發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵工藝

李 迪 趙 源 房建國 韓海濤 劉 勇 徐昌語

(北京航空精密機(jī)械研究所 精密制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實驗室，北京 100076)

1 引 言

目前，我國在役和在研航空發(fā)動機(jī)普遍存在整機(jī)振動問題，發(fā)動機(jī)質(zhì)量、壽命、可靠性難以得到保證[1]。發(fā)動機(jī)振動的根源在于核心機(jī)。核心機(jī)是航空發(fā)動機(jī)最重要的部件[2]，由壓氣機(jī)、渦輪、燃燒室等構(gòu)成[3]。壓氣機(jī)分為靜子與轉(zhuǎn)子兩部分[4]，屬回轉(zhuǎn)體類多級構(gòu)件，通過堆疊裝配而成[5]，是發(fā)動機(jī)裝配中最關(guān)鍵的工序，其技術(shù)難度最大、耗時最長[6]。由于靜轉(zhuǎn)子的同軸度超差問題而導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)振動故障，占航空發(fā)動機(jī)故障總量近三分之二[7]。因此，解決發(fā)動機(jī)裝配問題的關(guān)鍵，就在于攻關(guān)靜子與轉(zhuǎn)子裝配工藝，即有效保證靜轉(zhuǎn)子同軸度。為解決這一難題，國外專門開發(fā)了航空發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)，在專用平臺上進(jìn)行發(fā)動機(jī)靜子、轉(zhuǎn)子裝配，通過自動化檢測手段的運(yùn)用[8]，實時檢測裝配面狀態(tài)，預(yù)測裝配效果，通過在線指導(dǎo)最優(yōu)化裝配操作，及時修正、補(bǔ)償裝配誤差，有效保證航空發(fā)動機(jī)裝配質(zhì)量與合格率。

國外主要航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商均已在發(fā)動機(jī)裝配環(huán)節(jié)采用裝配檢測一體化系統(tǒng)及技術(shù)[9]，如圖1所示。系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。系統(tǒng)主要針對發(fā)動機(jī)靜子與轉(zhuǎn)子的端跳、徑跳、同軸度、裝配相位等指標(biāo)進(jìn)行檢測，通過多測頭同步測量，一次性獲取參數(shù)量值。經(jīng)系統(tǒng)分析評價，能夠指導(dǎo)多級裝配操作，消除靜轉(zhuǎn)子堆疊后產(chǎn)生的“曲軸”或“香蕉軸”等異常狀態(tài)[10]。

(a) EAS系統(tǒng) (b) Aerospect SPS系統(tǒng) (c) iMAP系統(tǒng)圖1 國外的航空發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)Fig.1 Overseas integration system of aeroengine assembly and inspection

與國外先進(jìn)水平相比，我國在發(fā)動機(jī)裝配過程檢測的理念、方法、裝備、工藝上全面落后，國內(nèi)對于發(fā)動機(jī)裝配的重要性還未充分認(rèn)知，從事相關(guān)研究的科研院所極為稀少。如圖2(a)所示，為某主機(jī)廠引進(jìn)的RPI公司系統(tǒng)，由于發(fā)動機(jī)設(shè)計與裝配工藝脫節(jié)，且系統(tǒng)操作復(fù)雜，故長期閑置。如圖2(b)所示，為某主機(jī)廠自制的小型裝配檢測平臺，采用分度臺與表架的簡易結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)精度低，使用不便。如圖2(c)所示，為哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的系統(tǒng)；其指標(biāo)接近國外水平，但在多級裝配指導(dǎo)能力、可靠性等方面仍存在差距。

表1 國外系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

(a) 引進(jìn)系統(tǒng) (b) 簡易平臺

(c) 國內(nèi)自研系統(tǒng)圖2 國內(nèi)的航空發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)Fig.2 Domestic integration system of aeroengine assembly and inspection

綜上所述，在發(fā)動機(jī)裝配流程中貫徹精密檢測的理念與方法，是突破國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)制造技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵。而技術(shù)突破的基礎(chǔ)，亟待開發(fā)具有高精度、高可靠性、高易用性、可定制特性的國產(chǎn)發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體方案

發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)用于發(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子裝配工序中，采用多測頭在線監(jiān)測裝配過程，針對發(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子的裝配定位精度進(jìn)行快速測量，通過建立裝配參數(shù)檢測數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)開放及數(shù)據(jù)互聯(lián)，能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子的裝配工藝進(jìn)行有效指導(dǎo)與實時校正。系統(tǒng)能夠為提高發(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子裝配工作效率、優(yōu)化組件系統(tǒng)性能提供準(zhǔn)確可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)，能夠提升裝配體的裝配精度與裝配一致性，從而確保發(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子裝配的合格率與可靠性。

系統(tǒng)主要功能如下：

(1)靜轉(zhuǎn)子參數(shù)測量：在發(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子裝配過程中，通過氣浮轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)，動態(tài)測量各級靜轉(zhuǎn)子安裝面的端跳、軸跳、同軸度等指標(biāo)。

(2)靜轉(zhuǎn)子裝配平臺：通過氣浮轉(zhuǎn)臺軸系的鎖緊定位，能夠在系統(tǒng)平臺上完成發(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子裝配操作。

如圖3所示，系統(tǒng)由下列單元模塊構(gòu)成，包括：花崗石基座、高精度氣浮轉(zhuǎn)臺、調(diào)心臺、快速夾具、測試夾持裝置、傳感器、自鎖模塊、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。

圖3 航空發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.3 Overall design of integration system of aeroengine assembly and inspection

2.2 核心部件設(shè)計

高精度氣浮轉(zhuǎn)臺是發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)的核心。由于系統(tǒng)對于轉(zhuǎn)臺的角回轉(zhuǎn)誤差要求極高，因此，氣浮轉(zhuǎn)臺采用大浮板結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用超精密大平面保證角回轉(zhuǎn)精度，同時具備大承載能力和高剛度特性，確保系統(tǒng)的高精度與高穩(wěn)定性。氣浮轉(zhuǎn)臺主要由上止推軸承、浮板、下止推軸承、徑向軸承和主軸等組成，如圖4所示。

圖4 高精度氣浮轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of high-precision aerostatic rotary table

氣浮轉(zhuǎn)臺采用氣體靜壓軸承，實現(xiàn)極高的精度。通過結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計、節(jié)流器參數(shù)與工作間隙優(yōu)化選擇等設(shè)計方法的系統(tǒng)性綜合運(yùn)用，設(shè)計了氣浮轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標(biāo)，如表2所示。

表2 高精度氣浮轉(zhuǎn)臺設(shè)計指標(biāo)

2.3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用開放式架構(gòu)，硬件核心采用“上位機(jī)(人機(jī)終端)+下位機(jī)(數(shù)據(jù)同步及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))”結(jié)構(gòu)，如圖5所示。能夠滿足系統(tǒng)的實時性、快速性要求，同時為操作和配置提供靈活性，便于系統(tǒng)升級維護(hù)。其中，上位機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)管理功能，以及傳感器信號分析與結(jié)果評價；下位機(jī)實現(xiàn)裝配參數(shù)測量、位置姿態(tài)反饋及數(shù)據(jù)同步功能。

2.4 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)同步

系統(tǒng)開發(fā)了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于多傳感

圖5 控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Control system architecture

器集中管控、信號同步與前置處理，以及與上位機(jī)的實時通訊。同時，針對傳感器的電氣接口與通信協(xié)議，開發(fā)傳感數(shù)據(jù)實時讀取、調(diào)理的專用接口模塊，實現(xiàn)傳感器信號的動態(tài)采集與處理，并向上位機(jī)軟件實時傳輸有效數(shù)據(jù)。

傳感器數(shù)據(jù)與角位置反饋數(shù)據(jù)經(jīng)疊加處理后，輸出帶角度信息的數(shù)據(jù)，這就需要進(jìn)行信號同步控制，建立傳感器位移量與氣浮轉(zhuǎn)臺角度位置量的匹配數(shù)據(jù)庫，保證傳感器信號與角位移信號實時一一對應(yīng)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時跟蹤顯示。因此，開發(fā)數(shù)據(jù)同步模塊，向傳感器和角位置感應(yīng)器發(fā)送同步脈沖，緩存記錄傳感器數(shù)值與角度位置反饋值，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)同步實現(xiàn)原理Fig.6 Principle of data synchronization

2.5 數(shù)據(jù)處理及交互

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可實時監(jiān)控發(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子的裝配狀態(tài)，實現(xiàn)自動檢測和數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)實時跟蹤顯示、可視化參數(shù)評價、基于數(shù)據(jù)庫的存儲與檢索、檢測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)等功能。系統(tǒng)功能，如表3所示。

如圖7所示，為軟件主界面，包含傳感器管理模塊、定心與檢測模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、輸出與聯(lián)網(wǎng)模塊、安全報警模塊等。

表3 系統(tǒng)功能列表

圖7 軟件主界面Fig.7 Main operation interface

3 關(guān)鍵工藝開發(fā)

3.1 加工工藝分析

氣浮轉(zhuǎn)臺作為發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)的核心部件，其工藝瓶頸在氣浮軸承加工。氣浮轉(zhuǎn)臺在工作狀態(tài)下，由止推軸承承載軸向負(fù)載，故止推軸承是影響氣浮轉(zhuǎn)臺精度的主要因素[11]。止推軸承通常采用較軟的鋁青銅材料(QSn4-3)加工而成，與較硬的浮板(9Cr18)配對使用。由于鋁青銅的材料特性，在傳統(tǒng)加工工藝中，其粗加工在平面磨床上進(jìn)行，平面度達(dá)到數(shù)微米；精加工采用壓沙平板的人工研磨方式，平面度可控制在1μm之內(nèi)。

但是，采用上述工藝，還存在如下問題：

(1)人工研磨屬于不確定性加工方法，止推軸承精度只能達(dá)到微米量級，制約氣體靜壓軸承性能的進(jìn)一步提升；

(2)人工研磨的效率不高，研磨極其耗時，限制氣體靜壓軸承的產(chǎn)能，也使得生產(chǎn)成本難以有效控制。

隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展，確定性加工工藝在精密加工、測量、儀器領(lǐng)域開始推廣應(yīng)用，這就為開發(fā)氣體靜壓軸承新工藝提供了新的思路與技術(shù)手段，使得研制更高性能、更低成本的氣體靜壓軸承成為可能。而止推軸承具有平面結(jié)構(gòu)，并且采用易于切削的有色金屬材料，故特別適于進(jìn)行超精密加工。

3.2 止推軸承超精密加工

止推軸承的超精密加工工藝在Nanosystem-1000數(shù)控光學(xué)加工機(jī)床上完成開發(fā)。該機(jī)床由航空工業(yè)精密所獨(dú)立研制，是國內(nèi)首臺實現(xiàn)大型光學(xué)級加工的LODTM(Large Optics Diamond Turning Machine)機(jī)床[12]，可直接車削成形大型光學(xué)鏡面及復(fù)雜曲面。其主要指標(biāo)為：最大加工尺寸為1000mm，控制系統(tǒng)分辨率為納米級，加工面形精度為亞微米級，加工表面粗糙度為納米級[13]。

超精密加工的質(zhì)量主要受加工工藝參數(shù)的影響，包括主軸轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給速度、切削深度等；需針對不同的材料與加工要求，合理選擇最佳工藝參數(shù)。針對QSn4-3材料，通過開展切削試驗，確定最優(yōu)化的超精密加工工藝參數(shù)，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為100r/min，進(jìn)給速度為3.5mm/min，切削深度為0.008mm。得到光學(xué)級氣體靜壓軸承表面，如圖8所示。

圖8 止推軸承的超精密加工表面示意圖Fig.8 Ultra-precision machining of thrust bearing

基于超精密切削加工工藝，實現(xiàn)了上止推軸承與下止推軸承的確定性加工。主軸采用超精密磨削工藝，徑向軸承則使用超精密鏜削工藝，而浮板仍通過人工研磨方式加工而成。完成氣浮轉(zhuǎn)臺總裝、調(diào)試，如圖9所示。實測轉(zhuǎn)臺的軸向與徑向跳動均優(yōu)于0.1μm，角回轉(zhuǎn)精度為±0.18″，軸向剛度大于40kg/μm，最大負(fù)載超過1500kg，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

圖9 高精度氣浮轉(zhuǎn)臺樣機(jī)Fig.9 Prototype of high-precision aerostatic rotary table

4 試驗與驗證

4.1 裝配檢測方法

發(fā)動機(jī)靜轉(zhuǎn)子由多級機(jī)械結(jié)構(gòu)連接而成。如圖10所示，為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖，其包括前/后軸頸、一級葉盤、二級葉盤、……、N級葉盤等。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子各級零件之間依靠止口結(jié)構(gòu)定位，通過螺栓進(jìn)行連接；按照順序，逐級進(jìn)行裝配。每一級轉(zhuǎn)子的加工誤差均通過裝配面進(jìn)行傳遞。在多級轉(zhuǎn)子的裝配過程中，若無有效措施，裝配體的徑向與軸向誤差將不斷累積，并隨裝配的進(jìn)行而持續(xù)增大，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子裝配體的指標(biāo)超差[14]。因此，每安裝一級轉(zhuǎn)子，均需檢測裝配面的徑向跳動量與軸向跳動量，并嚴(yán)格控制各級轉(zhuǎn)子的止口與軸心相對軸頸基準(zhǔn)的跳動量；同時，每完成一級安裝，前一級的裝配面均會被遮擋，而無法進(jìn)行重復(fù)測量。

圖10 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of compressor rotor

通過逐級調(diào)整轉(zhuǎn)子的安裝位姿，可有效控制轉(zhuǎn)子裝配體的跳動量與同軸度誤差。利用發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)，可找到各級轉(zhuǎn)子裝配的最優(yōu)位姿，保證轉(zhuǎn)子裝配體的跳動量與同軸度誤差最小化。如圖11所示，為轉(zhuǎn)子裝配的原理圖。

(a) 理想狀態(tài) (b) 實際狀態(tài) (c) 優(yōu)化狀態(tài) 圖11 轉(zhuǎn)子裝配原理Fig.11 Principle of rotor assembly

4.2 結(jié)果與分析

基于發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)，針對某壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝配過程，進(jìn)行轉(zhuǎn)子逐級檢測與優(yōu)化，驗證轉(zhuǎn)子裝配體裝配質(zhì)量及位姿調(diào)整方法的有效性。如圖12所示，為轉(zhuǎn)子裝配體示意圖。

圖12 轉(zhuǎn)子裝配體示意圖Fig.12 Multi-stage rotor assembly body

如圖13所示，為裝配優(yōu)化的試驗結(jié)果?？梢?，應(yīng)用發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)，可將裝配多級葉盤的累積徑向跳動誤差降低46%，累積同軸度誤差降低30%。驗證了通過調(diào)整、控制裝配體的跳動量與同軸度誤差，可以實現(xiàn)靜轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量的有效提高。

圖13 裝配優(yōu)化試驗結(jié)果Fig.13 Results of assembly optimization experiment

5 結(jié)束語

基于國產(chǎn)LODTM機(jī)床，針對鋁青銅材料的氣體靜壓軸承平面開展工藝研究，通過超精密加工技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)上、下止推軸承的確定性加工，得到光學(xué)級氣浮工作面。并成功應(yīng)用于高精度氣浮轉(zhuǎn)臺，為推動氣體靜壓軸承制造技術(shù)發(fā)展提供新的思路與方法，也為降低氣浮轉(zhuǎn)臺制造成本、縮短制造周期做出了有益嘗試。氣浮轉(zhuǎn)臺的核心元件還包括浮板與主軸，常采用不銹鋼材料。基于鎳磷合金鍍覆工藝，完成浮板與主軸的SPDT(單點(diǎn)金剛石車削)，是計劃后續(xù)開展的研究工作。而依托高精度氣浮轉(zhuǎn)臺制造工藝的改進(jìn)，解決了航空發(fā)動機(jī)裝配檢測一體化系統(tǒng)研制的工藝難題之一，通過開發(fā)裝配檢測一體化系統(tǒng)平臺，針對某壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子開展檢測與調(diào)整試驗，驗證了提高靜轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量方法的有效性，能夠為提升國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)的裝配技術(shù)與工藝水平提供良好的條件保障。