航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件邊緣處理工藝分級(jí)控制方法研究

梁永朝,秦 天,張 瀟

(中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,上海 200241)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為一套復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)合,任何一個(gè)系統(tǒng)、一個(gè)部件甚至一個(gè)零件的失效都可能造成嚴(yán)重的航空事故。航空發(fā)動(dòng)機(jī)“限壽件”作為發(fā)動(dòng)機(jī)中一類“特殊零件”,幾乎都是轉(zhuǎn)子部件和部分低壓?jiǎn)卧w框架結(jié)構(gòu)件,是保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵件。通過(guò)對(duì)1 300次重大航空事故原因分析后的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),至少有22%的事故是由于機(jī)械故障導(dǎo)致,比如發(fā)動(dòng)機(jī)故障、液壓系統(tǒng)失靈、防火系統(tǒng)問(wèn)題、儀表失靈等,而導(dǎo)致這些機(jī)械故障的主要原因之一就是壽命限制件的失效[1]。航空構(gòu)件中疲勞失效占80%以上,特別是飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件,疲勞是安全服役威脅最大的失效模式,而疲勞源絕大多數(shù)情況萌生于零件表面。圖1所示為失效后的高壓渦輪1級(jí)盤,2000年9月22日,1架編號(hào)為N654US的波音767-2B7客機(jī),在費(fèi)城國(guó)際機(jī)場(chǎng)進(jìn)行地面維修性試車時(shí),其配裝的CF6-80C2B2發(fā)動(dòng)機(jī)在大工況下工作,突然1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)第1級(jí)高壓渦輪輪盤非包容性故障,甩出發(fā)動(dòng)機(jī)的斷片,造成飛機(jī)左翼下部著火,使飛機(jī)及1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)受到嚴(yán)重?fù)p壞[2]。后經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該起事故的主要原因是輪盤榫槽底部后圓角處加工尺寸不符合設(shè)計(jì)圖樣要求,拉削完成后榫槽底部后圓角處未進(jìn)行倒圓處理,邊緣毛刺未得到完全去除,即使在噴丸處理后,毛刺仍可作為起裂部位?？梢婇_展邊緣處理工藝研究對(duì)限壽件航空安全有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

a) 失效后渦輪盤殘件

b) 失效后渦輪盤榫槽局部部位圖1 失效后的高壓渦輪1級(jí)盤

1 限壽件的適航法規(guī)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件指的是其主要失效可能導(dǎo)致危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果的轉(zhuǎn)子和主要靜子結(jié)構(gòu)件。典型的發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件包括但不限于盤、隔圈、輪轂、軸、高壓機(jī)匣和非冗余的安裝部件[3]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定第33.70條對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件的管理要求進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并要求通過(guò)工程計(jì)劃、制造計(jì)劃和使用管理計(jì)劃確定每個(gè)限壽件的完整性[4]。從適航法規(guī)角度來(lái)看,對(duì)于限壽件的管理是一個(gè)系統(tǒng)性的要求,特別是在制造計(jì)劃過(guò)程中要求確定專門的零件加工工藝限制計(jì)劃,這就要求工藝技術(shù)文件中對(duì)于限壽件的工藝過(guò)程要有詳細(xì)的過(guò)程控制要求。因此,邊緣處理工藝作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件邊緣處理加工過(guò)程中的一種“特種工藝”也必須強(qiáng)化工藝過(guò)程控制要求。典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件見表1[5]。

表1 典型發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件

2 限壽件的典型特征分析

2.1 材料特性分析

由表1可知,典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件主要的零組件類型如下。

1)風(fēng)扇增壓級(jí):風(fēng)扇盤(鈦合金)、風(fēng)扇軸(高強(qiáng)度合金鋼)。

2)高壓壓氣機(jī):壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子盤(鈦合金/鎳基高溫合金)、壓氣機(jī)后封嚴(yán)盤(鎳基高溫合金)。

3)渦輪:渦輪軸(高強(qiáng)度合金鋼)、鼓筒軸(鎳基高溫合金)、高/低壓渦輪盤(粉末冶金高溫合金/鎳基高溫合金)。

分析可知,典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件涉及的主要材料類型有鈦合金、鎳基高溫合金、粉末冶金高溫合金、高強(qiáng)度合金鋼等,其中鈦合金和鎳基高溫合金材料的應(yīng)用最為廣泛,針對(duì)這兩種材料特性分析如下。

1)鈦合金作為一種高強(qiáng)度合金材料,具有優(yōu)異的高比強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、超強(qiáng)的斷裂韌性與抗疲勞性能。由于鈦合金材料的高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱系數(shù)、易粘刀以及與刀具親和力強(qiáng)等特性,鈦合金材料加工過(guò)程中切削力大,溫度高,導(dǎo)致刀具磨損快,加工過(guò)程中時(shí)變性增強(qiáng),雖然保證了構(gòu)件的尺寸和形位精度滿足設(shè)計(jì)要求,但是工件表面會(huì)出現(xiàn)加工刀痕、棱邊損傷、加工硬化、表面微裂紋、組織損傷等表面完整性問(wèn)題[6]。鈦合金材料切削工藝特征及其誘導(dǎo)表面完整性如圖2所示[7]。

圖2 鈦合金切削工藝特征及其誘導(dǎo)表面完整性

2)鎳基高溫合金(如GH4169)被廣泛用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、渦輪軸、軸頸、封嚴(yán)環(huán)和葉片等高溫部件[8]。作為一種難加工材料,切削加工性較差,具體表現(xiàn)為切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、加工硬化、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重、排屑困難以及加工表面質(zhì)量差等問(wèn)題[9]。Inconel 718(GH4169)材料與其他工程材料的切削加工性指數(shù)比較如圖3所示[10],由圖3可以看出,相比于其他材料,GH4169合金材料的切削加工性指數(shù)偏低,屬于難加工材料。

圖3 Inconel 718(GH4169)與其他工程材料的切削加工性指數(shù)比較

2.2 結(jié)構(gòu)特性分析

典型高壓渦輪組件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,高壓渦輪組件由鼓筒軸、篦齒盤、渦輪盤等3個(gè)主要零件組成。由表1可知,這3個(gè)零件均屬于典型限壽件。零件實(shí)物圖如圖5所示。分析其主要結(jié)構(gòu)特性如下:1)高壓渦輪鼓筒軸(見圖5a)屬于典型的短軸類鼓筒結(jié)構(gòu),前后端都帶有法蘭安裝邊,是一種典型的“花邊”結(jié)構(gòu),同時(shí)在沿著圓周方向上,花邊周圍分布著一圈螺栓孔,通過(guò)螺栓與高壓壓氣機(jī)篦齒盤連接;2)篦齒盤(見圖5b)屬于典型篦齒封嚴(yán)盤類結(jié)構(gòu),圓周方向上分布著3組篦齒,輻板端面分布著2組異形孔,通過(guò)螺栓前端與鼓筒軸連接,后端與渦輪盤連接;3)渦輪盤(見圖5c)屬于典型渦輪盤結(jié)構(gòu),圓周方向分布一圈榫槽,中心法蘭面分布一圈“花邊”及螺栓孔,通過(guò)螺栓與前端篦齒盤連接。

圖4 典型高壓渦輪組件結(jié)構(gòu)圖

a) 鼓筒軸

b) 篦齒盤

c) 渦輪盤圖5 典型航空限壽件實(shí)物圖

3 限壽件邊緣處理工藝分級(jí)控制方法

3.1 邊緣處理工藝加工方式

通過(guò)上述對(duì)航空典型限壽件材料特性及結(jié)構(gòu)特性的分析可知,邊緣處理工藝主要針對(duì)這類旋轉(zhuǎn)件在完成車削、銑削、孔加工、榫槽拉削等機(jī)械加工工藝后,對(duì)零件的最終加工表面進(jìn)行倒斜角、倒圓角、去毛刺等尖邊處理工藝過(guò)程,實(shí)際上邊緣處理工藝就是對(duì)限壽件表面完整性的一種工藝控制方法,用以去除零件加工表面上的各種缺陷,如表面凹凸不平、邊緣棱邊殘缺、飛邊毛刺、微觀裂紋等,從而提升零件整體質(zhì)量,具體如圖6所示[11]。常用的邊緣處理工藝方式有手工處理方式、機(jī)械加工處理方式及特種加工處理方式(見圖7),每種處理方式根據(jù)具體情況可以進(jìn)行不同選擇。一般手工處理方式適用于單件或機(jī)械加工方式難以實(shí)現(xiàn)的情況,但加工效率低,質(zhì)量一致性差。當(dāng)前隨著航空科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展,對(duì)去毛刺工藝的要求越來(lái)越高,使邊緣處理技術(shù)得到了普遍重視,去毛刺工藝也得到了迅速發(fā)展,已從簡(jiǎn)單的手工作業(yè)向機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展[12]。具體每種邊緣處理工藝方式的特點(diǎn)見表2。

a) 手動(dòng)方式

b) 自動(dòng)方式(機(jī)械臂)

c) 特種方式(電解)圖7 典型邊緣處理工藝加工方式

表2 不同邊緣處理工藝方式及特點(diǎn)

3.2 邊緣處理工藝分級(jí)控制

根據(jù)表2所列邊緣處理加工方式的類型特點(diǎn)研究分析可知,在不同類型的邊緣處理加工工藝方法中,要通過(guò)合理選擇加工設(shè)備、工藝參數(shù),正確的刀具材料、工具類型以及冷卻方式等,才能獲得所需的零部件加工后的表面幾何特性和表面物理性質(zhì),進(jìn)而提高加工零件的表面完整性。

基于此,為了能夠有效加強(qiáng)限壽件邊緣處理工藝過(guò)程控制質(zhì)量,考慮針對(duì)斜角、圓角、花邊、榫槽、孔、棱等以及翻邊、毛刺等去除所在部位的功能重要程度、加工尺寸精度以及工藝開展的難易度,將航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件零組件邊緣處理部位分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)等3個(gè)不同控制級(jí)別。針對(duì)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)不同部位采用不同加工方式及控制要求,具體劃分原則見表3。

表3 邊緣處理部位類別劃分

在表3進(jìn)行邊緣處理部位級(jí)別劃分的基礎(chǔ)上,根據(jù)每種類別的具體要求,需要在人員培訓(xùn)及資質(zhì)、加工設(shè)備、刀具及輔助工具、工藝參數(shù)、測(cè)量及檢測(cè)、工藝文件報(bào)批等方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程控制,使限壽件的邊緣處理工藝過(guò)程控制更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化,進(jìn)而提高零件表面完整性控制的質(zhì)量和效率,具體見表4。

表4 邊緣處理工藝分級(jí)分類控制要求

基于上述研究與分析,采用分級(jí)控制方法開展相關(guān)加工試驗(yàn),具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)施效果如下。

1)高壓渦輪盤榫槽倒棱加工。

高壓渦輪盤為鎳基高溫合金,榫槽倒棱尺寸要求為0.13～0.25 mm(見圖8a)。結(jié)合表3中控制等級(jí)劃分類別,試驗(yàn)采用Ⅰ級(jí)手工處理方式進(jìn)行(見圖8b)。具體試驗(yàn)參數(shù)如下:風(fēng)槍加工,轉(zhuǎn)速為80 000 r/min,磨料為EXL-3S-FIN的布輪(直徑25.4 mm,厚6.35 mm),換刀點(diǎn)為當(dāng)布輪直徑尺寸磨損到12.5 mm以下時(shí)更換。試驗(yàn)后采用樣膏檢測(cè)倒棱尺寸為0.13～0.18 mm,尺寸一致性較好,滿足技術(shù)要求。

b) 加工實(shí)物圖圖8 高壓渦輪盤榫槽倒棱邊緣處理加工

2)篦齒盤異性孔倒角加工。

篦齒盤為鎳基高溫合金,異性孔倒角尺寸要求為0.05～0.10 mm(見圖9a)。結(jié)合表3中控制等級(jí)劃分類別,試驗(yàn)采用Ⅱ級(jí)自動(dòng)處理方式進(jìn)行(見圖9b)。具體試驗(yàn)參數(shù)如下:倒角銑削加工,轉(zhuǎn)速為450 r/min,倒角銑刀直徑為8 mm,進(jìn)給為0.05 mm/r,換刀點(diǎn)為36孔。試驗(yàn)后采用樣膏檢測(cè)倒棱尺寸為0.05～0.08 mm,尺寸一致性較好,孔口倒角表面粗糙度為Ra1.6 μm,滿足技術(shù)要求,加工效率得到大幅提升。

a) 加工部位及要求

b) 加工后實(shí)物圖圖9 篦齒盤異形孔倒角邊緣處理加工

3)低壓壓氣機(jī)盤榫槽倒角加工。

低壓壓氣機(jī)盤為鈦合金,榫槽倒角尺寸要求為0.02～0.05 mm(見圖10a)。結(jié)合表3中控制等級(jí)劃分類別,試驗(yàn)采用Ⅲ級(jí)自動(dòng)處理方式進(jìn)行(見圖10b)。具體試驗(yàn)參數(shù)如下:刷削加工,布輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為5 r/min,磨料粒度為1 200 μm,粉漿濃度為20%,噴嘴工作頻次為1 s,正向循環(huán)時(shí)間300 s,反向循環(huán)時(shí)間240 s。試驗(yàn)后采用樣膏檢測(cè)倒棱尺寸為0.03～0.05 mm,尺寸一致性較好,孔口倒角表面粗糙度為Ra1.6 μm,滿足技術(shù)要求。

a) 加工部位及要求

b) 加工后實(shí)物圖圖10 低壓壓氣機(jī)盤榫槽倒角邊緣處理加工

從材料特性角度考慮,對(duì)于鎳基高溫合金類限壽件除了上述工藝參數(shù)控制要求外,邊緣處理加工過(guò)程中應(yīng)注意避免某些加工部位的表面硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生;對(duì)于鈦合金類限壽件除了上述工藝參數(shù)控制要求外,邊緣處理工藝過(guò)程中應(yīng)特別注意:1)鈦合金的化學(xué)親和性大,應(yīng)禁止其與鋁、鋅、銅、錫和鎘等合金接觸;2)鈦合金零件材料因其低導(dǎo)熱系數(shù)、易粘刀以及與刀具親和力強(qiáng)等特性,在加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱不易傳出,往往集中在某些較小區(qū)域內(nèi),導(dǎo)致局部切削溫度過(guò)高,從而造成表面燒傷;3)鈦合金零件在邊緣處理過(guò)程中如果使用冷卻液,最好不使用含氯的冷卻液,應(yīng)避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆,也能防止鈦合金零件高溫應(yīng)力腐蝕開裂。

從工藝方案的角度考慮,加工參數(shù)控制的同時(shí),還應(yīng)注意工藝路線的安排、零件裝夾方式、走刀路徑以及進(jìn)退刀方式等方面的控制,同時(shí)可以嘗試采用復(fù)合加工方式開展邊緣處理加工,如采用固定軸銑削+磨粒流加工工藝、固定軸銑削+磨粒流工藝、固定軸銑削+機(jī)械刷削工藝等方式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件等復(fù)雜結(jié)構(gòu)精密零部件因去毛刺等邊緣處理工藝控制不到位而產(chǎn)生的刀痕、劃傷等表面缺陷及表面質(zhì)量問(wèn)題,通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)手工處理、機(jī)械加工處理及特種加工處理等不同邊緣處理工藝方式及特點(diǎn)的梳理分析,按照邊緣處理工藝所加工部位的功能重要程度、加工尺寸精度以及工藝開展難易程度不同,采用分級(jí)控制方法,將航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件邊緣處理加工部位劃分為3個(gè)級(jí)別,在此基礎(chǔ)上,提出邊緣處理工藝控制過(guò)程需要在人員培訓(xùn)及資質(zhì)要求、加工設(shè)備、刀具及輔助工具、工藝參數(shù)類型、測(cè)量及檢測(cè)、工藝文件報(bào)批等方面采用標(biāo)準(zhǔn)化控制的要求,并通過(guò)采用分級(jí)控制方法開展相關(guān)加工試驗(yàn)。結(jié)果表明,針對(duì)不同邊緣處理方式,采用分級(jí)控制方法,限壽件表面完整性、加工質(zhì)量及加工效率得到大幅提升,邊緣處理工藝過(guò)程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化與精細(xì)化得到有效保障,為提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件邊緣處理工藝加工質(zhì)量和效率提供了指導(dǎo)方法。