航空發動機限壽件邊緣處理工藝分級控制方法研究

梁永朝,秦 天,張 瀟

(中國航發商用航空發動機有限責任公司,上海 200241)

航空發動機作為一套復雜系統的結合,任何一個系統、一個部件甚至一個零件的失效都可能造成嚴重的航空事故。航空發動機“限壽件”作為發動機中一類“特殊零件”,幾乎都是轉子部件和部分低壓單元體框架結構件,是保證發動機安全、可靠運行的關鍵件。通過對1 300次重大航空事故原因分析后的統計發現,至少有22%的事故是由于機械故障導致,比如發動機故障、液壓系統失靈、防火系統問題、儀表失靈等,而導致這些機械故障的主要原因之一就是壽命限制件的失效[1]。航空構件中疲勞失效占80%以上,特別是飛機、發動機關鍵構件,疲勞是安全服役威脅最大的失效模式,而疲勞源絕大多數情況萌生于零件表面。圖1所示為失效后的高壓渦輪1級盤,2000年9月22日,1架編號為N654US的波音767-2B7客機,在費城國際機場進行地面維修性試車時,其配裝的CF6-80C2B2發動機在大工況下工作,突然1號發動機出現第1級高壓渦輪輪盤非包容性故障,甩出發動機的斷片,造成飛機左翼下部著火,使飛機及1號發動機受到嚴重損壞[2]。后經調查發現,該起事故的主要原因是輪盤榫槽底部后圓角處加工尺寸不符合設計圖樣要求,拉削完成后榫槽底部后圓角處未進行倒圓處理,邊緣毛刺未得到完全去除,即使在噴丸處理后,毛刺仍可作為起裂部位。可見開展邊緣處理工藝研究對限壽件航空安全有著極其重要的現實意義。

a) 失效后渦輪盤殘件

b) 失效后渦輪盤榫槽局部部位圖1 失效后的高壓渦輪1級盤

1 限壽件的適航法規要求

發動機限壽件指的是其主要失效可能導致危害性發動機后果的轉子和主要靜子結構件。典型的發動機限壽件包括但不限于盤、隔圈、輪轂、軸、高壓機匣和非冗余的安裝部件[3]。在航空發動機適航規定第33.70條對發動機限壽件的管理要求進行了詳細闡述,并要求通過工程計劃、制造計劃和使用管理計劃確定每個限壽件的完整性[4]。從適航法規角度來看,對于限壽件的管理是一個系統性的要求,特別是在制造計劃過程中要求確定專門的零件加工工藝限制計劃,這就要求工藝技術文件中對于限壽件的工藝過程要有詳細的過程控制要求。因此,邊緣處理工藝作為航空發動機限壽件邊緣處理加工過程中的一種“特種工藝”也必須強化工藝過程控制要求。典型航空發動機限壽件見表1[5]。

表1 典型發動機限壽件

2 限壽件的典型特征分析

2.1 材料特性分析

由表1可知,典型航空發動機限壽件主要的零組件類型如下。

1)風扇增壓級:風扇盤(鈦合金)、風扇軸(高強度合金鋼)。

2)高壓壓氣機:壓氣機轉子盤(鈦合金/鎳基高溫合金)、壓氣機后封嚴盤(鎳基高溫合金)。

3)渦輪:渦輪軸(高強度合金鋼)、鼓筒軸(鎳基高溫合金)、高/低壓渦輪盤(粉末冶金高溫合金/鎳基高溫合金)。

分析可知,典型航空發動機限壽件涉及的主要材料類型有鈦合金、鎳基高溫合金、粉末冶金高溫合金、高強度合金鋼等,其中鈦合金和鎳基高溫合金材料的應用最為廣泛,針對這兩種材料特性分析如下。

1)鈦合金作為一種高強度合金材料,具有優異的高比強度、良好的抗腐蝕性、超強的斷裂韌性與抗疲勞性能。由于鈦合金材料的高強度、低導熱系數、易粘刀以及與刀具親和力強等特性,鈦合金材料加工過程中切削力大,溫度高,導致刀具磨損快,加工過程中時變性增強,雖然保證了構件的尺寸和形位精度滿足設計要求,但是工件表面會出現加工刀痕、棱邊損傷、加工硬化、表面微裂紋、組織損傷等表面完整性問題[6]。鈦合金材料切削工藝特征及其誘導表面完整性如圖2所示[7]。

圖2 鈦合金切削工藝特征及其誘導表面完整性

2)鎳基高溫合金(如GH4169)被廣泛用于制造噴氣發動機的渦輪盤、渦輪軸、軸頸、封嚴環和葉片等高溫部件[8]。作為一種難加工材料,切削加工性較差,具體表現為切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、加工硬化、粘刀現象嚴重、排屑困難以及加工表面質量差等問題[9]。Inconel 718(GH4169)材料與其他工程材料的切削加工性指數比較如圖3所示[10],由圖3可以看出,相比于其他材料,GH4169合金材料的切削加工性指數偏低,屬于難加工材料。

圖3 Inconel 718(GH4169)與其他工程材料的切削加工性指數比較

2.2 結構特性分析

典型高壓渦輪組件結構圖如圖4所示,高壓渦輪組件由鼓筒軸、篦齒盤、渦輪盤等3個主要零件組成。由表1可知,這3個零件均屬于典型限壽件。零件實物圖如圖5所示。分析其主要結構特性如下:1)高壓渦輪鼓筒軸(見圖5a)屬于典型的短軸類鼓筒結構,前后端都帶有法蘭安裝邊,是一種典型的“花邊”結構,同時在沿著圓周方向上,花邊周圍分布著一圈螺栓孔,通過螺栓與高壓壓氣機篦齒盤連接;2)篦齒盤(見圖5b)屬于典型篦齒封嚴盤類結構,圓周方向上分布著3組篦齒,輻板端面分布著2組異形孔,通過螺栓前端與鼓筒軸連接,后端與渦輪盤連接;3)渦輪盤(見圖5c)屬于典型渦輪盤結構,圓周方向分布一圈榫槽,中心法蘭面分布一圈“花邊”及螺栓孔,通過螺栓與前端篦齒盤連接。

圖4 典型高壓渦輪組件結構圖

a) 鼓筒軸

b) 篦齒盤

c) 渦輪盤圖5 典型航空限壽件實物圖

3 限壽件邊緣處理工藝分級控制方法

3.1 邊緣處理工藝加工方式

通過上述對航空典型限壽件材料特性及結構特性的分析可知,邊緣處理工藝主要針對這類旋轉件在完成車削、銑削、孔加工、榫槽拉削等機械加工工藝后,對零件的最終加工表面進行倒斜角、倒圓角、去毛刺等尖邊處理工藝過程,實際上邊緣處理工藝就是對限壽件表面完整性的一種工藝控制方法,用以去除零件加工表面上的各種缺陷,如表面凹凸不平、邊緣棱邊殘缺、飛邊毛刺、微觀裂紋等,從而提升零件整體質量,具體如圖6所示[11]。常用的邊緣處理工藝方式有手工處理方式、機械加工處理方式及特種加工處理方式(見圖7),每種處理方式根據具體情況可以進行不同選擇。一般手工處理方式適用于單件或機械加工方式難以實現的情況,但加工效率低,質量一致性差。當前隨著航空科技的不斷進步與發展,對去毛刺工藝的要求越來越高,使邊緣處理技術得到了普遍重視,去毛刺工藝也得到了迅速發展,已從簡單的手工作業向機械化、自動化、智能化方向發展[12]。具體每種邊緣處理工藝方式的特點見表2。

a) 手動方式

b) 自動方式(機械臂)

c) 特種方式(電解)圖7 典型邊緣處理工藝加工方式

表2 不同邊緣處理工藝方式及特點

3.2 邊緣處理工藝分級控制

根據表2所列邊緣處理加工方式的類型特點研究分析可知,在不同類型的邊緣處理加工工藝方法中,要通過合理選擇加工設備、工藝參數,正確的刀具材料、工具類型以及冷卻方式等,才能獲得所需的零部件加工后的表面幾何特性和表面物理性質,進而提高加工零件的表面完整性。

基于此,為了能夠有效加強限壽件邊緣處理工藝過程控制質量,考慮針對斜角、圓角、花邊、榫槽、孔、棱等以及翻邊、毛刺等去除所在部位的功能重要程度、加工尺寸精度以及工藝開展的難易度,將航空發動機限壽件零組件邊緣處理部位分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級等3個不同控制級別。針對Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級不同部位采用不同加工方式及控制要求,具體劃分原則見表3。

表3 邊緣處理部位類別劃分

在表3進行邊緣處理部位級別劃分的基礎上,根據每種類別的具體要求,需要在人員培訓及資質、加工設備、刀具及輔助工具、工藝參數、測量及檢測、工藝文件報批等方面進行標準化過程控制,使限壽件的邊緣處理工藝過程控制更加規范化、標準化、精細化,進而提高零件表面完整性控制的質量和效率,具體見表4。

表4 邊緣處理工藝分級分類控制要求

基于上述研究與分析,采用分級控制方法開展相關加工試驗,具體試驗數據及實施效果如下。

1)高壓渦輪盤榫槽倒棱加工。

高壓渦輪盤為鎳基高溫合金,榫槽倒棱尺寸要求為0.13～0.25 mm(見圖8a)。結合表3中控制等級劃分類別,試驗采用Ⅰ級手工處理方式進行(見圖8b)。具體試驗參數如下:風槍加工,轉速為80 000 r/min,磨料為EXL-3S-FIN的布輪(直徑25.4 mm,厚6.35 mm),換刀點為當布輪直徑尺寸磨損到12.5 mm以下時更換。試驗后采用樣膏檢測倒棱尺寸為0.13～0.18 mm,尺寸一致性較好,滿足技術要求。

b) 加工實物圖圖8 高壓渦輪盤榫槽倒棱邊緣處理加工

2)篦齒盤異性孔倒角加工。

篦齒盤為鎳基高溫合金,異性孔倒角尺寸要求為0.05～0.10 mm(見圖9a)。結合表3中控制等級劃分類別,試驗采用Ⅱ級自動處理方式進行(見圖9b)。具體試驗參數如下:倒角銑削加工,轉速為450 r/min,倒角銑刀直徑為8 mm,進給為0.05 mm/r,換刀點為36孔。試驗后采用樣膏檢測倒棱尺寸為0.05～0.08 mm,尺寸一致性較好,孔口倒角表面粗糙度為Ra1.6 μm,滿足技術要求,加工效率得到大幅提升。

a) 加工部位及要求

b) 加工后實物圖圖9 篦齒盤異形孔倒角邊緣處理加工

3)低壓壓氣機盤榫槽倒角加工。

低壓壓氣機盤為鈦合金,榫槽倒角尺寸要求為0.02～0.05 mm(見圖10a)。結合表3中控制等級劃分類別,試驗采用Ⅲ級自動處理方式進行(見圖10b)。具體試驗參數如下:刷削加工,布輪轉速為1 000 r/min,轉臺轉速為5 r/min,磨料粒度為1 200 μm,粉漿濃度為20%,噴嘴工作頻次為1 s,正向循環時間300 s,反向循環時間240 s。試驗后采用樣膏檢測倒棱尺寸為0.03～0.05 mm,尺寸一致性較好,孔口倒角表面粗糙度為Ra1.6 μm,滿足技術要求。

a) 加工部位及要求

b) 加工后實物圖圖10 低壓壓氣機盤榫槽倒角邊緣處理加工

從材料特性角度考慮,對于鎳基高溫合金類限壽件除了上述工藝參數控制要求外,邊緣處理加工過程中應注意避免某些加工部位的表面硬化現象的產生;對于鈦合金類限壽件除了上述工藝參數控制要求外,邊緣處理工藝過程中應特別注意:1)鈦合金的化學親和性大,應禁止其與鋁、鋅、銅、錫和鎘等合金接觸;2)鈦合金零件材料因其低導熱系數、易粘刀以及與刀具親和力強等特性,在加工過程中產生的切削熱不易傳出,往往集中在某些較小區域內,導致局部切削溫度過高,從而造成表面燒傷;3)鈦合金零件在邊緣處理過程中如果使用冷卻液,最好不使用含氯的冷卻液,應避免產生有毒物質和引起氫脆,也能防止鈦合金零件高溫應力腐蝕開裂。

從工藝方案的角度考慮,加工參數控制的同時,還應注意工藝路線的安排、零件裝夾方式、走刀路徑以及進退刀方式等方面的控制,同時可以嘗試采用復合加工方式開展邊緣處理加工,如采用固定軸銑削+磨粒流加工工藝、固定軸銑削+磨粒流工藝、固定軸銑削+機械刷削工藝等方式。

4 結語

本文針對航空發動機限壽件等復雜結構精密零部件因去毛刺等邊緣處理工藝控制不到位而產生的刀痕、劃傷等表面缺陷及表面質量問題,通過對傳統手工處理、機械加工處理及特種加工處理等不同邊緣處理工藝方式及特點的梳理分析,按照邊緣處理工藝所加工部位的功能重要程度、加工尺寸精度以及工藝開展難易程度不同,采用分級控制方法,將航空發動機限壽件邊緣處理加工部位劃分為3個級別,在此基礎上,提出邊緣處理工藝控制過程需要在人員培訓及資質要求、加工設備、刀具及輔助工具、工藝參數類型、測量及檢測、工藝文件報批等方面采用標準化控制的要求,并通過采用分級控制方法開展相關加工試驗。結果表明,針對不同邊緣處理方式,采用分級控制方法,限壽件表面完整性、加工質量及加工效率得到大幅提升,邊緣處理工藝過程的規范化、標準化與精細化得到有效保障,為提升航空發動機限壽件邊緣處理工藝加工質量和效率提供了指導方法。