民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)典型件制造技術(shù)概述

為貫徹落實(shí)制造過程適航要求、解決民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝技術(shù)問題，通過設(shè)計(jì)和工藝、適航和質(zhì)量相關(guān)活動(dòng)有機(jī)融合，開展低成本制造工藝技術(shù)的攻關(guān)研究等，可有效降低制造成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

民用航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為滿足先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性要求、確保適航安全和質(zhì)量水平，采用了大量先進(jìn)材料、技術(shù)和結(jié)構(gòu)，以使性能更先進(jìn)、結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量更輕，但同時(shí)帶來了不少制造困難問題。本文選取具有先進(jìn)中小民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)特色的機(jī)匣、輪盤、渦輪葉片等典型件，在分析其材料結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重概述如何通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的集成化、數(shù)字化制造等技術(shù)攻關(guān)，提升工藝水平，推動(dòng)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)典型件制造工藝技術(shù)向多元縱深發(fā)展。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件集成化制造

復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體件鑄造

為適應(yīng)先進(jìn)中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)空間小、可靠性高、功率/質(zhì)量比高的要求，大量采用各種鋁合金、鈦合金、高溫合金鑄造的整體機(jī)匣、軸承座、導(dǎo)向器毛坯。這些整體鑄件集油路、氣路于一體，集成度很高，結(jié)構(gòu)緊湊、型腔復(fù)雜、薄壁窄槽，不同部位壁厚差異大，有的部位壁厚特別薄。通過采用有色鑄造、精密整體鑄件仿真技術(shù)模擬，優(yōu)化澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)，合理選擇陶瓷型芯方案，設(shè)計(jì)好模具結(jié)構(gòu)，解決型芯定位問題，優(yōu)化毛坯結(jié)構(gòu)，改善尺寸、冶金缺陷，解決了這些整體鑄件尺寸難控制、補(bǔ)縮困難，易形成縮孔、疏松、欠鑄等問題。

復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)整體鑄件

異種材料焊縫和多層焊接

渦流機(jī)匣為整體薄壁、多層、多腔焊接件，由120個(gè)零件、160條焊縫、4層多腔體焊接而成，焊種多、焊接變形大，焊接工藝要求高，需要分析、掌握薄壁零件加工、焊接變形規(guī)律，突破新型鈦合金、鎳基合金等不同材料薄壁、大尺寸焊接變形控制技術(shù)。先進(jìn)的電子束焊、激光焊、自動(dòng)氬弧焊、真空釬焊等焊接工藝應(yīng)用于異種材料連接，提高了焊接強(qiáng)度，降低了焊接應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了不同材質(zhì)、不同焊縫組成的多層、多腔、復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接。

新型增材制造

為解決結(jié)構(gòu)件零組件配套層級(jí)、數(shù)量多、制造周期長(zhǎng)等問題，減少零組件數(shù)量和減輕質(zhì)量，對(duì)復(fù)雜的熱端機(jī)匣采用新型增材制造技術(shù)制造毛坯，使零組件數(shù)量大幅度減少，由原有29個(gè)零件組成變成了1個(gè)零件，取得了顯著減少零件數(shù)量、減輕質(zhì)量、降低制造成本的良好效果。新型增材制造技術(shù)在機(jī)匣、管路等零件制造和修復(fù)中應(yīng)用范圍已越來越廣。

多工序集成自動(dòng)制造

為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體機(jī)匣制造工序多、轉(zhuǎn)工多、周期長(zhǎng)、基準(zhǔn)多次轉(zhuǎn)換帶來的誤差大等問題，通過采用多工序集成自動(dòng)制造技術(shù)，將分散工序向集成工序制造模式轉(zhuǎn)變，應(yīng)用帶自動(dòng)換刀庫(kù)的雙或多工作臺(tái)車銑復(fù)合、數(shù)控車銑或銑磨復(fù)合等工藝技術(shù)，配裝傳送帶和機(jī)械手，按零件族組成面向智能化的數(shù)字化、自動(dòng)化生產(chǎn)線或生產(chǎn)單元，在一臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)床上完成零件加工，使生產(chǎn)組織變得非常簡(jiǎn)單，生產(chǎn)質(zhì)量和效率大幅度提高。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣自動(dòng)化加工單元

渦輪盤

葉輪和盤軸制造

葉輪制造

中小型民用渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)通常采用多級(jí)軸流葉輪加一級(jí)離心葉輪的高精度圓弧端齒連接增壓結(jié)構(gòu)，具有高增壓比、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。針對(duì)整體寬弦葉盤和高增壓離心葉輪上的葉片和輪轂型面，傳統(tǒng)制造工藝為數(shù)控銑削后手工打磨拋光，效率低、質(zhì)量不高。在研究低成本制造工藝基礎(chǔ)上，采取桶形（錐鼓）銑刀寬行數(shù)銑、高速銑等工藝銑削葉片和輪轂型面，顯著提升加工效率；離心葉輪輪轂、整體葉盤的葉身上保留刀紋，采用磨粒流光整，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了加工成本，但要求一次銑削加工到位，既要滿足形狀精度，又要達(dá)到葉片頻率控制范圍；各葉片盤和離心葉輪的圓弧端齒采用高效一次成形磨削加工，保證了凸、凹齒之間相互配合的高精度質(zhì)量要求。

渦輪盤制造

燃?xì)鉁u輪第一級(jí)和第二級(jí)盤、動(dòng)力渦輪第一級(jí)和第二級(jí)盤的毛坯均為高溫合金模鍛件。通過優(yōu)化鍛造及熱處理工藝，細(xì)化預(yù)制坯和熱模鍛工藝參數(shù)，采用先鍛造開坯、后模鍛成形的方式，適當(dāng)降低始鍛溫度，細(xì)化盤坯晶粒，保證了渦輪盤模鍛件晶粒度要求和組織均勻性、性能穩(wěn)定性；時(shí)效處理采用低溫裝爐，緩慢升溫，設(shè)置升溫臺(tái)階，保證到溫后保溫時(shí)間充分，避免產(chǎn)生裂紋。各渦輪盤沿圓周均分布有幾十個(gè)高精度樅樹型榫槽，輪廓度精度很高，齒距公差小于0.01mm；對(duì)榫槽采用高速拉削工藝加工，從拉刀材料、拉削速度等方面進(jìn)行優(yōu)化，減小拉刀磨損，滿足了榫槽精度要求；榫槽型面等部位噴鋼丸進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。燃?xì)鉁u輪盤圓弧端齒采用高效一次磨削加工成形。

軸流葉輪和離心葉輪

大長(zhǎng)徑比細(xì)長(zhǎng)空心軸制造

發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪之間采用中心拉桿連接，動(dòng)力渦輪功率通過動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸穿過中心拉桿內(nèi)孔從發(fā)動(dòng)機(jī)后端傳遞至前端。由于動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸內(nèi)裝測(cè)扭軸，因此動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸、中心拉桿均為典型的細(xì)長(zhǎng)空心軸類件，工作時(shí)需要承受很大的軸向拉緊力，動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸還需要傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪輸出扭矩。動(dòng)力渦輪組合轉(zhuǎn)子為跨兩階臨界轉(zhuǎn)速的撓性轉(zhuǎn)子，對(duì)高速旋轉(zhuǎn)下的動(dòng)撓度控制有極高要求，這些要求無疑提高了零件內(nèi)外連接螺紋、花鍵、壁厚、動(dòng)撓度控制等制造工藝技術(shù)難度。

大長(zhǎng)徑比細(xì)長(zhǎng)空心軸

動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸、中心拉桿毛坯均為高溫合金鍛件，通過降低始鍛溫度，用工裝校正鍛件，減少翹曲，固溶時(shí)效后增加冷、溫校形，保證了熱工藝加工質(zhì)量。動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸長(zhǎng)度超過700mm，長(zhǎng)徑比大于50∶1，內(nèi)孔均有臺(tái)階，桿部跳動(dòng)要求小于0.03mm，通過采用高精度數(shù)控深孔鉆設(shè)備、專用刀具，優(yōu)化工藝參數(shù)，克服細(xì)長(zhǎng)軸壁厚薄、剛性差困難，確保了細(xì)長(zhǎng)空心內(nèi)孔加工質(zhì)量；內(nèi)、外螺紋和花鍵采用高精度成形磨削加工，保證了螺紋中徑和花鍵節(jié)圓跳動(dòng)、同軸度、壁厚等幾何量要素合格；動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸在單件通過低速動(dòng)平衡后，組合成動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子再進(jìn)行高速動(dòng)平衡，檢測(cè)、控制高工作轉(zhuǎn)速下動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸相關(guān)截面的動(dòng)撓度，確保其跨兩階臨界轉(zhuǎn)速動(dòng)撓度滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

渦輪葉片無余量精鑄與加工

渦輪工作葉片制造

民用渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶、定向結(jié)晶高溫合金渦輪工作葉片具有多腔回流空心氣冷復(fù)雜結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔有多條細(xì)小橫肋及筋板；葉身長(zhǎng)、弦寬，葉身薄處壁厚小于0.6mm，葉身、尾緣等部位上有多個(gè)小氣膜冷卻孔，精度高、孔徑小。精密鑄造毛坯工藝已解決內(nèi)腔成形工藝難度大，壁厚、葉型尺寸以及晶粒度難控制，型腔內(nèi)斷芯、偏芯等問題，實(shí)現(xiàn)無余量精鑄葉身型面，鑄造合格率明顯提高；燃?xì)鉁u輪工作葉片葉尖、葉身、排氣邊等部位分布著幾十個(gè)直徑約φ0.3mm的氣膜孔，為控制這些細(xì)小氣膜孔制造質(zhì)量，防止產(chǎn)生傳統(tǒng)電火花加工重熔層，研究采用飛秒激光等高效加工技術(shù)；榫頭輪廓度精度很高，齒距公差小于0.01mm，采用蠕動(dòng)成形磨削工藝保證了榫頭齒距和輪廓度技術(shù)要求；榫頭等表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。

渦輪導(dǎo)向葉片和導(dǎo)向器制造

渦輪導(dǎo)向器葉片毛坯為高溫合金鑄件，葉盆、前緣均有細(xì)小氣膜孔，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多條橫肋及筋板、凹槽，易造成鑄造時(shí)型芯變形，使壁厚、出口端尺寸難控制，型芯窗口處厚度較薄，高溫強(qiáng)度不夠，澆注時(shí)易斷芯、堵塞排氣窗口。動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器采用高溫合金整體式毛坯，由無余量葉片和內(nèi)外流道環(huán)組成，直徑大、薄壁部位多，內(nèi)外流道壁厚僅1mm左右，葉片排氣邊最薄處僅0.4mm，葉型尺寸公差小。

復(fù)雜氣冷結(jié)構(gòu)燃?xì)鉁u輪工作葉片

為此，通過鑄造工藝仿真、摸索變形量、優(yōu)化蠟?zāi)＝M合方案，毛坯鑄造時(shí)采用陶瓷型芯成形工藝與定位技術(shù)，提高陶瓷型芯性能，蠟?zāi)褐茣r(shí)貼芯撐，解決了毛坯疏松、縮孔、欠鑄、薄壁部位充型與晶粒均勻細(xì)化難兼顧、型芯殘留及型芯變形等問題，實(shí)現(xiàn)葉片型面無余量精鑄成形，合格率明顯提升。零件葉身氣膜孔采用滿足重熔層要求的電火花、激光等加工技術(shù)和五軸數(shù)字化光纖檢測(cè)技術(shù)，保證了孔徑、角度和位置精度等技術(shù)要求。

渦輪導(dǎo)向葉片和導(dǎo)向器

表面處理與清潔度控制

各種涂層制造

為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、封嚴(yán)和耐溫要求，各種封嚴(yán)涂層、熱障涂層、化學(xué)鍍鎳層和無機(jī)鋁抗沖刷防腐涂層等涂（鍍）層種類增多，涉及涂層制備工藝主要有氣相滲鋁、真空電弧離子鍍，以及火焰噴涂、超聲速噴涂、真空等離子噴涂等，制備工藝進(jìn)一步精細(xì)，例如，大彎管表面噴涂陶瓷基復(fù)合材料前后外觀情況對(duì)比明顯。

表面完整性制造

民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)有關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、承力件等零組件疲勞壽命、可靠性等提出了更高要求，為此，對(duì)渦輪盤、離心葉輪、葉盤、擋板等核心承力零件腹板及安裝精密孔等采用表面完整性制造工藝，貫徹表面完整性技術(shù)要求，主要采取以下措施：一是推廣應(yīng)用電解或化學(xué)銑等低應(yīng)力加工技術(shù)，減少零件加工殘余應(yīng)力；二是對(duì)渦輪盤、葉片等零件部分表面噴鋼丸、陶瓷丸進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，提高零件疲勞壽命；三是優(yōu)化磨削加工等工藝參數(shù)，防止齒輪、軸等零組件表面磨削燒傷，降低磨削殘余應(yīng)力；四是合理安排去應(yīng)力工序，消除或盡量減少加工殘余應(yīng)力；五是對(duì)渦輪葉片、導(dǎo)向器、機(jī)匣等流道件表面進(jìn)行振動(dòng)光飾、磨粒流拋光等光整加工，提高表面粗糙度等質(zhì)量特性。

大彎管噴涂陶瓷基復(fù)合材料涂層前后對(duì)比

清潔度控制

民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速高、可靠性高等要求，對(duì)有關(guān)燃油、滑油、氣道等零組件，以及部附件和整機(jī)裝配、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)多余物與清潔度提出了很高的要求。多余物與清潔度防控要求正貫徹至發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈、制造全流程，產(chǎn)品制造、試驗(yàn)、油封、包裝、轉(zhuǎn)運(yùn)和存放等工藝過程中多余物與清潔度的防控能力明顯提升，主要措施包括：合理安排各種多余物防護(hù)與清潔度控制工序，制造、試驗(yàn)前對(duì)油道、氣道、內(nèi)腔等進(jìn)行封堵，防止多余物進(jìn)入；采用先進(jìn)的去毛刺與飛邊、氣體檢漏試驗(yàn)、超聲清洗、真空干燥等清潔工藝技術(shù)；對(duì)試驗(yàn)和試車用燃滑油、氣體等介質(zhì)中多余物進(jìn)行嚴(yán)格過濾與防堵；對(duì)清洗、試驗(yàn)用燃滑油等介質(zhì)中的污染物（顆粒）進(jìn)行檢測(cè)分析，確保符合要求；推廣應(yīng)用氣相防銹袋、真空包裝等防護(hù)技術(shù)，改善現(xiàn)場(chǎng)文明生產(chǎn)和整潔環(huán)境等。

多余物與清潔度控制工藝設(shè)施

數(shù)字化柔性檢測(cè)系統(tǒng)

數(shù)字化制造與檢測(cè)

基于數(shù)字化的制造

數(shù)字信息技術(shù)提升工藝能力，基于材料工程、工藝工程參數(shù)、質(zhì)量檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)為支撐的工藝仿真技術(shù)正加速應(yīng)用，研究刀具、工件和機(jī)床受力變形情況下的切削仿真技術(shù)，焊接、鑄造等特種工藝仿真技術(shù)正進(jìn)一步發(fā)展，各種仿真、制造、檢測(cè)分析等工業(yè)軟件更加成熟、得到廣泛應(yīng)用。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、葉盤、葉片、軸、噴嘴、渦輪葉片等結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)、生產(chǎn)批量大、質(zhì)量要求高的典型零件，用基于數(shù)字化、自動(dòng)化制造技術(shù)，改造或建設(shè)的零組件專業(yè)生產(chǎn)線正向柔性化、智能化方向轉(zhuǎn)變，以提高制造工藝水平和快速響應(yīng)能力。

基于數(shù)字化的檢測(cè)

通過應(yīng)用四軸和五軸坐標(biāo)測(cè)量、光學(xué)掃描和拍照、數(shù)字射線（DR）檢測(cè)、工業(yè)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）檢驗(yàn)、人工智能深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)和檢測(cè)專業(yè)技術(shù)，成功解決了葉片、機(jī)匣、噴嘴等典型零組件制造過程檢測(cè)難題，實(shí)現(xiàn)了葉片冷卻氣膜小孔和噴嘴小孔等微小孔空間位置尺寸及角度的檢測(cè)與自動(dòng)分析，薄壁鈑金件、環(huán)形葉型孔、大型機(jī)匣復(fù)雜型面等不規(guī)則三維型面等特征型面的快速光學(xué)檢測(cè)與自動(dòng)分析?；跈z測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析處理及人機(jī)交互技術(shù)，構(gòu)建多系統(tǒng)集成應(yīng)用的數(shù)字化檢測(cè)信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)，融入面向智能化的渦輪工作葉片、機(jī)匣等典型件數(shù)字化、自動(dòng)化生產(chǎn)線，正推動(dòng)質(zhì)量檢驗(yàn)管控從傳統(tǒng)手工模式朝無紙化、電子化、網(wǎng)絡(luò)化方向?qū)崿F(xiàn)根本性變革。

基于數(shù)字化的信息技術(shù)應(yīng)用

基于數(shù)字化的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正助推工藝與設(shè)計(jì)和質(zhì)量等相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、制造執(zhí)行（MES）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）和質(zhì)量管理（QMS）等系統(tǒng)有機(jī)融合，推動(dòng)生產(chǎn)車間或生產(chǎn)線向數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，以更好地實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)、生產(chǎn)、質(zhì)量信息化高效管理。一方面，綜合管控企業(yè)內(nèi)工藝、設(shè)備、工裝、生產(chǎn)、檢驗(yàn)等狀況，充分利用帶自動(dòng)換刀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)加工設(shè)備，打造盤、軸等典型零組件信息化架構(gòu)的數(shù)字化生產(chǎn)線或車間，大幅減少工具工裝制造、準(zhǔn)備、維護(hù)成本，縮短零件的加工工藝路線，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率；另一方面，應(yīng)用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建集異地人員、技術(shù)、設(shè)備優(yōu)勢(shì)的制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有自我學(xué)習(xí)、復(fù)制能力，功能更加復(fù)合完善，設(shè)備與設(shè)備之間具有聯(lián)網(wǎng)、通信功能，數(shù)據(jù)能夠自由傳遞，有效克服了以往制造周期長(zhǎng)、成本高、反應(yīng)慢等缺點(diǎn)，大幅度提高制造能力和效率。

結(jié)束語

民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝技術(shù)正呈多元發(fā)展態(tài)勢(shì)，一大批滿足環(huán)保、適航、低成本要求的先進(jìn)制造新工藝、新設(shè)備、新方法等將推廣應(yīng)用，基于數(shù)字化的專業(yè)化分工、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作將加強(qiáng)，“小而全、大而全”傳統(tǒng)粗放的組織管理模式正在向以工藝集約化、精益化、自動(dòng)化、智能化為基礎(chǔ)的“小核心、大協(xié)作”生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。