技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加大對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)不規(guī)律下降的重視度。在制定零件加工方案時(shí)，綜合考量零件的沖擊韌度與抗拉強(qiáng)度，確保材料選擇的合理性。

通常，發(fā)動(dòng)機(jī)軸多使用QT700材料及虛擬性加工，缸蓋多選用ZL101材料。在處理零件的過(guò)程中，可依托三維立體模型優(yōu)化零構(gòu)件加工的各項(xiàng)細(xì)節(jié)。根據(jù)加工設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)確定零件處理工序，選擇對(duì)應(yīng)的機(jī)床類型提高加工效率與精確性。使用CAD模型處理方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)字化處理。建立單個(gè)典型精密零件的CAD模型特征信息表，具體包括典型零件加工工藝特征、技術(shù)規(guī)范與制造資源庫(kù)容量信息等，以此為基準(zhǔn)，快速讀取零件的幾何特征信息，進(jìn)而確保切削參數(shù)設(shè)定的精確性。

4.2加大對(duì)核心零件加工設(shè)計(jì)的重視，選擇適宜的道具裝備

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的加工內(nèi)容主要包括切削進(jìn)氣門座圈、切削導(dǎo)管、加工上平面螺紋，針對(duì)此，專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)選擇特定的切削裝備與刀具材料。在應(yīng)用加工技術(shù)的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格控制每齒進(jìn)給量和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，根據(jù)切削零件的進(jìn)給量調(diào)整刀具運(yùn)轉(zhuǎn)速率。在控制主軸轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，技術(shù)人員要綜合考量加工余量與耐用度，盡可能的提高典型零件的斷裂韌度與抗彎強(qiáng)度。在整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造體系中，凸輪軸屬于最基礎(chǔ)且最重要的零構(gòu)件，其加工材料多為HT250型材料，且抗拉強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)為250MIN/MPa。由于其耐高溫性能較差，抗拉強(qiáng)度承受能力偏低，在高溫狀態(tài)下極易發(fā)生形變，因此，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸構(gòu)成材料的力學(xué)性能有特殊性要求。各項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)如下：

其伸長(zhǎng)率與導(dǎo)熱系數(shù)最低標(biāo)準(zhǔn)分別為0.5%0.580W/cm-k。除凸輪軸外，曲軸、缸蓋、連桿等也屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的典型零件。針對(duì)典型零件的加工技術(shù)來(lái)說(shuō)，其核心在于選擇適宜的刀具材料與切削裝備，最大限度的保證加工效率與精確性。

4.3動(dòng)態(tài)監(jiān)控涂裝技術(shù)應(yīng)用，嚴(yán)格檢查加工生產(chǎn)細(xì)節(jié)

根據(jù)零件的尺寸參數(shù)選擇適宜的精銑端面槽，并嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用鏜床加工鏜精密孔，全面且細(xì)致的檢查發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件的孔徑。專業(yè)技術(shù)人員可采用三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等檢查預(yù)加工零件的尺寸，及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件加工環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，將加工半成品零件運(yùn)送到車銑復(fù)合加工中心進(jìn)行集中處理。通常情況下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的半成品需要加裝涂層，并結(jié)合不同零構(gòu)件的具體應(yīng)用特征選擇適宜的涂層。TiN類的發(fā)動(dòng)機(jī)零件為金黃色，經(jīng)專業(yè)測(cè)定，其硬度標(biāo)準(zhǔn)在1800-2300H之間，其符合低速狀態(tài)下采取通用涂裝技術(shù)的基本需求。TiN類發(fā)動(dòng)機(jī)零件呈紫黑色，且硬度標(biāo)準(zhǔn)較高，符合高速狀態(tài)下采取通用涂裝技術(shù)的基本需求。此種材料在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空零件加工體系中被廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的成效。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，在發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工過(guò)程中，專業(yè)技術(shù)人員需制定合理的加工方案，高效應(yīng)用創(chuàng)新型切割裝備，以提高加工效率與精確性。此外，技術(shù)人員要根據(jù)裝備的性能與典型零件的設(shè)計(jì)模型建立材料特征庫(kù)，在零構(gòu)件加工過(guò)程中自動(dòng)調(diào)用加工工藝。在典型零件的后置處理過(guò)程中，技術(shù)人員可根據(jù)工件材料的基本特征，參考機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而利用數(shù)控機(jī)床控制面板調(diào)整刀具運(yùn)行軌跡。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘磊，翟瑩瑩.航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工技術(shù)及裝備探討[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品.2017（04）