特種加工技術在航空發(fā)動機燃油附件精密件中的應用

■中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司 （陜西 710077） 孫莉潔 劉 勇 劉 曦

隨著科學技術的發(fā)展和先進制造技術的不斷進步，特種加工在現(xiàn)代制造業(yè)中的地位日趨重要，在航空發(fā)動機燃油附件精密件方面，特種加工明顯的彌補了傳統(tǒng)機械切削加工的不足，在滿足產(chǎn)品功能、穩(wěn)定產(chǎn)品質量和延長產(chǎn)品壽命方面體現(xiàn)了極大的優(yōu)越性，成為了航空發(fā)動機燃油附件精密件制造中不可缺少的關鍵技術。航空發(fā)動機在高溫、高壓且高轉速的極端惡劣條件下工作，同時要求質量輕、油耗低、可靠性高且壽命長等，可以說是材料、冶金、機械和檢測等多學科綜合的高端產(chǎn)品，尤其是航空發(fā)動機燃油附件的精密件，如精密活門偶件、高精度齒輪、齒條、分油盤和噴油嘴等，有些關鍵部位采用傳統(tǒng)的機械加工工藝根本無法達到產(chǎn)品技術要求，而特種加工技術很好的彌補了傳動機械加工的不足，成為不可替代的技術，并且應用越來越廣泛。

1.航空發(fā)動機燃油附件精密件的功能

精密活門偶件、噴油嘴都是發(fā)動機控制燃油流量的關鍵零件，精密活門偶件是通過活門與襯套的相對運動改變節(jié)流孔的開度面積以達到對燃油流量進行控制的目的。噴油嘴是通過小孔來控制燃油流量及壓力，在發(fā)動機不同工作狀態(tài)下，為其提供流量充足且霧化狀態(tài)良好的燃油至燃燒室進行充分燃燒，以保證良好的燃燒效率，進而為發(fā)動機提供可靠、穩(wěn)定動力。

高精度齒輪、齒條是發(fā)動機的傳動及控制油壓的關鍵零件，在發(fā)動機工作過程中，通過齒輪嚙合或齒條傳動動力，改變軸的運動方向，同時具有油壓控制的主從動齒輪在互相嚙合的過程中，要與側板接觸，把吸油腔和壓油腔隔開，退出嚙合時形成吸油腔，進入嚙合時完成吸油壓油過程，在不斷的嚙合過程中給發(fā)動機提供所需的油壓。

分油盤是發(fā)動機控制燃油壓力的關鍵件，主要用于柱塞式燃油泵的油泵體。在發(fā)動機工作過程中，分油盤與轉子端面接觸，帶動油泵轉子旋轉。轉子旋轉時牽連柱塞隨之轉動，柱塞移動過程中，柱塞孔內(nèi)容積空間會發(fā)生變化（從小到大，從大到小），容積空間增大過程中，必然會造成柱塞孔內(nèi)的抽吸作用，使燃油沿分油盤的低壓進油窗流入，以填充柱塞孔內(nèi)增大的容積空間；反之，容積空間減小過程中，原吸入的燃油會沿分油盤的高壓出油窗壓出。即油泵轉子旋轉一周，柱塞在斜盤的限制下，通過分油盤的作用，完成了一個將燃油從低壓區(qū)吸入并帶到高壓區(qū)壓出的完整工作過程。

2.特種加工技術的應用

近十幾年來，我國航空制造業(yè)發(fā)展迅猛，對航空發(fā)動機的質量及壽命提出了更高的要求，這就需要對發(fā)動機的心臟產(chǎn)品—燃油附件精密件進行更深入的研究，突破傳統(tǒng)的機械制造觀念，通過特殊技術實現(xiàn)優(yōu)化制造工藝和表面改性，而電能、化學能及光能等能量單獨或多種能量組合的特種加工技術的出現(xiàn)為航空發(fā)動機燃油附件精密件的的深入研究指明了方向。

目前，航空發(fā)動機燃油附件精密件應用的特種加工技術主要有：電火花加工技術、光整加工技術、電化學加工技術、激光技術、電子束技術、磨粒流技術和等離子技術等。同時，也從國外引進了處于世界機床加工行業(yè)技術領先的各類特種加工設備，主要有：數(shù)控電火花慢走絲設備、精密電火花設備、精密振動光飾機、精密刷鍍設備、數(shù)控激光打孔機和微孔磨粒流設備等，特種加工設備的配置水平與發(fā)達國家基本持平。

（1）電火花加工在精密件加工中的應用。電火花加工是通過工件與電極間的放電而可控地去除工件材料以及使材料變形、改變性能的一種特種加工工藝。是航空發(fā)動機燃油附件精密件制造中應用最廣泛的特種工藝之一，主要有電火花線切割加工、電火花成形加工等。

活門偶件的加工：精密活門偶件的型槽、型孔，一般采用電火花線切割加工、電火花成型加工的方法。如圖1所示，楔形的方槽采用電火花成形加工，使用楔形的成型電極，調整合適的放電間隙、脈沖間隔和峰值電流等參數(shù)，獲得質量穩(wěn)定的型槽尺寸。V通槽則采用電火花線切割加工。在電火花加工技術中，電火花線切割的效率更高且不存在電極磨損的問題，所以電火花線切割技術較電火花成型技術應用更廣泛，是電火花加工的首選。

齒輪的加工：特殊材料且模數(shù)較大的齒輪，在粗加工階段也可使用電火花線切割的方法。如圖2所示，該零件為粉末冶金材料，屬于高釩工具鋼，材料碳化物多、硬質點多、含釩量高且材料耐磨，傳統(tǒng)工藝一般采用帶涂層的滾齒刀粗加工齒輪，滾齒刀磨損嚴重，一把刀具僅能加工2～3件零件，加工成本高，因此在粗加工階段可采用電火花線切割的方法割出齒形，精加工階段再磨齒，這樣，不僅保證了齒輪的最終精度要求，而且提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本。

圖1 活門偶件

圖2 齒輪

圖3 內(nèi)花鍵零件

圖4 插齒刀具

圖5 喇叭狀花鍵

以圖3所示的內(nèi)花鍵零件為例，內(nèi)花鍵距孔口距離80mm，內(nèi)花鍵前端的內(nèi)孔直徑8mm，使用傳統(tǒng)的插齒加工，插齒刀具如圖4所示，為了保證刀具能順利進入內(nèi)孔，柄部直徑最大僅6mm且刀具長度92mm，細而長的結構使得刀具剛性差，在插齒切深方向進刀過程中讓刀現(xiàn)象嚴重，最終花鍵成喇叭狀，如圖5所示，導致在裝配過程中內(nèi)外花鍵無法安裝到位，無法保證產(chǎn)品質量要求。采用電火花成型方法加工，使用成型電極，如圖6所示，調整合適的放電間隙并及時清除電極頭部的磨損部分，可以保證產(chǎn)品質量要求。

齒條的加工：細長帶齒條的活門桿在齒條加工時，受零件結構裝夾限制，同時為防止零件變形，也可使用電火花線切割的方法割齒條，如圖7所示，該零件齒條已過軸的回轉中心，且零件細長，長徑比＞10，若采用銑齒條的方式加工，勢必會造成細長桿扭轉變形，且去除余量較多，殘余應力大，若采用電火花線切割方法加工，高溫使得放電附件的金屬瞬間熔化，零件本身不用承受過大的切削力，可以有效控制零件變形。

傳動軸的加工：傳動軸表面經(jīng)過滲層處理，硬度很高，其表面的小孔或槽可采用電火花成形加工。如圖8所示，該零件表面滲碳，硬度≥58HRC，滲碳前調質硬度35～45HRC，若小孔在滲碳前鉆削加工，滲碳時為防止零件彎曲變形，采用垂直吊掛的方式裝爐，零件在高溫下，長度方向尺寸會發(fā)生變化，無法保證小孔中心距端面的尺寸101±0.15mm，因此將小孔安排在滲碳后加工，但因孔尺寸僅為φ2mm且硬度高，無法鉆削加工，這時就采用電火花成形加工的方法，使用圓柱電極加工小孔，可以可靠的保證小孔距端面的尺寸要求。

（2）光整加工在精密件加工中的應用。隨著對航空發(fā)動機質量標準要求的提升，要從成形制造轉變?yōu)楸砻嫱暾灾圃欤⒅鸩教嵘娇蛊谥圃欤虼撕娇瞻l(fā)動機燃油附件精密件的表面質量提升是未來的制造趨勢。航空發(fā)動機燃油附件精密件常見的失效形式有彎曲疲勞、磨損和斷裂等，這些失效形式影響著燃油流量控制的精度，直徑影響著發(fā)動機的壽命。

光整加工是目前航空發(fā)動機燃油附件精密件中應用比較廣泛的一種表面改性的方法，通過磨料和工件的相對運動，在工件和磨料間產(chǎn)生一定的擠壓力和強制流動力，在振動或旋轉力的作用下，使工件表面產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，改善表面微觀幾何形狀，達到去除微觀毛刺、均勻銳邊倒圓、減小表面粗糙度值和改善殘余應力的效果，大大提高了耐磨性，降低了斷裂失效的風險。

齒輪是發(fā)動機燃油附件中關鍵的傳動部件，其表面質量直接影響著油壓準確性及零件壽命，以圖9所示的一對齒輪為例，進行光整加工試驗，分別從表面壓應力、表面粗糙度和表面紋理進行試驗。

光整加工過程中，在撞擊力、擠壓力的作用下工件表層的金屬發(fā)生塑變，使機械加工產(chǎn)生的表面殘余拉應力被消除，獲得較大的壓應力，改變了表面應力的狀態(tài)，提高了零件的抗疲勞性能，改善情況如圖10所示。

光整加工過程中，磨粒在工件表面進行微量磨削和擠壓，使表面上的微觀毛刺、銳邊和微觀高峰被磨削、壓平，表面的微觀幾何形狀被改變，達到較徹底的去除毛刺、均勻的銳邊倒圓效果，同時細化了表面加工紋理，改善了表面質量，降低零件配合表面的咬合傾向，提高了耐磨性。圖11是光整前后表面粗糙度對比圖，可以看出光整后表面粗糙度有明顯改善，可提高一個等級。圖12是電子顯微鏡（放大200倍）下試件表面光整前后的加工紋理，可以看出光整前表面紋理連續(xù)方向性明顯，光整后表面加工紋理不連續(xù)且方向性淡化。

圖6 成型電極

圖7 齒條

圖8 傳動軸

圖9 齒輪

當精磨活門偶件的尖邊位于槽邊且槽寬較窄時，磨粒對光潔銳邊的作用有限，光整加工對于光潔銳邊的影響是微量的。但當尖邊位于零件外圓端面時，大量磨粒對尖邊進行滾磨、劃擦，光整加工會使尖邊R值增大，光整的時間越長，R越大。

（3）電化學加工在精密件加工中的應用。電化學加工是通過電化學反應去除工件材料或在其表面鍍金屬材料等的特種加工，幾乎應用于航空發(fā)動機燃油附件的各類精密件，常見的有鍍鎘、鍍鋅、鈍化、陽極化、電化學拋光和表面涂覆等。

活門偶件的應用：精密活門偶件一般不具有螺紋特征，在工作中不承受沖擊載荷，但要求具有良好的耐磨性、耐熱性和耐蝕性，鋁制活門偶件多進行陽極化處理，鋼制活門襯套多進行化學鈍化或鍍鎘、鍍鋅鈍化處理。

齒輪的應用：高精度齒輪在工作過程中，要承受較大的沖擊載荷，同時齒輪作為發(fā)動機燃油附件的關鍵件，其抗疲勞、耐磨損等特性直接影響著發(fā)動機的壽命，因此，一般齒輪均要求滲碳（氮）或碳氮共滲，以提高齒輪的表面硬度、耐磨性，同時又要確保心部硬度較低，保證良好的韌性及抗疲勞、抗沖擊能力，在工藝安排方面，滲碳（氮）、碳氮共滲之前，對無需滲層的表面，利用銅層的防滲特性，進行鍍銅保護。

分油盤的應用：分油盤在工作過程中要經(jīng)受高頻次的摩擦，因此其工作面質量及表面粗糙度要求極高，傳統(tǒng)的機械拋光及其他精加工技術只是宏觀的處理，微觀上均存在不同程度的不足，而電化學拋光很好的彌補了這些不足，體現(xiàn)了高效率、表面無加工硬化層和耐蝕等一系列優(yōu)勢。電化學拋光是在一定的條件下溶解零件表面，使表面不平處變的平滑，在溶解最少且最均勻的條件下，盡可能得到光滑的表面，大大改善了表面的性能，降低了表面的摩擦系數(shù)，延長了磨損時間，微觀上表面生成的致密鈍化膜可以有效抑制表面的結晶腐蝕，顯著提高了表面的耐蝕性，同時可提高零件的導磁率，降低磁滯損失，有效防止分油盤在工作過程中磁力粘連。化學鈍化適用于海洋氣候，是艦載機配裝發(fā)動機的首選。

圖10 齒輪光整加工前后壓應力分布狀態(tài)

圖11 光整加工前后對比

圖12 加工紋理

（4）激光技術在精密件加工中的應用。隨著計算機技術、自動化技術的迅猛發(fā)展，激光技術已被逐漸應用到汽車、航空等領域。激光具有很多優(yōu)點，如單色光、高度聚焦及高能量密度，可產(chǎn)生高溫，在精密微孔、微型槽加工中，優(yōu)勢明顯，其高能量可以使金屬瞬間汽化，能有效防止加工應力及變形，但因激光的優(yōu)質能量區(qū)域僅能達到0.2mm，所以當孔深度＞0.2mm時，單純使用激光技術是不夠的，還需輔助其他工藝方法，常見的是激光技術與電火花技術結合。

噴油嘴的應用：噴油嘴結構小巧，油路孔、型槽尺寸小，最小達到0.3mm，精度要求高，一般為IT5～IT7，微孔、微型槽加工使用傳統(tǒng)的鉆、鉸及銑的工藝方法容易折斷刀具，產(chǎn)生加工變形，尺寸一致性差，無法滿足產(chǎn)品質量要求，使用激光技術或激光技術與電火花技術的結合可以較好改善傳統(tǒng)工藝的弊端。

圖13所示零件，月牙槽寬度為0.3mm，可先使用激光穿孔，加工直徑≤0.15mm的小孔，再使用線切割的方法割出月牙槽，保證產(chǎn)品質量要求。

圖13 零件示意

產(chǎn)品標印的應用：產(chǎn)品標印是追溯零件的唯一標識，像身份證一樣，傳統(tǒng)的標印方法是鋼印或電刻筆，如圖14所示，標印內(nèi)容單一，標印字跡不規(guī)范，容易出錯，辨識度不高。激光技術的出現(xiàn)使二維碼作為產(chǎn)品的標識成為了現(xiàn)實，實現(xiàn)產(chǎn)品信息全面化、復合化和準確化，如圖15所示。

圖14 鋼印及電刻筆印

圖15 激光標印二維碼

3.特種加工存在的技術難點及研究趨勢

國外發(fā)達國家將特種加工列為關鍵技術并進行重點攻關，我國航空制造業(yè)雖然也取得了一些成就，但研究及認識的深度遠不及世界領先水平，面對新一代航空發(fā)動機的技術要求，我們的技術明顯不足，在常用的特種加工方面，技術難點長期無法解決，這也將是我們未來需要攻克的難題，具體表現(xiàn)如下所述。

（1）電火花加工后表面會產(chǎn)生重熔層，目前只能通過調整切削余量、調整放電間隙、脈沖間隔和峰值電流等，盡可能減小重熔層的厚度，但無法消除。但因重熔層硬度高、脆性大，密布微裂紋，必然會影響到產(chǎn)品的使用壽命，但目前國內(nèi)外對重熔層的去除方法均沒有展開相應的研究。為了保證產(chǎn)品壽命可靠、穩(wěn)定，未來必將對重熔層的去除方法、去除后的表面質量及其相應的檢測項目進行研究。

（2）光整加工后的表面質量主要與磨粒材料、粒度、時間及零件材料有關，對于精密活門偶件、噴油嘴等表面具有型槽、微孔和尖邊等特征的零件，光整加工的技術應用尚不成熟。但活門偶件、噴油嘴均是航空發(fā)動機的關鍵零部件，其表面質量對燃油流量的精確控制及穩(wěn)定性影響較大，未來必將對具有特殊結構的活門偶件、噴油嘴進行深入的光整加工技術研究。

（3）電化學加工后變形大、表面結合力差和特殊材料滲鍍技術缺乏是目前存在的幾個主要問題。草酸陽極化影響機體尺寸、鈦合金滲碳技術、純鋁陽極化技術和高精度軸承表面涂覆后變形大，均是目前的技術難點，對電化學加工技術的深入及專業(yè)化研究，可以提高表面硬度、脆性等的均勻性，對產(chǎn)品工作過程中的磨損進行量化評價，從而精確控制產(chǎn)品壽命。

（4）激光技術在航空發(fā)動機燃油附件精密件的目前應用相對比較少，主要是因為激光技術對孔、槽的直徑及深度均有限制，同時激光技術具有不需要工裝、加工速度快、表面變形小和可加工各類材料的優(yōu)點，在航空發(fā)動機燃油附件的精密件的新材料加工方面有較好的應用前景。

4.結語

特種加工在航空發(fā)動機燃油附件精密件的應用越來越廣，但目前對特種加工的認識還不夠深入，同時對特種加工的利用與發(fā)達國家還存在差距，但特種加工技術的進步必將極大地帶動航空發(fā)動機燃油附件精密件的制造技術進步，只有不斷深入研究、攻克各個領域的技術難點，才能使我國航空發(fā)動機制造領域迎來突破性的進步。