航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備與精度保障研究

潘寶山，楊 茜，林姚辰，周青鋒，樊智涌

（1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110041；2.浙江省航空航天金屬導(dǎo)管塑性成形技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 縉云 321403；3.浙江金馬遜機(jī)械有限公司，浙江 縉云321403）

隨著航空技術(shù)的不斷提高，航空制造業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)組份中越發(fā)占據(jù)重要地位，并成為評價(jià)國家航天事業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。毋庸置疑，航空技術(shù)的核心是發(fā)動(dòng)機(jī)，而導(dǎo)管作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中必不可缺的部分，需重點(diǎn)關(guān)注其加工過程。這是由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備精度的高低對發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管的工作有著重要影響，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工、處理不當(dāng)，在飛機(jī)飛行過程，極有可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)管道損壞，威脅機(jī)身、工作人員及乘客的安全。因此，必須加強(qiáng)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備精度的研究，盡可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備加工過程中的精度，進(jìn)而，為飛機(jī)的安全飛行保駕護(hù)航。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工現(xiàn)狀

在二十世紀(jì)八十年代，波音公司經(jīng)過不懈的努力，通過3D 數(shù)字建模技術(shù)，成功設(shè)計(jì)出波音747 液壓導(dǎo)管系統(tǒng)，為后續(xù)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。就國外而言，在航空領(lǐng)域，導(dǎo)管生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是屢見不鮮，通過CATIA 等3D 曲面建模軟以及CAD 繪圖軟件，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管壓接核心平臺(tái)的建立，并能對導(dǎo)管系統(tǒng)加以管理；通過發(fā)展各個(gè)管件、支管3D 模型，進(jìn)而對飛機(jī)的導(dǎo)管進(jìn)行模擬配置；除此之外，適當(dāng)?shù)貙Πl(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管進(jìn)行檢驗(yàn)，能讓導(dǎo)管的分類管理變得更加方便，進(jìn)而更好地服務(wù)于飛機(jī)制造業(yè)，讓其變得更加高效。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管故障分析

根據(jù)調(diào)查表明，飛機(jī)所受到的壓力對發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管造成的影響比預(yù)想中要大很多，尤其當(dāng)壓力超過波動(dòng)振動(dòng)的90%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)壓力負(fù)荷的情況，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管出現(xiàn)壓力脈動(dòng)，進(jìn)而使得導(dǎo)管產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管不能正常工作。因此，要盡可能地避免航空發(fā)動(dòng) 機(jī)導(dǎo)管發(fā)生共振、磨損，減少發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管故障的產(chǎn)生。

2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管斷裂

燃油的正常供給是飛機(jī)能夠飛行的重要基礎(chǔ)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管斷裂勢必會(huì)引起漏油現(xiàn)象，以至于飛機(jī)不能正常飛行。通過分解發(fā)動(dòng)機(jī)可知，裝配工藝導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管斷裂的可能性極低，因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管斷裂主要?dú)w因于飛行過程中燃油導(dǎo)管所受到的壓力以及各管件之間的摩擦。通過體式顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管斷裂處呈灰色、斷口較為平坦、表面磨損嚴(yán)重，除此之外，觀察部分并沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕和磕碰的痕跡。用掃描電鏡對斷裂處進(jìn)一步進(jìn)行觀察，將疲勞源區(qū)再次放大，所觀察到的線條呈放射狀的棱線，并未出現(xiàn)冶金缺陷，而疲勞擴(kuò)展區(qū)可以觀察到疲勞弧線，因此，可得出長期磨損導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管斷裂。

2.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管破裂

航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管破裂可歸因于以下三點(diǎn)：首先，是由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管工作中受到彎曲振動(dòng)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管容易受到飛行機(jī)體、外界環(huán)境以及液體流動(dòng)的沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致液壓導(dǎo)管發(fā)生非線性振動(dòng)，在振動(dòng)過程中，液壓導(dǎo)管受到重復(fù)壓縮、拉伸應(yīng)力的影響，長此以往，會(huì)發(fā)生疲勞性斷裂。其次，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管中的液壓油在飛行過程中處于脈動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致液壓導(dǎo)管處于徑向振動(dòng)中。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管的徑向振動(dòng)超過一定限度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的液壓導(dǎo)管就會(huì)出現(xiàn)縱向的疲勞裂紋，尤其是在液壓導(dǎo)管彎曲程度較大的位置，裂紋更容易向外擴(kuò)展，加快發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管的斷裂。最后，由于腐蝕和外力作用導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管破裂。航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管工作時(shí)，導(dǎo)管的外壁容易與外界中的油漬、灰塵、水污染物等接觸，這些污染物長期附著在航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管的外側(cè)管壁，容易導(dǎo)致其受到腐蝕，長此以往，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管的強(qiáng)度下降，加之在飛行過程中受外部壓力的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管又遭受外部機(jī)械損傷，腐蝕與機(jī)械損傷共同“發(fā)力”，導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管更加容易發(fā)生破裂，因此，對發(fā)動(dòng)機(jī)液壓導(dǎo)管進(jìn)行定期的維護(hù)、保養(yǎng)至關(guān)重要。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備介紹

導(dǎo)管加工過程中影響幾何精度的設(shè)備主要有原材料的切割、管端加工、彎曲成形、測量設(shè)備、連接端口成形等，本文主要介紹發(fā)動(dòng)機(jī)小規(guī)格導(dǎo)管加工常用設(shè)備，設(shè)備的基本性能和參數(shù)如下。

3.1 IKM 系列數(shù)控導(dǎo)管切割機(jī)

該類型切割機(jī)所采用的控制方式是伺服電機(jī)和氣動(dòng)控制，可用于切割鈦合金、鋁、鋼制導(dǎo)管，用于切割管壁薄的導(dǎo)管效果最佳。由于IKM系列數(shù)控導(dǎo)管切割機(jī)選用的馬達(dá)是伺服馬達(dá)，因此能將切割速度控制為無極變速，更利于切割不同類型材料的導(dǎo)管。此外，IKM 系列數(shù)控導(dǎo)管切割機(jī)無論是是切割精度還是耐用程度都超過弓型鋸和帶狀鋸，因?yàn)?，IKM系列數(shù)控導(dǎo)管切割機(jī)的機(jī)頭的銑槽和斜切部分都可進(jìn)行左右調(diào)整，因此切割的角度能更加精確，加之該切割機(jī)配備優(yōu)良的水循環(huán)或空氣冷卻系統(tǒng)，切割面不僅不會(huì)發(fā)熱，而且切割口不會(huì)出現(xiàn)毛邊，切割過程不會(huì)產(chǎn)生粉塵，很大程度上提高了鋸片的耐用性。

主要工作參數(shù)：IKM 系列數(shù)控導(dǎo)管切割機(jī)工作時(shí)所需電壓為340V～420V，頻率為49Hz～51Hz。以IKM-275PA 型切割機(jī)為例，機(jī)器的重量為230kg，其主軸的轉(zhuǎn)速為28/126 轉(zhuǎn)/min，鋸片外徑為275mm 或250mm，鋸片小孔為2×11×PCD63mm，鋸片內(nèi)孔為32mm，最大切割圓導(dǎo)管外徑為70mm，其中，所使用的冷卻水泵功率為90W，所承受的空氣壓力為0.6～0.8MPa，機(jī)器外形尺寸105cm×75cm×125cm。

3.2 2CP 型導(dǎo)管端頭加工機(jī)

2CP 型導(dǎo)管端頭加工機(jī)主要用于修整導(dǎo)管末端，例如導(dǎo)管的擴(kuò)口、卷邊、去毛刺、平邊等，針對不同的導(dǎo)管處理，可通過更換模具便能加以實(shí)現(xiàn)。2CP型導(dǎo)管端頭加工機(jī)都具有雙數(shù)軸和氣缸鉗位功能，在進(jìn)行導(dǎo)管加工時(shí)，可選用不同速度進(jìn)行加工處理。該加工設(shè)備通過一次裝夾就能處理導(dǎo)管切割后存在的毛刺、內(nèi)外倒角、平邊，若能迅速更換模具，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)37°或者45°導(dǎo)管擴(kuò)口加工，能大大提高導(dǎo)管端頭的加工效率。因此，還常用于飛機(jī)燃油系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)導(dǎo)管的加工。

主要工作參數(shù)：2CP 型導(dǎo)管端頭加工機(jī)的工作電壓為單相交流電，其工作電壓應(yīng)控制在342V～418V，工作頻率為49Hz～51Hz，其外形尺寸為71cm×46cm×38cm，加工設(shè)備的重量為160kg。

3.3 CNC 型數(shù)控彎管機(jī)

CNC 型數(shù)控彎管機(jī)的彎管技術(shù)要來源于20 世紀(jì)四十年代的彎管機(jī)技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展成精度高、可重復(fù)生產(chǎn)管件的高性能彎管技術(shù)，基本上能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對導(dǎo)管彎曲度大、精度高的需求。CNC數(shù)控彎管機(jī)主要是通過工業(yè)PC 和PLC 程序的編寫自己人機(jī)界面進(jìn)行適當(dāng)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對彎管機(jī)的控制。無論是彎曲角度、補(bǔ)償角度，還是輔助軸運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，都需要相應(yīng)的技術(shù)人員對機(jī)器進(jìn)行數(shù)字設(shè)定和程序編寫，進(jìn)一步對數(shù)控彎管機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過一次裝夾，彎管機(jī)便能自行實(shí)現(xiàn)一個(gè)彎頭和一個(gè)彎曲半徑的彎曲加工，機(jī)器自帶三維自動(dòng)小車，彎管機(jī)通過一次裝夾可以完成復(fù)雜3D 管件的彎曲加工。

主要工作參數(shù)：以A25CNC 型彎管機(jī)為例，其工作電源為三相交流電，電壓大致340V～420V，工作頻率為9Hz～51Hz，彎曲角度為0～190°，工作溫度需控制在零下15℃～40℃，彎管的精度可以控制在0.05mm 或0.05°范圍內(nèi)。CNC 數(shù)控彎管機(jī)能夠與三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)合使用，不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜導(dǎo)管的精確測量和加工，提高加工的精度，還能提高工作效率，節(jié)約加工時(shí)間。

3.4 三坐標(biāo)測量機(jī)

三坐標(biāo)測量機(jī)是工業(yè)測量和尺寸數(shù)據(jù)獲取的重要方法之一，其可以替代價(jià)格高的組合量規(guī)和多種測量工具組合成的大件測量工具，能將測量時(shí)間從以小時(shí)為計(jì)縮短至以分鐘為計(jì)。并且，能將測量對象的尺寸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速的得出，減少測量工作人員的工作量。三坐標(biāo)測量機(jī)主要是由測頭系統(tǒng)、電氣控制硬件系統(tǒng)、測量軟件、X 軸、Y 軸、Z 軸等組成。測量時(shí)，將被測對象放置于三坐標(biāo)的空間中，便能得出被測物體被測點(diǎn)的具體坐標(biāo)，根據(jù)被測點(diǎn)的坐標(biāo)值便能計(jì)算出被測物體的尺寸。

3.5 5175/5720 型導(dǎo)管接頭內(nèi)脹壓接套裝

5175 或5720 型導(dǎo)管接頭內(nèi)脹壓接主要是利用膠套內(nèi)脹擠壓的方式進(jìn)行工作，主要用于外徑尺寸為0.1875″～0.5″的鋁合金、鋼導(dǎo)管與接頭進(jìn)行連接，或者用于二槽無管套和接頭的連接。其中，5175 型導(dǎo)管接頭內(nèi)脹壓接套裝包括手動(dòng)泵和小壓接頭，適用的管徑大小為0.25″～0.5 ″；5720 型導(dǎo)管接頭內(nèi)脹壓接套裝包括手動(dòng)泵和大壓接頭，適用的管徑范圍為0.625″～0.5″。而外徑工具包括各個(gè)尺寸導(dǎo)管對應(yīng)的圓柱模和夾模，內(nèi)徑工具主要有擴(kuò)張器、襯套、抽取器、防擠出環(huán)和密封環(huán)。

3.6 7776/7777 型導(dǎo)管接頭內(nèi)脹壓接成型機(jī)

這兩種型號的導(dǎo)管接頭內(nèi)脹壓接成型機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)Harrison/Sierracin 無擴(kuò)口脹接管袖和接頭的連接，或鋁合金、鈦合金、鋼等材料管材與其他內(nèi)徑擠壓接頭的連接。在工裝模具的選擇上，主要是根據(jù)管材直徑、導(dǎo)管壁厚以及連接件的形狀，進(jìn)一步確定工裝模具內(nèi)外徑的尺寸。加工成型主要是將擴(kuò)張器組件插入管子內(nèi)部，拉動(dòng)擴(kuò)張器的芯棒進(jìn)而使得擴(kuò)張膠圈膨脹，接著將導(dǎo)管壁材料壓入導(dǎo)管套的凹槽中。

主要工作參數(shù)：以半自動(dòng)型單頭桌面型776SS和776LS 為例，工作電壓為單相交流電，電壓210V～230V，工作環(huán)境溫度應(yīng)控制在0～40℃，工作環(huán)境相對濕度應(yīng)≤90%，776SSS 的加工范圍是0.25″～0.625″的鈦合金、鋁合金、鋼導(dǎo)管，7776LS 的加工范圍是0.625″～0.5 ″的鈦合金、鋼、鋁合金導(dǎo)管，此外，為保障安全，設(shè)備還配有過載保護(hù)和緊急停機(jī)按鈕。

4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備精度保障思考

4.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管切割加工設(shè)備

由于切割設(shè)備中，切割刀具、切割技術(shù)等的選用，都會(huì)影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管切割設(shè)備的精度。因此，為了保障甚至提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管切割加工設(shè)備的精度，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)所切割發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管的材料，進(jìn)一步選擇合適的刀具，有必要的話還需對刀具進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使該刀具為切割特定發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管而量身定做。此外，根據(jù)夾具和量具的特點(diǎn)，確定導(dǎo)管的切割用量，嚴(yán)格控制導(dǎo)管切割的給進(jìn)速度。另外，為了進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管切割設(shè)備的精度在切割前，應(yīng)對切割設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)、歸位處理，工作人員嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行切割，避免因操作不當(dāng)造成切割誤差。

4.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管彎曲加工設(shè)備

對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管的彎曲加工，加工設(shè)備需根據(jù)導(dǎo)管彎曲程度進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定，避免因彎曲角度數(shù)據(jù)設(shè)定過大或過小造成加工設(shè)備的誤差。對發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管直徑＜20mm 的硬導(dǎo)管進(jìn)行彎曲加工時(shí)，彎曲加工設(shè)備所設(shè)定的彎曲半徑的值應(yīng)超過航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管外徑的兩倍，而針對導(dǎo)管直徑＞20mm 的發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管進(jìn)行彎曲加工時(shí)，彎曲半徑設(shè)置的數(shù)值應(yīng)該大于航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管外徑的三倍，彎曲設(shè)備進(jìn)行加工時(shí)，還應(yīng)保證導(dǎo)管接頭處與彎曲部位的距離，一般情況下，應(yīng)保證在25mm 以上。

4.3 合理分析導(dǎo)管材料

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)管材料多使用復(fù)合型材料，為了盡可能的減少復(fù)合型材料對發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備精度的影響，可在發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管切割、彎曲等過程中加入特定的原材料，方便加工設(shè)備進(jìn)行加工。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管的切割中加入鎢能夠適當(dāng)?shù)靥岣邔?dǎo)管在常溫或高溫下的強(qiáng)度，添加鉬能夠讓導(dǎo)管的強(qiáng)度和韌性有所加強(qiáng)，在導(dǎo)管彎曲加工設(shè)備加工過程中，不易發(fā)生斷裂。同時(shí)，工作人員還應(yīng)觀察導(dǎo)管導(dǎo)熱系數(shù)的變化，不能盲目向?qū)Ч芴砑釉兀庸ぴO(shè)備使用過程中，還需結(jié)合實(shí)際情況分析導(dǎo)管沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度等方面的問題，避免因他因影響造成加工設(shè)備的精度變低。

4.4 結(jié)合工作環(huán)境選擇加工設(shè)備

由于航天發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備工作環(huán)境、電壓、加工導(dǎo)管管徑等方面的不同，因此，在導(dǎo)管加工時(shí)，首先，需結(jié)合各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備的工作條件進(jìn)行選擇。例如，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管接頭加工時(shí)，需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管的加工要求選擇合適型號，如果是對0.25″～0.625″的鈦合金導(dǎo)管進(jìn)行加工，并且設(shè)備的重量越小越好，這時(shí)，應(yīng)該選擇7776SS 半自動(dòng)型單頭桌面型導(dǎo)管接頭內(nèi)脹壓接成型機(jī)；如果要對0.625″～0.5″之間的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管進(jìn)行加工，同時(shí)還需加工設(shè)備具有緊急停機(jī)控制和過載保護(hù)的功能，此時(shí)，應(yīng)選擇7777LS 半自動(dòng)單頭型導(dǎo)管接頭內(nèi)脹壓接成型機(jī)。這樣便能最大限度地減少因環(huán)境、加工條件造成的加工設(shè)備誤差。

4.5 測量設(shè)備的選擇

在眾多工業(yè)設(shè)備的加工過程中，所采用的測量工具多為卷尺，卷尺雖能測量出加工對象的尺寸，但是在測量過程中，由于卷尺未拉直或者磨損，容易造成測量誤差。因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備中，應(yīng)選擇測量精度高、誤差小的測量設(shè)備，例如，三坐標(biāo)測量機(jī)就能在很大成都上降低測量誤差，進(jìn)而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備的精度。

5 總結(jié)

綜上所述，通過對航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管故障分析、常用航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備的介紹，進(jìn)而得出保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工設(shè)備精度的措施，這對我國發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管加工行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，同時(shí)，還能促進(jìn)我國在航空制造領(lǐng)域的發(fā)展。