特種加工技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)制造中的應(yīng)用探究

王鵬儼

摘要：特種加工技術(shù)在航空行業(yè)發(fā)揮著關(guān)鍵和不可替代的作用，在克服航空制造傳統(tǒng)機(jī)械切削的瓶頸，提高生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性方面取得了長足的進(jìn)步，也是我國為航空發(fā)動機(jī)制造的重要技術(shù)。

關(guān)鍵詞：特種加工技術(shù);航空發(fā)動機(jī)

在現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)設(shè)計中，對高性能航空發(fā)動機(jī)的需求需要大量新的材料和結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)品的生產(chǎn)能力給生產(chǎn)技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。例如難加工材料、型面復(fù)雜、精密表面加工和特殊零件加工。使用特殊的加工技術(shù)，發(fā)動機(jī)零件的數(shù)量可以減少，結(jié)構(gòu)可以簡化。這提高了性能、適用性、可靠性、可維護(hù)性等。

一、特種加工技術(shù)的特點及發(fā)展趨勢

特殊加工（也稱為非傳統(tǒng)加工）是第二次世界大戰(zhàn)后開發(fā)的類別的通用名稱，不同于常規(guī)切削和研磨方法。特殊加工方法將電、磁、聲、光等物理和化學(xué)能量直接施加到工件的工作部分，去除、堆積、變形或改變材料特性。特殊加工方法可用于難以制造的傳統(tǒng)加工方法，如采用高強(qiáng)度、韌性、硬度、脆性、高溫和工程陶瓷、磁性和復(fù)雜零件的精度、細(xì)度和加工。特種加工方法具有以下特點：

1.特種加工工藝的特點。特種加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，具有以柔克剛、精密細(xì)微、仿形逼真三個特點，主要有：（1）加工方法主要用電能、光能、聲能、熱能、化學(xué)能去除材料。（2）在傳統(tǒng)加工方法中，刀具必須比工件堅硬，即以硬切軟;（3）加工對切削力沒有顯著影響，一般不會引起加工硬化，因為工件變形小，發(fā)熱量小，或者僅用于工件表層加工，工件的熱變形小，因加工產(chǎn)生的應(yīng)力小，質(zhì)量容易達(dá)到。（4）特殊加工過程中的能量轉(zhuǎn)換和控制簡單，有助于保證加工的準(zhǔn)確性和效率。（5）特種加工方法去除材料的速度通常比常規(guī)加工方法慢。這也是傳統(tǒng)加工方法在機(jī)械加工中繼續(xù)發(fā)揮重要作用的主要原因。（6）加工領(lǐng)域獨立于材料的物理和力學(xué)特性，可以為復(fù)合材料如鈦、熱科不銹鋼、硬鋼、高強(qiáng)度等難以加工的材料找到解決方案。（7）具有復(fù)雜型面、易于加工且具有細(xì)微機(jī)構(gòu)的零件。復(fù)雜的三維型腔、型群孔、窄槽、窄縫等。（8）適用于低剛度零件，如柔性、薄壁、彈性部件。（9）在熱、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱效應(yīng)等條件下，很容易獲得良好的表面質(zhì)量。（10）各種處理方法可以結(jié)合起來，使其成為一種新的處理方法。

2.特種加工技術(shù)的發(fā)展。隨著現(xiàn)代航空航天工業(yè)和科技的發(fā)展，特殊的加工技術(shù)不僅有效地補(bǔ)充了傳統(tǒng)的機(jī)器程序，而且是新技術(shù)、方法和工藝的有效武器開發(fā)，使現(xiàn)代航空能夠滿足新的性能要求。專業(yè)化的加工技術(shù)不斷發(fā)展和迅猛發(fā)展，應(yīng)用目標(biāo)和開發(fā)空間的結(jié)合不斷擴(kuò)大。為了進(jìn)一步拓展和擴(kuò)大航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，現(xiàn)代特種技術(shù)發(fā)展的大趨勢有三個主要方面。（1）采用計算機(jī)技術(shù)的專業(yè)化設(shè)備管理系統(tǒng)、電源系統(tǒng)優(yōu)化、參數(shù)化適應(yīng)綜合控制、數(shù)據(jù)庫建設(shè)等。構(gòu)建專用CAD/CAM和FMS處理系統(tǒng)是現(xiàn)代專用工藝流程發(fā)展的主流。（2）為了滿足產(chǎn)品的高技術(shù)性能要求和新材料的加工要求，必須開發(fā)一種新的復(fù)合工藝。（3）相對精密化的特殊加工工藝，使航空設(shè)備部件精度和表面粗糙度要求更加嚴(yán)格。

二、航空發(fā)動機(jī)特點

鈦合金、復(fù)合材料和高溫合金等特殊材料經(jīng)常用于航空發(fā)動機(jī)，這些材料通常具有大硬度、高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性、高熔點、大脆性等特點。因此，在常規(guī)工況下，很難用機(jī)械切削方法有效地將其分割，且飛機(jī)發(fā)動機(jī)加工孔的大部分位置都在復(fù)雜的型面和零件結(jié)構(gòu)上。如渦輪、燃燒室和噴嘴等零件。菱形孔通常需要深度加工。這些加工位置中的差錯更有可能影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。此外，在許多情況下，必須在一些薄的或有彈性的零件的表面上鉆孔，這大大增加了鉆孔的難度。在航空發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)過程中，還需要加工和生產(chǎn)精密控制元件和微型系統(tǒng)零件上直徑小于0.1毫米的微孔。許多不同空間結(jié)構(gòu)的小孔需要在火焰筒零件上加工。以上孔很難加工，由于不合格或精度不夠容易引起不合格的質(zhì)量。航空發(fā)動機(jī)在高溫、高壓和高速的極端條件下運行。同時，它需要重量輕、油耗低、可靠性高、使用壽命長和再利用。這是一種集成、多學(xué)科的高端產(chǎn)品。其特點是核心技術(shù)的堆集。沒有核心技術(shù)，就不會有現(xiàn)代先進(jìn)的現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)對單位推力、推力比、超音速巡航、推力矢量功能、隱形性能、高可靠性、耐用性和良好維護(hù)提出了更高的要求。對材料和制造技術(shù)的更嚴(yán)格要求導(dǎo)致了從普通合金到新的高溫、輕質(zhì)高強(qiáng)合金的各種應(yīng)用;從單工序到多工序研究;從數(shù)字化、自動化、信息化到智能化生產(chǎn)。新材料和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)設(shè)計使零件加工更加困難。雖然有些不能用常規(guī)加工實現(xiàn)，但特殊的加工方法在某些領(lǐng)域不可替代，越來越多地用于常規(guī)機(jī)器加工的缺失。目前，傳統(tǒng)的特殊加工技術(shù)，如火花、電化學(xué)、激光、電子束及離子束加工加工等。廣泛用于航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)，但隨著新材料和結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，閉式整體葉盤的電火花多軸加工技術(shù)、精密電解加工技術(shù)、陶瓷復(fù)合材料超高速激光加工技術(shù)、激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)和高壓水射流強(qiáng)化技術(shù)在新技術(shù)開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用

三、特種加工技術(shù)的應(yīng)用

1.加工葉片榫齒。葉片是航空發(fā)動機(jī)重要的部件，旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)葉片都需要很高的尺寸精度，并具有加工葉片榫齒技術(shù)，可以粗糙和精加工用專用銼刀，高合金、加工速度和許多因素存在薄弱的限制，如因刀具磨損導(dǎo)致的加工效率顯著提高。

2.復(fù)合加工用于蜂窩組件。復(fù)合加工技術(shù)，通過蜂窩點間焊接可靠的焊接，可以有效利用運動材料。為了獲得蜂窩孔、均勻分布和熱變形等重要特性，該過程通過儲能點固定在航空發(fā)動機(jī)外環(huán)上，并在焊接過程中與工件緊密連接，以保持電磨輪與蜂窩之間的電解磨特種加工壓力。

3.軟管火焰屏蔽金屬釬焊。是氧乙炔火焰中高效釬焊的重要技術(shù)。由于航空發(fā)動機(jī)金屬軟管沒有固定在火焰釬焊之前，釬焊配件軟管和航空發(fā)動機(jī)之間的最小溫差必須固定到大約340℃，以保證航空發(fā)動機(jī)的釬焊質(zhì)量。此外，其料接近到熔融溫度，并加熱后的軟管金屬刷涂抹直徑30毫米，外焰繼續(xù)隨外焰繼續(xù)。

四、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

特殊加工工藝包括電火花成形、電火花線切割、激光、電化學(xué)、電子束、超聲、離子束、等離子弧加工等。過去十年來，我國航空制造商一直跟上國際設(shè)備行業(yè)的步伐，在世界機(jī)床加工中為各種特殊設(shè)備引進(jìn)了一系列先進(jìn)的特種設(shè)備。其特種裝備的支持水平與歐美等發(fā)達(dá)國家大體相同。我國航空發(fā)動機(jī)的特殊加工工藝及制造主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

1.電加工技術(shù)具有獨特的加工特性，是加工復(fù)雜材料和精密零件的有效手段，可以解決常規(guī)加工手段不能或不能解決的生產(chǎn)問題。過去，渦輪機(jī)葉輪三維幾何通道無法制造。它通常是用五軸聯(lián)動銑床制造的，但它只能在沒有打開的極端螺旋幾何通道中制造。然而，現(xiàn)在可以加工六軸或以上的電動火花成型機(jī)。目前，電加工技術(shù)主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)很多零件加工，我國傳統(tǒng)電力處理技術(shù)的應(yīng)用相對較發(fā)達(dá)，特別是近年來在航空部門引進(jìn)了一些先進(jìn)的電力處加工設(shè)備，使電力處理技術(shù)更接近國際先進(jìn)制造標(biāo)準(zhǔn)。

2.20世紀(jì)70年代，電化學(xué)加工技術(shù)被應(yīng)用于航空工業(yè)。對于不能加工或加工成本高的型面、型槽，電化學(xué)加工設(shè)備可以在沒有復(fù)雜材料、型面和無重熔層的情況下，對好的表面進(jìn)行微加工。目前，電解加工設(shè)備在國際上使用，代替了常規(guī)加工設(shè)備，一般用于實現(xiàn)整個盤葉片、葉輪的葉片型外部尺寸和表面粗糙度的精確設(shè)計和電氣化技術(shù)要求。渦輪轉(zhuǎn)子和所有經(jīng)電解加工的葉輪均由高溫合金零件制成，套料加工在葉盆、葉背后部成形一次，葉片精度為0.1mm，表面粗糙度值為0.8μm，這是航空航天領(lǐng)域的優(yōu)先加工方法之一，方法是簡單地對每個葉片進(jìn)行一次電解加工。我國在整個發(fā)動機(jī)葉片使用電解設(shè)備的加工技術(shù)上仍然落后，現(xiàn)在加工成整個葉片的電解設(shè)備已經(jīng)發(fā)展起來。

3.激光加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)零件的生產(chǎn)和維護(hù)，激光加工設(shè)備主要用于兩種類型的孔加工和切割，適合于空氣發(fā)動機(jī)葉片和燃燒室等零件的鉆孔和切割。例如，DMG生產(chǎn)的五軸激光打孔機(jī)主要用于航空燃?xì)廨啓C(jī)零件內(nèi)部冷卻空氣孔的加工，具有加工精度高、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點。目前，采用激光焊接、熔敷、強(qiáng)化、熱處理以及3D打印新技術(shù)和設(shè)備來制造和維護(hù)發(fā)動機(jī)零件。風(fēng)扇葉片已通過使用激光加固技術(shù)使用壽命增加。氣體壓機(jī)、燃燒室和渦輪等零件的生產(chǎn)主要通過激光孔、切割和焊接，可以提高零件的加工效率和加工精度。

4.電子束處理技術(shù)主要用于物理熱障涂層的焊接和制造。電子束焊接技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)成為我國航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)中的重要技術(shù)和設(shè)備。由于電子束焊接變形和熱影響小，它被用來焊接航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)的裝配，如主燃燒室、熱氣歧管、渦輪泵高低壓燃油等。并且這在特別是發(fā)動機(jī)焊接轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)中起著重要的作用。電子束焊接技術(shù)基本上符合國際標(biāo)準(zhǔn)，我們已經(jīng)掌握了一些關(guān)鍵技術(shù)，但仍有改進(jìn)電子束焊接技術(shù)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，新的材料，壓水平槍焊接需要提高。

5.等離子弧處理技術(shù)和設(shè)備主要用于零件領(lǐng)域，即。板材材料的涂覆即熱噴涂和切割。特別是等離子噴涂技術(shù)，廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)熱端渦輪葉片和導(dǎo)向葉片的高溫防護(hù)涂層的生產(chǎn)。它在防止發(fā)動機(jī)主要部件隔熱、耐高溫、抗磨損、密封和輕微磨損和著火方面發(fā)揮了重要作用。直到20世紀(jì)90年代初，等離子噴涂技術(shù)和設(shè)備是從瑞士和美國等發(fā)達(dá)國家引進(jìn)的。

6.金屬表面強(qiáng)化技術(shù)近年來受到越來越多的關(guān)注，在改善材料表面性能、延長部件壽命、節(jié)約資源和提高性能方面發(fā)揮了重要作用。金屬表面強(qiáng)化技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代的美國，80年代末應(yīng)用于航空航天。20世紀(jì)90年代，我國逐步從國外采購先進(jìn)的數(shù)控噴丸機(jī)，并對玻璃、鑄鋼及陶瓷丸等進(jìn)行噴丸處理。目前，我國表面強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)開發(fā)研制了超聲波噴丸技術(shù)、表面光整技術(shù)等順應(yīng)國際發(fā)展趨勢，以便進(jìn)一步改善材料表面特性。

在過去十年里，特殊加工技術(shù)迅速發(fā)展。它在全世界引起了越來越多的關(guān)注，發(fā)揮了越來越重要的作用。特殊加工使用不同形式的能量加工零件。它與傳統(tǒng)的切削技術(shù)相比特種加工這種加工方法通常具有以柔克剛的優(yōu)點，對加工力的影響較小。為了進(jìn)一步提高特殊處理技術(shù)的水平和擴(kuò)大其范圍，并考慮到特殊處理技術(shù)目前的發(fā)展趨勢，先進(jìn)的特殊處理技術(shù)對于確保航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。它的研究、開發(fā)和應(yīng)用直接關(guān)系到航空發(fā)動機(jī)的質(zhì)量、壽命和可靠性，隨著特種加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和掌握，即使是最深層的東西也會變得簡單。隨著電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展如線切割，特種加工技術(shù)將不再罕見。作為一種普通的加工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于加工行業(yè)的各個角落。

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