要求苛刻的宇航發(fā)動(dòng)機(jī)部件加工問題

沈福金 摘編

要求苛刻的宇航發(fā)動(dòng)機(jī)部件加工問題

沈福金 摘編

航天技術(shù)和宇航工業(yè)是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的象征。我國(guó)航空工業(yè)經(jīng)過(guò)多年徘徊，已經(jīng)開始加速發(fā)展，國(guó)家研制大飛機(jī)的計(jì)劃正在實(shí)施；我國(guó)的宇航技術(shù)取得了令世人矚目的成就，載人飛船、太空行走等令國(guó)人歡欣鼓舞。下一步的繞月工程也在緊鑼密鼓的有計(jì)劃的實(shí)施中。我國(guó)的宇航技術(shù)確實(shí)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，也有了相當(dāng)?shù)墓I(yè)基礎(chǔ)，但我們也清醒地認(rèn)識(shí)到，在這方面，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有不小的差距，尤其是高端制造技術(shù)方面?！禬B》雜志有一篇報(bào)道歐洲宇航研發(fā)中心關(guān)于加工阿麗亞那5火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的文章，一些內(nèi)容對(duì)我國(guó)有關(guān)人員也許會(huì)有所啟發(fā)，特摘譯、編寫如下，供參考。坐落在德國(guó)慕尼黑附近Ottobrunn地區(qū)的歐洲宇航技術(shù)研發(fā)中心 （EADS Astrium）的空間運(yùn)載部的動(dòng)力推進(jìn)裝備部門，負(fù)責(zé)阿麗亞娜5（Ariane－5）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件的完整開發(fā)和全部深加工制造工作，如圖1所示的主發(fā)動(dòng)機(jī)和末級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)以及全套控制閥系統(tǒng)就是由該部門開發(fā)和加工制造完成的。他們深切地體會(huì)到，加工制造這些發(fā)動(dòng)機(jī)部件和閥門系統(tǒng)是一項(xiàng)要求非?？量潭鴩?yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ?，并不像現(xiàn)在人們隨口所說(shuō)的 “如果在制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件和閥門系統(tǒng)時(shí)不出任何差錯(cuò)，今后阿麗亞娜5火箭就能很可靠地按時(shí)發(fā)射升空”那么容易。加工制造這些發(fā)動(dòng)機(jī)和閥門系統(tǒng)需要有經(jīng)過(guò)多年艱苦工作獲得的專有技術(shù)和知識(shí)。對(duì)機(jī)械加工和所應(yīng)用的機(jī)床來(lái)說(shuō)，要求很高的切削加工技藝是顯而易見的。除了應(yīng)用如電子束焊接或電鍍作業(yè)等多層工藝外，用有特殊幾何形狀的銑刀和車刀進(jìn)行切削加工占有重要位置，遵循復(fù)合加工的發(fā)展趨勢(shì)，一次裝卡進(jìn)行銑－車復(fù)合加工具有重要意義。

圖1 在歐洲宇航技術(shù)研發(fā)中心 （EADS Astrium）用最現(xiàn)代化的切削技術(shù)制造的阿麗亞娜5的發(fā)動(dòng)機(jī)部件：主發(fā)動(dòng)機(jī) （左），銑削好的冷卻管道 （中）和燃燒室 （右）

發(fā)動(dòng)機(jī)部件通常所用的毛坯材料有因科鎳718（Inconel 718）之類難加工的鎳基合金、鐵、殷鋼36（Invar 36）、鈷、耐蝕鋼 （Hynes 188）以及鈦等，鋁合金因?yàn)樘砑恿算~、銀、鋯等添加物，同樣是高強(qiáng)度而且難切削的。發(fā)動(dòng)機(jī)部件毛坯的這些材料特性使本來(lái)就很復(fù)雜的加工過(guò)程變得更加復(fù)雜和麻煩。由于成品零件的幾何形狀很復(fù)雜，有些毛坯件做成精密鑄件，要用特殊的方法，例如用真空熔煉鑄芯，使每件毛坯的材料成本非常高，達(dá)到幾萬(wàn)歐元。在切削加工這種昂貴的材料時(shí)，選用刀具以及制定和優(yōu)化數(shù)控加工程序等方面都需要員工的專有經(jīng)驗(yàn)。他們每天都在驗(yàn)證各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)機(jī)理、靈活性、特有的功能和本身的耐久性等。該中心還有一個(gè)有利條件，就是每年要制造6～8臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)樣機(jī)，這樣他們就有機(jī)會(huì)能得到強(qiáng)制性的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，以驗(yàn)證和完善加工工藝，如 “VulcainⅡ” 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就是這樣做的。

高要求就需要每位員工負(fù)起超常的責(zé)任。隨著加工狀態(tài)的進(jìn)展，零部件越來(lái)越貴重，如果出現(xiàn)廢品而影響火箭準(zhǔn)時(shí)發(fā)射，責(zé)任重大，信譽(yù)和經(jīng)濟(jì)損失也會(huì)很慘重。

雖然在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中要絕對(duì)保證百分之百的可靠性，但從經(jīng)濟(jì)性考慮，仍要提高生產(chǎn)率。在這方面，2000年他們有過(guò)教訓(xùn)。當(dāng)時(shí)對(duì)兩個(gè)組合在一起的零件的組合部分進(jìn)行加工時(shí)，用了各不相同的、部分還是陳舊的機(jī)械設(shè)備、夾具和刀具，同時(shí)又應(yīng)用新版的Goevision和Catia編程系統(tǒng)，結(jié)果組裝時(shí)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致維護(hù)成本暴漲。這是一個(gè)教訓(xùn)。實(shí)際上，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的大、小零部件的生產(chǎn)，要求高度自動(dòng)化的機(jī)床和高度自動(dòng)化的外圍設(shè)備。采用多班工作制以提高員工調(diào)用的靈活性，但由此必須統(tǒng)一機(jī)床、CNC、輔助設(shè)備和刀具的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及工藝規(guī)程。

考慮到要節(jié)省采用最新一代加工中心機(jī)床的可能性，他們分析了每一個(gè)阿麗亞娜5的零部件，找出現(xiàn)有能用的哪些機(jī)床是生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸，對(duì)新機(jī)床的具體要求進(jìn)行了許多快速調(diào)研，在精度、穩(wěn)定性和柔性等一般要求的基礎(chǔ)上又附加了從五面加工到五軸聯(lián)動(dòng)加工和圓銑削以及編程等銑削工藝方面的要求；同樣還必須滿足表面質(zhì)量高、刀具壽命盡可能長(zhǎng)和用中心架精密加工長(zhǎng)尺寸零件的特殊要求等。此外，為了減少切削過(guò)程中的工藝時(shí)間和輔助時(shí)間，托盤自動(dòng)交換器、零位夾緊系統(tǒng)以及至少有180個(gè)刀位的刀庫(kù)等自動(dòng)化部件也是必不可少的；要求供給80巴壓力的冷卻液，會(huì)改善精密零件的表面加工質(zhì)量并使深孔重切削鏜孔更容易。

在EADS的大型機(jī)床上 （大型零件的尺寸為1立方米）要增加五面和五軸加工功能，還可用立式和臥式安裝的刀具進(jìn)行車削加工，并都是一次安裝完成全部加工，這是主要優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)殂娤鲄^(qū)域的直徑和平面的形位誤差都很小，正常情況的公差都在0．01mm以內(nèi)，故不能更換裝卡進(jìn)行加工。還采取減少現(xiàn)有設(shè)備及重點(diǎn)采用西門子的CNC系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)一機(jī)床的控制等輔助措施，以適合將來(lái)的機(jī)械加工，使員工能輕松地操作很多不同的機(jī)床。

他們所選出的機(jī)床制造商必須試加工由航天中心指定的零件，以證明機(jī)床可用。具體做法是：首先由選出的合適的機(jī)床制造商提供詳細(xì)的供貨清單和技術(shù)性能參數(shù)，由航天中心負(fù)責(zé)用矩陣法逐項(xiàng)進(jìn)行仔細(xì)比對(duì)，并根據(jù)關(guān)鍵項(xiàng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，此外還要證明新機(jī)床的經(jīng)濟(jì)性。

經(jīng)通盤考慮后，訂單給了慕尼黑附近的DMG公司。原因是Deckel Maho介紹的新的通用型銑－車加工中心 “DMC 125 FD duoBlock”可一次裝卡進(jìn)行五坐標(biāo)銑削和車削而受到好評(píng)，接著又成功地進(jìn)行了試加工對(duì)訂貨起了關(guān)鍵作用。2008年初簽訂了供貨合同，這個(gè)合同除了DMC 125 FD duoBlock通用型銑－車中心外，還包含2臺(tái) DMU 70 eVo linear和1臺(tái)CTX 500車削中心。在DMC 125 FD duoBlock銑－車中心上試切成功由因科鎳718（Inconel 718） 制成的滑行環(huán)是最打動(dòng)他們購(gòu)買DMG機(jī)床的關(guān)鍵。這年初這臺(tái)機(jī)床已投入運(yùn)行，它寬敞的工作空間 （1250／1000／1000mm）特別適合加工歐洲宇航中心的零件。

圖2 DMC 125 FD duoBlock通用型銑－車中心，不僅能五軸銑削，還能在同一次裝卡中進(jìn)行精密車削 （右圖）

機(jī)床所有的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和任選件都符合他們提出的以下要求，即：

▲ 垂直于床身的立銑頭作為數(shù)控銑－車轉(zhuǎn)臺(tái)的補(bǔ)充，可負(fù)角度進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)加工；

▲ 高性能保證整體電主軸在功率44 kW和刀夾 HSK－A－100 時(shí)， 最高轉(zhuǎn)速達(dá) 10000r／min；

▲ 帶IKZ和40巴、80巴兩級(jí)壓力以及980－1冷卻潤(rùn)滑箱等，盡可能保證在銑、車和鏜孔加工時(shí)，排屑良好，表面質(zhì)量高；

▲ 通過(guò)帶雙爪的臥式換刀裝置以及可存放180把銑刀和車刀的鏈?zhǔn)降稁?kù)，實(shí)現(xiàn)高度的復(fù)合性和柔性；

▲ 托盤夾緊工作臺(tái)帶有一個(gè)用于交換兩個(gè)直徑為Φ1100mm托盤的快速旋轉(zhuǎn)的托盤交換裝置，工作臺(tái)最大承重1500㎏，轉(zhuǎn)速可達(dá)500r／min，功率35 kW，最大扭矩5400Nm，還外加一個(gè)獨(dú)有的負(fù)荷傳感器。

所有這些特點(diǎn)使其銑－車加工中心機(jī)床和任選件在市場(chǎng)上也是獨(dú)具競(jìng)爭(zhēng)力的。帶有外形變換的三維（3D）軌跡控制的西門子 “840D solutionline”、“SINTDI”刀具管理和 “SINDNC”程序管理以及帶攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù) “Netservice”和服務(wù)代理 “Service Agent”等特色軟件，使數(shù)控 （CNC）成為一個(gè)在編程、管理、組織和服務(wù)等方面給以巨大支持的高技術(shù)的指令控制平臺(tái)。

歐洲宇航研發(fā)中心明智地放棄了專機(jī)配置方案和單獨(dú)的設(shè)備操作規(guī)程。全部都成為開放式的最實(shí)用的選件組合，這種復(fù)合加工是生產(chǎn)型的，也是精密加工。這種組合在別的地方還沒見過(guò)。此外，Deckel－Maho的精度軟件包、測(cè)頭、銑刀和車刀混合測(cè)量、用于機(jī)床標(biāo)定的 “3D－quickSet”三維快速設(shè)定、乳化液油霧分離器、用于排屑的冷卻吹風(fēng)和網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的安全程序包 （對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的數(shù)控程序來(lái)說(shuō)，這很重要）等任選件，構(gòu)成了一個(gè)無(wú)人化制造的軟硬件環(huán)境。

圖3 由DMG公司的加工中心加工的零件組裝成的完整的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室

他們搞清楚了數(shù)控程序在復(fù)合加工方面總的適應(yīng)情況，他們認(rèn)為，只有用一次裝卡完成全部加工的復(fù)合加工技術(shù)才能既提高生產(chǎn)率，又保持精度穩(wěn)定甚至提高加工精度。他們認(rèn)為，在他們用DMC 125 FD duoBlock機(jī)床時(shí)，就開始了復(fù)合加工新時(shí)代。以上，就是他們研制阿麗亞娜5火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的情況和體會(huì)，可供我們參考。我國(guó)航空、航天工業(yè)正需要一批高檔數(shù)控機(jī)床，目前有些高端機(jī)床還不得不依賴進(jìn)口，而且進(jìn)口還要受到限制，這也是我們廣大機(jī)床工作者的一個(gè)切膚之痛，希望我國(guó)機(jī)床行業(yè)研制機(jī)床設(shè)備的科技人員和宇航工業(yè)部門研制發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)人員，能從中得到一些啟發(fā)或開闊一下思路，大家緊密合作，希望對(duì)促進(jìn)我國(guó)航空、航天工業(yè)的發(fā)展有所幫助。

（摘譯自 《WB》 雜志 9／09）