特種加工技術在航空發動機制造中的應用探究

張文華

（電子科技大學成都學院，四川 成都611731）

0 引言

隨著我國飛機產業市場成熟度的不斷提高，飛機各項性能要求進一步提高，特種加工技術在航空發動機制造過程中發揮了不可忽視的重要作用，突破了傳統模式下的機械切削加工制作瓶頸，為促進航空發動機制造水平的快速提升提供了更多參考，在此背景下，本文對航空發動機制造過程中特種加工技術的探討與研究，也就具備重要理論意義和現實價值。

1 航空發動機特點

航空發動機往往采用鈦合金、復合材料、高溫合金等諸多特殊材料作為基礎材質，而該類材料往往具備硬度大、強度高、韌性強、熔點高和脆性大等諸多特質，難以通過傳統模式下的機械切削方式進行有效分割和利用。航空發動機所需加工的型孔位置絕大部分位于復雜型面或復雜零部件結構上，渦輪、燃燒室、噴嘴等部位往往需進行菱形孔的深加工，該類位置加工一旦發生差錯，很容易影響最終生產質量。此外，航空發動機中往往需要在部分薄壁零件甚至彈性零件等低剛度零件表面進行鉆孔，其鉆孔困難度大大提升，且航空發動機生產制造過程中，還需要在精密控制元件和細微系統零部件上進行直徑小于0.1 mm的微小孔加工與生產制作，需要在火焰筒的零部件上進行大量的具備不同空間結構形態的小孔加工制作，上述孔洞加工難度較高，很容易因工藝不達標或精確度不夠而造成質量不合格。

2 特種加工技術在航空發動機制造中的應用

2.1 葉片榫齒加工

葉片作為航空發動機關鍵的核心零部件，無論是旋轉葉片還是靜止葉片，其尺寸精確度要求都非常高，采用葉片榫齒加工技術，能夠通過定制化的專業銼刀分別進行粗加工和精加工，在嚴格的工藝流程以及工藝條件的控制下，打破高合金材料、切削速度和刀具磨損等諸多因素的不良限制，從而大幅度提升其加工效率。

2.2 蜂窩組件特種復合加工

蜂窩組件特種復合加工技術是借助蜂窩點間焊接牢固可靠的基本性質，實現對蜂窩材料的高效率利用。針對蜂窩材料孔洞多、均勻分布以及受熱易變形的關鍵特質，利用儲能點將蜂窩材料固定于航空發動機的外環上用以定位，而在焊接時利用蜂窩材料的毛細管吸附作用，將其與工件進行緊密聯合，最終借助電解磨特種加工技術實現航空發動機導電磨輪與蜂窩之間的壓力的保持。

2.3 屏蔽金屬軟管火焰釬焊

屏蔽金屬軟管火焰釬焊技術是利用氧乙炔火焰進行高效率釬焊的重要技術，在此過程中，由于航空發動機金屬軟管在火焰釬焊前溫度值并未固定，因此須將其固定于340℃左右，保證釬焊時軟管與航空發動機待焊接處的溫差值最小，使航空發動機焊接質量得到保障。同時，應將屏蔽軟管加熱到釬焊材料接近融化的溫度，利用金屬刷將加熱后的軟管涂抹于30 mm左右位置處，并利用外焰繼續加熱。

3 實際應用——以動力系統渦輪盤為例

3.1 渦輪盤的整盤精密加工技術方案

動力系統的渦輪盤作為航空發動機制造過程中的重要機械設備，是整個發動機工作條件的核心部位和最為關鍵的重要部件，也是發動機渦輪結構系統是否正常運轉的核心標志，其性能決定發動機運行功效。因此，動力系統渦輪盤運行過程中工作葉片和輪盤在高速旋轉狀態下呈現出的速度參數、溫度參數以及荷載力作用等，只依靠接觸壓力和摩擦力保證葉片在輪盤中正常運營。在此過程中，傳統的航空發動機渦輪盤生產制造，為了保證其精確度符合預期要求，動力系統渦輪盤常采用拉削工藝完成加工，但由于該過程受到專業設備的極大限制，工藝方法很難在軍工企業得到大范圍推廣與普及，絕大部分受制于外界廠家的技術而受到較大牽制，慢走絲加工技術作為當代特種加工技術的典型代表，具備加工精度高、成本低廉等諸多優勢，同時由于熱影響層的存在，其加工表面會產生微裂紋，該類裂紋將影響動力系統渦輪盤的工作壽命，導致其存在致命損失，因此，在利用慢走絲加工技術對動力系統渦輪盤進行加工時，應在該技術手段實現整排加工的同時，對加工參數進行精確度研究，保證其表面加工質量符合航空發動機動力系統渦輪盤制造要求。

3.2 數控程序的編制

機械動力系統渦輪盤輪廓尺寸以及公差參數基于渦輪盤基本面數值，在盤面一定方向和一定參數條件下得到，因此，動力系統基本盤的具體參數值可通過榫槽理論計算求得。而在慢走絲線切割的多軸編程計算過程中，其數控程序的編制點以及道路軌跡等往往需要通過動力系統渦輪盤的電極式上固定的點的運動來實現，也就使渦輪盤的數控程序編制不能直接引用設計尺寸。也就是說，數控程序中諸多參數值的計算，必須通過投影轉換計算過程將渦輪盤設計尺寸轉化為表現電極絲位移狀態的編程數據。

3.3 電規準的選擇

在航空發動機動力系統的渦輪盤電規準選擇過程中，由于渦輪盤開槽尺寸和加工工藝在整個制造過程中所占的實際比重較大，因此，加工效率成為衡量渦輪盤電規準選擇的重要參考和標準。以精加工工藝實施為例，經分析可知，該技藝使用下的電規準的選擇能夠滿足航空動力系統渦輪盤表面粗糙程度以及重鑄厚度等的基本要求。為了更好地選擇航空動力系統渦輪盤的電規準參數值，本文采用正交方法對其預先選出的相關參數進行了進一步優化，確保其余渦輪盤的切割效率參數得到最大限度利用，在此過程中，正交試驗法探究了放電電流因素、放電功率因素、正脈沖因素和負脈沖因素等不同參數對切割效率的影響。不同因素對動力系統渦輪盤的加工速度影響程度可表示為放電功率、負脈沖參數、放電電流和正脈沖參數，因此在進一步進行試切實驗、精度檢測和重鑄檢測的基礎上，對不同因素的不同加工質量和加工精確程度進行驗證和組合，得到最終電規準參數，如表1所示。

表1 電規準參數表

3.4 渦輪盤整盤加工工藝規劃

航空發動機動力系統渦輪盤的整盤加工工藝根據其加工工藝過程劃可分為粗加工工藝和精加工工藝，其中，粗加工工藝主要是為了最大限度釋放動力系統渦輪盤的外界應力，減小渦輪盤受力變形對精加工工藝過程的影響，通過對渦輪盤周邊輪廓流出的加工余量采取對稱切割的方式完善粗加工工藝過程，達到粗加工工藝目的的同時，盡可能地提高動力系統渦輪盤的整體切削效率。在進行粗加工工藝后，整個渦輪盤的外部輪廓得到最大限度地簡化。在進行精加工工藝流程時，由于粗加工工藝和精加工工藝在同一次裝夾中完成，因此，可采用直徑為0.2 mm的電極絲，從粗加工工藝的第一個槽口開始，從渦輪盤盤體外側開始逆時針進行慢走絲切割工藝。在加工余量滿足渦輪盤加工工藝要求的同時，其加工順序可完成所有榫槽的快速、高效切割，在整盤加工工藝過程中，應嚴格按照渦輪盤的結構尺寸，對切割過程進行高效率量化分析，在此基礎上合理分配粗加工工藝和精加工工藝余量，使粗加工工藝完成后留出足夠余量實現精加工過程，也使所有輪廓精度和切割表面質量符合動力系統渦輪盤的性能要求。

4 結論

特種加工技術在航空發動機制造產業過程中有著不可比擬的重要價值，沒有特種加工技術，往往難以制造出更加先進、更加具備科技特質的優質發動機。在此過程中，葉片榫齒加工技術、屏蔽金屬軟管火焰釬焊技術等為航空發動機生產發揮作出了不可磨滅的作用，而新結構應用、新材料應用和全新特種加工技術應用等，又進一步提高了航空發動機系統夜盤甚至晶體等特殊材料和特殊零部件的研制水平，使特種加工技術朝著更加科技化、智能化和自動化的方向發展，也使航空發動機技術朝著更加精密化的方向進步。