特種加工技術(shù)及其在我國航空發(fā)動機(jī)制造中的應(yīng)用

中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限公司 何金梅 鄭榜偉 關(guān)明強(qiáng)

為了提高發(fā)動機(jī)的可靠推力，新型發(fā)動機(jī)采用大量的新材料，且結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，加工精度要求越來越高，對制造工藝提出更高的要求。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)技術(shù)向著復(fù)合化、整體化、精密化的方向發(fā)展。

從總體上看，世界航空制造技術(shù)的發(fā)展趨勢可歸納為以下幾方面。

(1)數(shù)字化制造技術(shù)成為提升航空科技工業(yè)的重大關(guān)鍵制造技術(shù)。

(2)高效、低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)得到迅速發(fā)展。

(3)以鈦、鋁合金為代表的輕金屬構(gòu)件制造技術(shù)朝著制造大型化、整體化結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。

(4)新型整體結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)和冷卻結(jié)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)制造技術(shù)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。

(5)以高能束流加工、特種焊接為代表的新工藝技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

(6)機(jī)械加工朝著高效數(shù)控加工方向發(fā)展。

(7)先進(jìn)無損檢測技術(shù)正朝著數(shù)字化、可視化、非接觸式快速檢測方向發(fā)展。

1 我國航空制造技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著我國現(xiàn)代化航空工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)試驗(yàn)的需求，航空新產(chǎn)品不斷朝高精度、高速度、高溫、高壓、大功率、整體化等方向發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)使用的材料越來越難加工，零件形狀越來越復(fù)雜，精度表面粗糙度和某些特殊要求越來越高，因此航空制造技術(shù)面臨如下問題有待解決。

(1)各種難切削材料的加工問題，如硬質(zhì)合金、軟合金、耐熱鋼、淬火鋼等高硬度、高強(qiáng)度、高韌性的金屬材料的加工。

(2)各種特殊復(fù)雜表面的加工問題，如發(fā)動機(jī)匣、整體渦輪、噴氣渦輪葉片等的立體成形表面，各種特殊斷面的型孔、噴油嘴、窄縫等的加工。

(3)各種超精、光整或具有特殊要求的零件加工問題，如細(xì)長軸、薄壁零件、彈性元件、航空航天陀螺儀等對表面質(zhì)量和精度要求高的加工。

我國大飛機(jī)技術(shù)還在研制階段，其制造技術(shù)更加復(fù)雜，在一切順利的情況下，我國預(yù)計(jì)2020年才能研制成功并投產(chǎn)，而且未來大飛機(jī)制造的新進(jìn)入者(如加拿大、巴迪、日本等國)實(shí)力強(qiáng)大，市場競爭激烈。

2 特種加工技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

特種加工技術(shù)也稱“非傳統(tǒng)加工技術(shù)”，是利用化學(xué)能、電能、聲能、熱能、光能等能量單獨(dú)或多種能量組合，達(dá)到去除或增長材料或材料改性的加工方法，從而實(shí)現(xiàn)材料被去除、增長、變形、改性或被鍍覆等。這種特殊技術(shù)的出現(xiàn)，解決了現(xiàn)代航空制造業(yè)的難題，并在某些方面優(yōu)化了制造工藝和方法。

2.1 特種加工技術(shù)的特點(diǎn)

特種加工技術(shù)以其“以柔克剛、精密細(xì)微、仿形逼真”3大特點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，其主要表現(xiàn)在：

(1)加工范圍不受材料物理、力學(xué)性能方面的限制，對于難加工材料，如鈦合金、耐熱不銹鋼、高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料等高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)材料也能找到解決辦法。

(2)易于加工復(fù)雜型面、細(xì)微機(jī)構(gòu)零件，如復(fù)雜的三維型腔、型孔、群孔、窄槽、窄縫等的加工。

(3)可用于低剛度零件，如柔性零件、薄壁零件、彈性零件等的加工。

(4)易獲得良好的表面質(zhì)量，熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響區(qū)等均比較小。

(5)各種加工方法還可以復(fù)合形成新的加工方法。

2.2 特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代航空制造工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特種加工技術(shù)作為新型技術(shù)，不僅是對傳統(tǒng)機(jī)械加工方法的有效補(bǔ)充，更是開發(fā)各種新工藝、新方法、新技術(shù)的有力武器，使我們現(xiàn)代航空產(chǎn)品的各項(xiàng)性能達(dá)到新的高度要求。特種加工技術(shù)不斷完善和迅速發(fā)展，其應(yīng)用前景和發(fā)展空間將更為廣闊。為進(jìn)一步提高特種加工技術(shù)水平，并擴(kuò)大其在航空制造業(yè)中的應(yīng)用范圍，當(dāng)前特種加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢主要有以下3個方面。

(1)充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對特種加工設(shè)備控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，建立綜合參數(shù)自適應(yīng)控制裝置、數(shù)據(jù)庫等，進(jìn)而建立特種加工的CAD/CAM與FMS系統(tǒng)，這是當(dāng)前特種加工技術(shù)的主要發(fā)展方向。

(2)為適應(yīng)產(chǎn)品的高技術(shù)性能要求與新型材料的加工要求，需要不斷開發(fā)新工藝方法及復(fù)合工藝。

(3)為適應(yīng)航空產(chǎn)品對零件精度和表面粗糙度提出的更嚴(yán)格的要求，特種加工技術(shù)趨于精密化研究。

3 特種加工技術(shù)在我國航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用

特種加工技術(shù)包括：電火花成形加工、電火花線切割加工、激光加工、電化學(xué)加工、電子束加工、超聲加工、離子束加工、等離子弧加工等。 近十幾年來，我國航空制造企業(yè)緊跟國際裝備行業(yè)步伐，從國外相繼引進(jìn)了處于世界機(jī)床加工行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先的各類特種設(shè)備。主要有數(shù)控真空電子束焊機(jī)、精密數(shù)控電火花小孔機(jī)、精密數(shù)控電火花慢走絲、數(shù)控噴丸機(jī)、等離子噴涂及火焰噴涂、數(shù)控激光打孔機(jī)、整體葉盤數(shù)控精密電解設(shè)備等，特種設(shè)備的配套水平總體上與歐、美等發(fā)達(dá)國家基本上位于同一水平。特種加工技術(shù)與在我國航空發(fā)動機(jī)制造中的主要應(yīng)用情況如下。

(1)電加工技術(shù)以其特殊的加工特性，解決傳統(tǒng)加工手段不能或難以解決的制造難題，是實(shí)現(xiàn)難加工材料和精密零件加工的有效手段。如圖1所示，渦輪機(jī)葉輪的三維幾何通道在過去是不能制造的，通常在五軸聯(lián)動的銑床上僅能對開放的這種類型進(jìn)行加工制造，對于不開放的極端螺旋幾何通道是不能加工的，但是現(xiàn)在六軸以上的電火花成形機(jī)床就能加工了。目前電加工技術(shù)主要應(yīng)用在工作葉片氣膜孔、端孔，整流葉片內(nèi)筋通孔、火焰筒的群孔、葉片榫槽等細(xì)微深孔及異形孔、槽的加工。我國在傳統(tǒng)電加工技術(shù)方面應(yīng)用較為成熟，特別是隨著近年來航空制造業(yè)的技改設(shè)備的投入，引進(jìn)了一些國際上先進(jìn)的電加工設(shè)備，因此在電加工技術(shù)方面接近國際先進(jìn)制造水平。

圖1 整體葉輪Fig.1 Integral impeller

(2)電化學(xué)加工技術(shù)在20世紀(jì)70年代就應(yīng)用到航空制造業(yè)中，針對航空發(fā)動機(jī)零部件中無法通過機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)或者機(jī)械加工成本極高的型面、型槽的加工，通過電化學(xué)加工設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)難加工材料、復(fù)雜型面的精細(xì)加工，且無重熔層，表面完好。目前國際上普遍采用電解加工設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備來實(shí)現(xiàn)整體葉盤、葉片的精粗加工及電解拋光，達(dá)到整體葉盤葉片、葉輪的葉片型面輪廓尺寸及表面粗糙度的工藝要求。如圖2所示，用電解方法加工的渦輪轉(zhuǎn)子及整體葉輪，工件材質(zhì)為高溫合金，采用套料加工方式，葉盆、葉背一次加工成形，葉片精度0.1mm，表面粗糙度值Ra為0.8μm，每個葉片加工僅需幾分鐘時間。電解套料加工已成為航空航天領(lǐng)域優(yōu)先使用的工藝方法之一。我國在采用電解設(shè)備制造發(fā)動機(jī)整體葉盤的加工技術(shù)上面還比較落后，圖3為目前比較先進(jìn)的用于整體葉盤加工的電解設(shè)備。

(3)激光加工技術(shù)廣泛地應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)零部件的制造與維修中，激光加工設(shè)備主要以制孔和切割兩大類為主流，應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)葉片類、燃燒室等零件的打孔、切割加工。例如，DMG公司生產(chǎn)的五軸激光打孔機(jī)，主要用于航空燃?xì)鈾C(jī)輪構(gòu)件內(nèi)膜冷卻空氣孔的加工，加工精度高，效率高，適應(yīng)性強(qiáng)。目前激光加工技術(shù)將開發(fā)和研制的激光焊接、激光熔敷、激光強(qiáng)化、激光熱處理以及激光3D打印等新型技術(shù)與設(shè)備正逐步應(yīng)用到發(fā)動機(jī)零部件的制造與維修中，如圖4所示，發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，可增加其使用壽命，壓氣機(jī)、燃燒室及渦輪等零部件的制造主要采用激光制孔、激光切割、激光焊接來完成，可提高零部件的加工效率與加工精度。

圖2 渦輪轉(zhuǎn)子Fig.2 Turbine rotor

圖3 德國EMAG整體葉盤電解加工設(shè)備Fig.3 Blisk electrolytic machining equipment of German EMAG

(4)電子束加工技術(shù)主要應(yīng)用于焊接和物理氣相沉積的熱障涂層制備。電子束焊接技術(shù)及設(shè)備已成為我國航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)和裝備，由于電子束焊接變形和熱影響區(qū)小，被用于航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)的裝配焊接，如主燃燒室、熱氣歧管，高低壓燃料渦輪泵等，特別是在發(fā)動機(jī)焊接式轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。我國在電子束焊接技術(shù)方面基本與國際接軌，已掌握多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但在高精密、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、新材料、無余量精密件的電子束焊接技術(shù)及厚大件中壓水平槍的焊接方面有待提高。

圖4 激光加工技術(shù)在發(fā)動機(jī)制造中的全面應(yīng)用Fig.4 Application of laser machining technology in aeroengine manufacturing

(5)等離子弧加工技術(shù)與設(shè)備主要應(yīng)用在零件涂覆即熱噴涂加工和板材切割中。特別是等離子噴涂技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)熱端渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片部件的優(yōu)質(zhì)高溫防護(hù)涂層的制備，在發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的隔熱、高溫防護(hù)、耐磨、封嚴(yán)及鈦合金零件防微動磨損、阻燃等方面起到重要的作用。20世紀(jì)90年代初，我國才逐步從瑞士、美國等發(fā)達(dá)國家引進(jìn)等離子噴涂技術(shù)和設(shè)備，目前在噴涂工藝應(yīng)用方面積累了寶貴的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用中逐步建立起了包含等離子噴涂、低壓等離子噴涂、火焰噴涂、超音速火焰噴涂、爆炸噴涂等表面涂覆技術(shù)體系。

(6)金屬表面強(qiáng)化技術(shù)是近年來逐步受到重視的一項(xiàng)技術(shù)，它對改善材料表面性能、延長零件使用壽命、節(jié)約資源、提高生產(chǎn)力起到關(guān)鍵的作用。金屬表面強(qiáng)化技術(shù)于20世紀(jì)60年代產(chǎn)生于美國，80年代后期應(yīng)用到航空制造業(yè)中，90年代我國逐步從國外購置先進(jìn)的數(shù)控噴丸機(jī)設(shè)備，能夠進(jìn)行玻璃丸、鑄鋼丸及陶瓷丸等噴丸強(qiáng)化加工，已具備了多功能、多丸粒類型噴丸加工能力。目前，我國的表面強(qiáng)化技術(shù)緊隨國際發(fā)展趨勢，正在開發(fā)和研制超聲噴丸技術(shù)、表面光整技術(shù)等，使材料的表面性能得到進(jìn)一步的提高。

4 我國特種加工技術(shù)在航空制造應(yīng)用方面存在的不足

在航空制造技術(shù)領(lǐng)域，英、美等發(fā)達(dá)國家都把特種加工技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。我國航空制造在特種加工技術(shù)方面雖然取得了一些成就，但從總體水平看，與國外相比存在較大差距，面對新一代航空制造的技術(shù)要求，我們的技術(shù)儲備明顯不足，具體表現(xiàn)在：

(1)特種加工工藝總體水平落后，特種工藝技術(shù)的研究沒有得到足夠重視。一些先進(jìn)的特種加工技術(shù)受到國外的限制，我們所能接觸的是相對比較落后和滯后的技術(shù)，長期沿用的模仿生產(chǎn)，導(dǎo)致我們觀念硬化，缺乏先進(jìn)、主動、超前的研發(fā)精神；

(2)先進(jìn)的特種加工裝備幾乎完全依賴進(jìn)口，由于國內(nèi)外技術(shù)水平的差異，在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)口設(shè)備存在關(guān)鍵技術(shù)封鎖、先進(jìn)功能得不到有效利用和開發(fā)、設(shè)備維護(hù)成本高等問題。而一些航空制造關(guān)鍵零部件的加工裝備國外對我國禁止銷售，我們應(yīng)該加強(qiáng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的特種加工裝備的研究與開發(fā)工作；

(3)工藝過程不穩(wěn)定，一致性差，產(chǎn)品合格率低，制造成本高，批量生產(chǎn)能力差。主要因?yàn)槿鄙俟に囈?guī)范的制訂，工藝過程受人為和環(huán)境因素影響大，靠主觀和經(jīng)驗(yàn)來制定工藝過程等；

(4)污染問題是影響和限制有些特種加工應(yīng)用的重要問題，必須花大力氣處理，并對廢氣、廢液、廢渣進(jìn)行利用，向綠色加工方向發(fā)展。

5 結(jié)束語

正如國外資深專家所說：“沒有特種加工就無法制造出先進(jìn)的發(fā)動機(jī)”?？梢姡胤N加工技術(shù)在航空制造業(yè)中發(fā)揮了極其重要和不可替代的作用。特種加工技術(shù)在航空制造業(yè)中已突破了傳統(tǒng)機(jī)械切削加工的瓶頸，在提高加工能力、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的提升方面顯露出巨大的優(yōu)越性，是航空制造技術(shù)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。