境內(nèi)市場動(dòng)態(tài)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造裝備的性能需求
航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造裝備的性能需求
接2020年5月6日“航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件加工特點(diǎn)與裝備分析”。因原文較長，為便于閱讀，經(jīng)與作者商議，將其拆分成相對(duì)獨(dú)立的3篇文章陸續(xù)發(fā)布，但保留原文圖片及參考文獻(xiàn)的編號(hào)。若想一氣呵成看全文，請關(guān)注《世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）》雜志2020年第3期“航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工裝備的性能需求與驗(yàn)收關(guān)鍵技術(shù)”一文。
我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)從引進(jìn)斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)開始，并隨著上世紀(jì)90年代投入了一些型號(hào)攻關(guān)項(xiàng)目，逐步引進(jìn)了一些精鑄、精鍛方面的全套設(shè)備，各類金屬切削機(jī)床，焊接和熱處理設(shè)備，計(jì)量儀器和理化測試儀器等[7]，尤其是后來承擔(dān)了大量RR、GE、PW的外貿(mào)轉(zhuǎn)包業(yè)務(wù)，引進(jìn)了大量高檔數(shù)控設(shè)備，學(xué)習(xí)到了很多發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)。經(jīng)過30多年的學(xué)習(xí)和自主攻關(guān)發(fā)展，在數(shù)控加工、緩進(jìn)磨削、拉削、電子束焊、等離子噴鍍和各種無損探傷檢驗(yàn)等方面的技術(shù)和裝備都通過反復(fù)實(shí)踐而得到鞏固和發(fā)展，GE一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)80-90%的零件都可以在中國完成加工。但是這些零件大部分都是在國外品牌機(jī)床上加工制造的，這類機(jī)床主要集中在高檔五軸立/臥式加工中心、數(shù)控坐標(biāo)鏜加工中心、數(shù)控坐標(biāo)磨削加工中心、立式車磨復(fù)合加工中心、高速葉尖磨機(jī)床、高精度數(shù)控拉床以及各類多功能復(fù)合的專用金屬切削設(shè)備。但是，外貿(mào)加工主要集中在冷加工領(lǐng)域，零件和組件加工的特種工藝受制于設(shè)備及相應(yīng)的工藝水平，例如渦輪葉片涂層設(shè)備、壓氣機(jī)和高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件摩擦焊設(shè)備、渦輪葉片和火焰筒小微群孔打孔設(shè)備等方面。目前，完成特種加工工藝的國產(chǎn)機(jī)床設(shè)備市場占有率尚待提高，而這些特種工藝恰恰是利潤率最高的工序之一。特種工藝裝備的提升將有利于降低我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的綜合成本、提高國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的市場競爭力。
1 設(shè)備的共性技術(shù)分析
（1）高剛性、高效率
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件大多采用難加工材料，高效加工常采用強(qiáng)力切削方法，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床的剛性要求較高。
床身和進(jìn)給系統(tǒng)：一般要求機(jī)床基座和床身結(jié)構(gòu)是整體經(jīng)過動(dòng)力學(xué)仿真與驗(yàn)證的最佳結(jié)構(gòu)，具有±2μm的平面精度，機(jī)床直線軸、旋轉(zhuǎn)軸熱穩(wěn)定性好。
切削主軸：鈦合金切削的最佳線速度在200m/min左右，高溫合金切削最佳線速度在120m/min，但是航空零件的多特征需要不同直徑的刀具，不同階段的加工需要設(shè)定不同的切削深度。這就要求切削主軸可以在較寬的切削速度范圍內(nèi)具備較大的恒扭矩輸出能力，高速下主軸剛性要好。對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線圈纏繞工藝、冷卻潤滑系統(tǒng)、密封、軸承及支撐方式等都提出了很高要求，如采用動(dòng)靜壓軸承（陶瓷球）保障最低磨損狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高主軸轉(zhuǎn)速，提高剛性，帶有頂級(jí)的槽口潤滑，防漏端面迷宮密封接頭可提供良好的空氣密封。
（2）高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件對(duì)尺寸精度、幾何元素的形位精度要求高，特別是薄壁零件剛性差、加工過程易變形，加工后尺寸和位置度等難以檢查，需要一次成形，并采用在機(jī)方式進(jìn)行測量，對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度要求較高。機(jī)床動(dòng)態(tài)性能不足引起的動(dòng)態(tài)誤差是高速高精運(yùn)動(dòng)過程中影響加工精度的最主要因素之一[8]。通過選擇帶有光柵尺的全閉環(huán)反饋系統(tǒng)和穩(wěn)定的靜壓導(dǎo)軌，可保證數(shù)控機(jī)床具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。要求伺服進(jìn)給具有高加速性和較短的定位及啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)主軸振動(dòng)、漂移和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)整，并具有較好的精度保持性，具有在機(jī)檢測功能。同時(shí)要求一機(jī)兼?zhèn)浯旨庸ず途庸つ芰Γ梢蕴峁┐旨庸ぁ㈩A(yù)加工、快速加工、精加工和超精加工等多種功能的最佳配置，以保證工件的高質(zhì)量和高精度加工要求。
（3）高可靠性、高精度保持性
機(jī)床的可靠性涉及因素很多，是一個(gè)系統(tǒng)問題。從用戶角度看，像Starrag（斯達(dá)拉格）等精度保持性比較好的機(jī)床，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)都有合理分配承載力和切削力分散的機(jī)構(gòu)或裝置。例如，為避免切削扭力集中，擺動(dòng)頭采用傘齒輪和蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，并通過增加多齒接觸和增大接觸面的設(shè)計(jì)，有效分散切削承載力，從而減緩磨損；主軸和立柱箱有中空的減震和水冷設(shè)計(jì)，可以衰減振動(dòng)并減小重載切削變形；工作臺(tái)和進(jìn)給軸等裝有過載切削保護(hù)傳感器，在崩刃等突發(fā)情況下可以保護(hù)機(jī)床不受損。采用的主軸靜壓軸承（陶瓷球）可以在最低磨損狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高主軸轉(zhuǎn)速和高剛性。此外，控制主軸精度、基礎(chǔ)件幾何精度和各軸的運(yùn)動(dòng)精度，可以有效降低非正常磨損造成機(jī)床精度衰退[9]。總體上，機(jī)床整體采用穩(wěn)定的熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用可靠性比較好的機(jī)床主軸頭、主軸、回轉(zhuǎn)擺動(dòng)工作臺(tái)，關(guān)鍵部件提供連續(xù)水冷功能，可以保持機(jī)床長期的高可靠性。
（4）強(qiáng)大的冷卻與綠色加工環(huán)境
航空難加工材料在加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，從而降低刀具的使用壽命，還會(huì)使零件產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力，在加工后甚至在使用過程中產(chǎn)生較大的變形，影響發(fā)動(dòng)機(jī)零件使用的可靠性。因此需要機(jī)床具有良好的切削冷卻功能，如內(nèi)冷和水基油基方便切換的高壓外冷，帶有油霧潤滑、液氮冷卻、干切削吸塵等功能。
（5）操作便捷且易于維護(hù)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件裝夾復(fù)雜且易出現(xiàn)異常切削現(xiàn)象，因此要求機(jī)床上下料裝夾和找正操作可達(dá)性好，采用大尺寸車門和觀察窗，窗口工位姿態(tài)舒適。排屑器需有寬大的排屑口且沒有死角區(qū)域，帶工件噴淋功能的綜合清洗系統(tǒng)，能夠適用于濕式或干式加工。
所有需要定期維護(hù)的組件均應(yīng)易于操作，如過濾器、刮水器等要能易于更換零件。同時(shí)，為維護(hù)人員提供安全工作區(qū)域，例如平臺(tái)和固定點(diǎn)。可配置狀態(tài)監(jiān)控機(jī)器，預(yù)測組件的潛在故障。
（6）功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床的加工運(yùn)動(dòng)是通過控制系統(tǒng)的指令實(shí)現(xiàn)的，因此一個(gè)穩(wěn)定的、功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床充分發(fā)揮作用的可靠保證，否則數(shù)控機(jī)床無異于普通機(jī)床。功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)可根據(jù)不同的加工工況，對(duì)各運(yùn)動(dòng)部位的傳動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，對(duì)控制行為和數(shù)控路徑規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)的開發(fā)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)幾何精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的完美結(jié)合。
（7）專機(jī)化、智能化
整體葉盤、渦輪葉片、噴嘴組件、渦輪盤、機(jī)匣等零件產(chǎn)品附加值非常高，這類零件的加工質(zhì)量要求高、加工難度很大，而且機(jī)械加工往往是最后一道工序，一旦超差將造成整個(gè)零件報(bào)廢，因此針對(duì)這類典型零件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與表面特征開發(fā)專機(jī)設(shè)備非常必要。
針對(duì)典型零件提供全面綜合解決方案，除了傳統(tǒng)的數(shù)控加工工藝方案和切削方法外，還包括專門開發(fā)CAM系統(tǒng)、加工系統(tǒng)及過程監(jiān)控系統(tǒng)的集成；提供個(gè)性化的夾具，設(shè)計(jì)單獨(dú)的適配器方案，夾爪可針對(duì)復(fù)雜表面和預(yù)加工面進(jìn)行靈活操作，不同夾具之間的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換幾何偏差可在系統(tǒng)中進(jìn)行自動(dòng)偏置補(bǔ)償，并可兼容多種夾具，自動(dòng)托盤交換裝置夾具更換方便；通過預(yù)見性特征和動(dòng)態(tài)預(yù)選提高高速加工時(shí)的輪廓精確度；甚至針對(duì)不同零件開發(fā)系列化刀具方案。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工對(duì)智能化需求的難點(diǎn)和亮點(diǎn)主要體現(xiàn)在工藝過程中，如加工過程的自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)推薦與生成系統(tǒng)，簡化編程、操作智能系統(tǒng)，集成裝/卸單元中的精密定位托盤（3R、Mecatool和Yerly等），智能監(jiān)控、智能診斷及維修等[10]。
2 典型的金屬切削設(shè)備
（1）葉片加工設(shè)備
葉片毛坯目前越來越趨向于近凈成形，主要集中在葉身和進(jìn)排氣邊復(fù)雜曲面的小余量精密成形，其加工余量比較小，因此葉片加工需要采用精密五坐標(biāo)加工中心。
以Starrag LX系列為代表的機(jī)床，B軸回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸的回轉(zhuǎn)中心成45°，刀具主軸重心在其擺動(dòng)中心上，擺動(dòng)時(shí)比較平衡，機(jī)械設(shè)計(jì)比較簡單，但B軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度依靠X、Z軸插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)，容易產(chǎn)生誤差，適用于扭曲較小的靜子葉片（圖2）。國內(nèi)秦川機(jī)床QMK系列葉片磨削機(jī)床也屬于此類結(jié)構(gòu)。
a. Starrag LX系列 b. 秦川QMK系列
圖2 五軸葉片加工機(jī)床（45°擺頭）
以C.B.Ferrari（C.B.法拉利）A系列、Liechti（利吉特）為代表的B軸回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸回轉(zhuǎn)中心成90°（見圖3），其中B軸回轉(zhuǎn)中心基本與刀具主軸的重心重合的機(jī)型，擺動(dòng)時(shí)比較平衡，但B軸每轉(zhuǎn)一個(gè)角度都需要通過X、Z軸插補(bǔ)以調(diào)整刀尖在工作位置；而B軸回轉(zhuǎn)中心偏離刀具主軸重心，與刀尖部位基本重合的機(jī)型，B軸擺動(dòng)時(shí)不需要插補(bǔ)或者插補(bǔ)量非常小[11]，有利于在前后緣等曲率變化劇烈的部位加工時(shí)提供更高的機(jī)床加速度。
圖3 五軸葉片加工機(jī)床（90°擺頭）
Liechti XL系列可以1g（10m/s2）的加速度準(zhǔn)確地進(jìn)行三維加工，實(shí)現(xiàn)葉片前、后緣的大曲率突變復(fù)雜曲面高精度加工，弧形導(dǎo)軌引導(dǎo)機(jī)構(gòu)可平衡刀具主軸擺動(dòng)產(chǎn)生的偏心力矩，立柱前傾20°角，有利于排屑和切削液回流（見圖4）。國內(nèi)北京機(jī)電院的XKH系列也屬于B軸回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸的回轉(zhuǎn)中心成90°的機(jī)床。此外，由于葉片生產(chǎn)量大，國內(nèi)外也競相開發(fā)了一些多主軸、多工位的機(jī)床，可以同時(shí)加工兩個(gè)以上的葉片；還有用于精鍛葉片進(jìn)排氣邊、葉根和阻尼臺(tái)加工的自適應(yīng)砂帶磨削設(shè)備等。
圖4 五軸葉片加工機(jī)床（90°擺頭、帶傾角）
這些設(shè)備可以有效提高精密成形的壓氣機(jī)葉片加工效率和加工精度，有利于發(fā)展精密成形技術(shù)、提升壓氣機(jī)性能。目前葉片加工的精度已大幅提升，未來的研究將主要集中在降本增效方面。此外，葉片加工時(shí)由于基準(zhǔn)遠(yuǎn)離葉身，并頻繁轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，因此需要系列化的統(tǒng)一接口夾具用于加工多種類型葉片，實(shí)現(xiàn)葉片零件高效換裝（見圖5）。
圖5 葉片加工夾具
（2）機(jī)匣加工設(shè)備
機(jī)匣加工主要包括環(huán)形鍛件毛坯的余量去除、兩端安裝止口、周向多特征島嶼、凸臺(tái)以及孔加工（見圖6）。機(jī)匣殼體外型面通常采用四、五坐標(biāo)加工中心進(jìn)行銑加工；內(nèi)腔T形槽和前后安裝邊采用數(shù)控立車加工；前后安裝邊孔和外型面安裝座、探視孔采用數(shù)控鉆鏜床或四、五坐標(biāo)加工中心銑加工；對(duì)開機(jī)匣水平安裝邊螺栓聯(lián)接孔采用四坐標(biāo)精密鏜加工[12]。尺寸小的機(jī)匣適于采用立式加工中心，尺寸大的機(jī)匣適于臥式加工中心。此外，以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，機(jī)匣和蜂窩組合件還需要Z向行程在1200mm以上的立式車磨復(fù)合加工中心完成蜂窩和涂層修磨。
圖6 機(jī)匣種類與結(jié)構(gòu)（a、b、c為環(huán)形機(jī)匣，d為對(duì)開機(jī)匣）
立式車削/磨削設(shè)備：如圖7，上述立式車磨復(fù)合加工中心需配備3個(gè)以上功率大于45kW的水冷磨削主軸，最高轉(zhuǎn)速可大于16000 r/min，滿足不同機(jī)匣止口和端面以及蜂窩磨削，主軸軸承布置有溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償和運(yùn)行中的振動(dòng)監(jiān)測；需配置修整單元、砂輪自動(dòng)更換裝置以及工件測量裝置，可在無中斷的情況下完成單件和組件整體加工；由于機(jī)匣零件和組件的安裝和工位調(diào)整較為復(fù)雜，且易變形，還需有硬質(zhì)合金鏜削和工件測量的附加選項(xiàng)，使機(jī)床加工工序盡量集中，同時(shí)擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高單臺(tái)設(shè)備的價(jià)值；工作臺(tái)應(yīng)安裝靜壓推力軸承，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)由力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，確保減振扭轉(zhuǎn)剛度；配置工件觸頭監(jiān)控、過程監(jiān)控、用于工件測量的自動(dòng)或部分自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡。機(jī)床床身整體式鑄造，機(jī)床各進(jìn)給軸應(yīng)配置光纖距離測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高定位精度，滿足高同軸度和軸向跳動(dòng)精度；機(jī)匣車削余量較大，止口精度要求高，控制系統(tǒng)和CAM應(yīng)該具備數(shù)控路徑粗加工、預(yù)加工、快速加工、精加工和超精加工規(guī)劃開發(fā)和優(yōu)化功能，各進(jìn)給和回轉(zhuǎn)軸及主軸應(yīng)具備大扭矩提供能力；如果是車/磨復(fù)合機(jī)床，應(yīng)帶有軸向聯(lián)鎖，用于在車削過程中鎖定主軸。
圖7 立式車/磨設(shè)備
立/臥式加工中心：如圖8，具有優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，并配有緊湊設(shè)計(jì)大扭矩雙擺頭，雙擺頭（A軸）滑枕安裝在雙滾柱軸承絲杠上，并配置光纖測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高定位精度和高剛度；整體床身與進(jìn)給軸、回轉(zhuǎn)軸都進(jìn)行專門的高精度保持性設(shè)計(jì)；切削主軸具有良好的鈦合金/高溫合金切削速度/扭矩特征曲線，主軸直通冷卻系統(tǒng)可以提供水基或油液的高壓冷卻（壓力最大為10Mpa，盡可能接近于切削區(qū)）以延長刀具壽命進(jìn)而提高零件的一致性；可提供定制化的機(jī)匣液壓或真空耦合裝夾系統(tǒng)，適用于高效粗加工和無變形精加工，可選裝升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行快速托盤交換，大幅度控制加工變形并縮短裝夾和找正等輔助時(shí)間；高效的排屑器和帶工件噴淋功能的綜合清洗系統(tǒng)保證機(jī)匣加工多余物控制；水冷式直驅(qū)工作轉(zhuǎn)臺(tái)配置了適合高負(fù)載甚至車削作業(yè)的耐磨軸承，可實(shí)現(xiàn)B 軸工作姿態(tài)液壓夾緊，提高切削剛性和精度。鏈?zhǔn)降稁旌涂扇菁{ 60-80把刀具滿足機(jī)匣加工多種刀具需求，刀具最大直徑為325mm（T型刀具可達(dá)500mm）且長度達(dá)800mm，換刀時(shí)間短。
圖8 五軸立/臥加工中心
五軸銑車復(fù)合加工中心：如圖9，各運(yùn)動(dòng)部位帶水冷卻系統(tǒng)與高剛性、高精度機(jī)床結(jié)構(gòu)相結(jié)合，為使用陶瓷刀具高效車削提供了可能；緊湊設(shè)計(jì)的高扭矩萬能雙擺頭可以更好地到達(dá)機(jī)匣各島嶼凸臺(tái)腔、槽、孔加工位置；多個(gè)不同切削范圍的電主軸可快速更換，方便粗/精加工、車/銑加工都能提供最佳切削參數(shù)；工作臺(tái)為帶靜壓推力軸承的力矩電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)，可提供車削時(shí)的高轉(zhuǎn)速，同時(shí)又能滿足銑削加工時(shí)的回轉(zhuǎn)精度。
圖9 五軸銑車復(fù)合加工中心
DMG MORI的duoBLOCK系列高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的五軸加工中心，扭矩達(dá)1800Nm的主軸提供高性能、高精度的加工能力，機(jī)床精度達(dá)4μm，進(jìn)給速度達(dá)60000mm/min的高動(dòng)態(tài)性能，大幅提高難切削材料零件的表面質(zhì)量。其提供的燃燒室機(jī)匣加工解決方案，可以將中間去應(yīng)力熱處理工序之外的所有工序在一臺(tái)機(jī)床上完成，而且將九道工序縮減到六道，大幅縮短輔助加工時(shí)間，燃燒室外機(jī)匣總加工時(shí)間可以在60個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。
（3）整體葉盤加工設(shè)備
如圖10，整體葉盤葉片之間的流道開敞性差，葉片型面為空間自由曲面，葉身型面加工精度要求高，且材料為鈦合金或高溫合金，導(dǎo)致其加工難度較大。
圖10 整體葉盤加工示意
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削/磨削是整體葉盤加工所廣泛采用的有效手段，但能夠高效高精度加工整體葉盤的機(jī)床并不多，如圖11為整體葉盤加工常用的機(jī)床。在整體葉盤加工方面具有獨(dú)到優(yōu)勢的Liechti機(jī)床，各伺服進(jìn)給和轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)給可提供1g（10m/s2）的加速度，主軸轉(zhuǎn)速15000r/min，扭矩120Nm，與雙驅(qū)動(dòng)搖籃A軸協(xié)同工作可提供整體葉盤加工所需功率和性能；所提供的 TURBOSOFT plus CAM軟件，以及日益擴(kuò)充的復(fù)雜曲面制造工藝數(shù)據(jù)庫使其機(jī)床功能愈發(fā)強(qiáng)大；尤其是可以提供進(jìn)排氣邊加工時(shí)劇烈曲率突變所需的高加速度和高剛性，滿足了對(duì)氣動(dòng)性能有重要影響的進(jìn)排氣邊加工精度要求。
a. 工作臺(tái)單驅(qū)擺動(dòng)五軸機(jī)床
b.搖籃式五軸機(jī)床及CAM軟件
c.擺頭式五軸機(jī)床
圖11 整體葉盤加工機(jī)床結(jié)構(gòu)
整體葉盤加工機(jī)床在結(jié)構(gòu)原理上應(yīng)考慮回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的最小化與運(yùn)動(dòng)平衡，以及載荷分散設(shè)計(jì)，所有基架組件均采用可實(shí)現(xiàn)最大剛度的FEM分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，使設(shè)備具有良好的加工剛度和加速度，從而實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)突變時(shí)的穩(wěn)定切削。
（4）噴嘴加工設(shè)備
如圖12，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴主要由外殼、桿芯、活門組件、旋流芯組件等組成。噴嘴桿芯內(nèi)部油路和冷卻回路錯(cuò)綜復(fù)雜，內(nèi)腔區(qū)空間狹小、長徑比大且形位公差要求嚴(yán)格，加工中需要對(duì)異形特征精確定位并基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；活門殼體類零件體積小且包含大量異形型面和島嶼，還要求與回轉(zhuǎn)基體之間有很高的形位公差，活門桿、活門缸等小微零件對(duì)于同軸度、輪廓度和表面粗糙度要求非常高；旋流芯與桿芯上包含大量微孔與微槽類特征在加工中極易超差；此外還有很多小微孔需要電火花和激光打孔設(shè)備完成。傳統(tǒng)的加工都是在車床、三軸加工中心和四軸/五軸加工中心上分別完成，中間檢驗(yàn)還要拆卸后再次裝夾找正。隨著機(jī)床工具的進(jìn)步，具備七個(gè)進(jìn)給軸和三個(gè)切削主軸的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心（見圖13），可對(duì)噴嘴系列零件進(jìn)行車削、銑削和研磨的集成加工，可以一次裝卡完成燃油噴嘴零件的大部分機(jī)械加工，效率和質(zhì)量提升十分明顯。
圖12 燃油噴嘴結(jié)構(gòu)
燃油噴嘴殼體和桿芯是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的六面體都有加工特征的部件，各進(jìn)給軸配置直線電機(jī)（220-400Nm）可在加工部件時(shí)確保最大精度和可靠的重復(fù)率。通過配置高精度測量系統(tǒng)（分辨率1/100μm）、快速直線電機(jī)（加速度1.1 g，速度50 m/min）、以及易熱部位充分的冷卻回路，可實(shí)現(xiàn)高精高效加工能力；配置扭矩大且適應(yīng)切削轉(zhuǎn)速范圍廣的恒扭矩高速主軸（150000r/min），能夠車削和銑削高溫合金部件，而且通過不同的研磨盤（尺寸0. 5 - 80mm）還可以進(jìn)行干式研磨；配置換刀裝置，配置豐富的夾緊系統(tǒng)。
主軸聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)確保了車削時(shí)非旋轉(zhuǎn)刀具準(zhǔn)確的機(jī)械分度，將銑磨主軸的動(dòng)靜壓軸承分離，分散了通過主軸箱的加工振動(dòng)和負(fù)載。
配置在機(jī)檢測探頭、主軸探頭，車削主軸對(duì)面夾緊系統(tǒng)提供臺(tái)鉗、筒夾系統(tǒng)或尾座，夾緊裝置中大部分都可以在主軸和對(duì)面夾緊系統(tǒng)之間進(jìn)行互換，而且排屑裝置流暢，鑄鐵機(jī)床基座和行程柱有效消除了振動(dòng)。這些都有助于燃油噴嘴復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件和小微活門零件加工的高精度和一致性，以及更好的表面粗糙度，并大幅縮減了轉(zhuǎn)序、裝夾找正、中間檢驗(yàn)的輔助加工時(shí)間。
圖13 小微零件加工多軸復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)
（5）渦輪盤加工設(shè)備
如圖14，渦輪盤的榫槽、輪緣、輻板、內(nèi)孔、安裝空、安裝止口與花邊等大量復(fù)雜特征需要機(jī)械加工完成，而且渦輪盤材料多為粉末冶金材料或變形高溫合金材料，面臨加工變形問題突出、加工效率極低、表面完整性不易保證等重要難題，尤其粉末冶金材料對(duì)應(yīng)變速率非常敏感，在高應(yīng)變速率條件下加工容易出現(xiàn)裂紋。粉末渦輪盤加工機(jī)床應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注加工效率的提升，加工精度的保證，避免加工缺陷。
圖14 渦輪盤結(jié)構(gòu)
渦輪盤輻板、輪緣、安裝邊及孔加工需要高剛性的車削加工中心或車磨復(fù)合加工中心，渦輪盤榫槽加工需要高剛性高速拉削機(jī)床；近年來開發(fā)出多層包套鍍鎳線絲減小放電切割工藝重鑄層影響的線切割機(jī)床，提高了線切割加工高溫合金榫槽的可行性（如圖15）；目前，高剛性的多軸磨床性能大大提高，電鍍金剛石超硬磨料砂輪的研制取得巨大進(jìn)步，能夠以超過50000 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定回轉(zhuǎn)，保證了小直徑異形成形砂輪獲得理想的切觸點(diǎn)線速度[13]。由此，使得“線切割+磨削”榫槽加工成為可能。尤為重要的是，超硬磨料磨粒砂輪的價(jià)格非常便宜，而且便于定制，如果大批量生產(chǎn)，其綜合成本是拉刀和銑刀成本的千分之幾。
圖15 渦輪盤榫槽加工設(shè)備（拉削、線切割）
3 特種設(shè)備短板與性能
（1）摩擦焊設(shè)備
慣性摩擦焊是適用于粉末高溫合金零件焊接的唯一可行手段，其焊接接頭質(zhì)量優(yōu)異，尺寸與形位精度高，生產(chǎn)效率高，能耗低，GE公司焊接TF39航空發(fā)動(dòng)機(jī)大截面薄壁零件（φ610mm，壁厚3.8mm）的試件僅為3s。如圖16所示，采用摩擦焊工藝的風(fēng)扇盤、高壓壓氣機(jī)鼓筒、高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件省去了大量螺栓連接緊固件，并減少了轉(zhuǎn)子在螺栓孔處的截面尺寸。這可以有效消除應(yīng)力集中、提高轉(zhuǎn)子剛性和平衡性、增加各級(jí)盤間的斷裂裕度、減輕發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子重量、提高推重比，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
圖16 采用摩擦焊工藝的轉(zhuǎn)子組件
但是國內(nèi)尚未開展大慣量（≥24000kgm2）、高轉(zhuǎn)速（≥600r/min）、大頂鍛力（≥1000t）的慣性摩擦焊設(shè)備研制和焊接工藝研究，國際上比較知名的摩擦焊設(shè)備和工藝提供商是美國的MTI公司，2014年制造出全球最先進(jìn)的自動(dòng)化慣性摩擦焊設(shè)備（見圖17），2016年研制出全球最大的慣性摩擦焊設(shè)備。摩擦焊是典型的設(shè)備和工藝緊密結(jié)合的工藝技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與摩擦焊工藝參數(shù)緊密相關(guān)，要求設(shè)備具有極高的軸向位置和跳動(dòng)精度、專用的主軸和尾座工裝夾具、精確隨動(dòng)的工件位置調(diào)整控制系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)、高精度的主軸與尾座同步定心旋轉(zhuǎn)隔離機(jī)構(gòu)，并能根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備專用主軸和尾座工裝夾具等進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整。此外，摩擦焊設(shè)備在工作中各運(yùn)動(dòng)部位和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)承受載荷和沖擊很大，損耗嚴(yán)重，因此設(shè)備的耐用度和精度保持性十分關(guān)鍵。
圖17 MTI全自動(dòng)化慣性摩擦焊
（2）電子束物理氣相沉積設(shè)備
高壓渦輪葉片的型面和緣板等部位需要涂覆熱障涂層系統(tǒng)，以降低葉片表面溫度，延長其服役壽命。電子束物理氣相沉積是一種視線沉積方法，其在高真空中利用高能量電子束匯聚熔化并蒸發(fā)陶瓷靶材，蒸汽在零件表面上方達(dá)到最大密度并在基體表面沉積為固態(tài)，形成垂直于基體表面的柱狀涂層。陶瓷涂層對(duì)缺陷和邊緣效應(yīng)較為敏感，在實(shí)際服役過程中，往往較小的飛濺點(diǎn)和邊緣不規(guī)則即可引發(fā)熱障涂層的大面積剝落。此外，隨著渦輪前溫度提升，葉片緣板不易沉積柱狀結(jié)構(gòu)涂層的問題凸顯。總體而言，渦輪葉片表面陶瓷面層應(yīng)當(dāng)具有均勻的厚度、穩(wěn)定的柱狀晶結(jié)構(gòu)、良好的界面結(jié)合力和表面粗糙度。
面向渦輪葉片熱障涂層在實(shí)際服役中的問題，根據(jù)電子束物理氣相沉積技術(shù)特點(diǎn)，其設(shè)備應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注：①電子束對(duì)靶材熔池的精確掃描控制；②多維度且與蒸汽云匹配的零件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；③零組件基體的均勻預(yù)熱；④高能量電子槍的穩(wěn)定性。
近年來，隨著渦輪葉片熱障涂層在各型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的普遍應(yīng)用，電子束物理氣相沉積設(shè)備得到了較快發(fā)展。一方面，通過設(shè)置多自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在一定程度上降低了葉片的遮擋效應(yīng)，優(yōu)化了緣板表面涂層結(jié)構(gòu)；另一方面，通過電子束蒸發(fā)仿真研究，在傳統(tǒng)設(shè)備中引入雙電子槍，既能預(yù)熱零件基體至900-1000℃，又可加熱陶瓷靶材，涂層整體性能得到了一定程度提升，如圖18為渦輪葉片涂層設(shè)備原理及噴涂熱障涂層工藝過程及涂層后的渦輪葉片。
圖18 渦輪葉片及涂層設(shè)備
（3）復(fù)材零件切削加工設(shè)備
廣泛使用復(fù)合材料是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料可用于制備更大、更輕的風(fēng)扇葉片，輕質(zhì)高強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料可用于制備風(fēng)扇包容機(jī)匣[14]，甚至在進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇靜子葉片、壓氣機(jī)靜子葉片都采用樹脂基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料的燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和噴管實(shí)現(xiàn)葉片減重2/3，耐溫性提高20%，對(duì)耗油率改善的貢獻(xiàn)達(dá)30%。應(yīng)用鈦基復(fù)合材料的壓氣機(jī)整體葉環(huán)、低壓軸，應(yīng)用鋁基復(fù)合材料的低壓壓氣機(jī)和外涵部件替換鋁合金可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)減重效果。
復(fù)合材料零件的連接處、邊緣等位置還需要經(jīng)過鉆孔或者切削加工成形。由于復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比彈性模量較金屬高許多倍，其導(dǎo)熱系數(shù)為金屬的幾十、幾百分之一，含有SiO2、碳化硅、碳化硼及陶瓷等高硬度的纖維或顆粒，因此切削過程中粉塵污染大，刀具磨損快，適宜高速、輕載、鋒利切削。要求切削機(jī)床主軸能夠提供足夠高的轉(zhuǎn)速、較好的主軸密封性能，且不能有任何滴油滴液現(xiàn)象，最好在切削位置配置吸塵裝置；切削環(huán)境全封閉，絲杠、導(dǎo)軌、主軸、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部位有專門的密封設(shè)計(jì)，防止粉塵對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)位置配合面造成污染，降低機(jī)床的損耗與故障率；由于復(fù)材零件多為已成形的薄壁結(jié)構(gòu)件，工作臺(tái)應(yīng)配置有自啟動(dòng)或液壓夾具接口功能，最好能提供專用的環(huán)形件或復(fù)雜曲面薄壁件自適應(yīng)裝夾夾具。
（4）增材制造設(shè)備
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中不少零部件采用高性能、高可靠、輕量化整體結(jié)構(gòu)，使得零件結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化和功能結(jié)構(gòu)一體化，傳統(tǒng)加工方式不能滿足設(shè)計(jì)快速迭代需求，而增材制造具備制造周期短、小批量生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，較好地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段快速響應(yīng)的難題。
現(xiàn)階段，鋪粉式增材制造設(shè)備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較為廣泛，發(fā)展重點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：首先，出于對(duì)工藝開發(fā)的需求，設(shè)備應(yīng)具備更高的開放水平，參數(shù)可調(diào)性更高，例如嚴(yán)重制約成形件尺寸極限的激光光斑直徑若能控制在0.05mm或者更小，才能更好成形小于0.1mm的壁厚結(jié)構(gòu)。其次，大尺寸、多激光束鋪粉成形設(shè)備無論在降低單件成本還是成形大尺寸零件層面都具有優(yōu)勢，但需注重成形倉風(fēng)場和氧含量控制，以及一定的加熱保溫能力（降低成形過程熱應(yīng)力開裂風(fēng)險(xiǎn)）。再者，設(shè)備智能流水化是降低成本、提高生產(chǎn)效率的最有效手段，各部分的模塊化不僅會(huì)減少零件收取、成形準(zhǔn)備等的待機(jī)時(shí)間，極大提高設(shè)備利用率，同時(shí)可減少操作人員與粉末的接觸；設(shè)備的智能化將具備更完善的成形過程監(jiān)控功能，不僅僅是現(xiàn)階段單純的拍攝記錄成形過程，還應(yīng)具備異常情況報(bào)警提示甚至簡單問題自主處理能力。最后，增材制造設(shè)備的大批量采用必須建立在設(shè)備穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，減少各設(shè)備間差異才能更好控制成形件質(zhì)量穩(wěn)定性，主要監(jiān)控方面是激光器的光斑大小、出光功率、聚焦能力的穩(wěn)定性，成形空間的一致性。此外，復(fù)雜零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法有效進(jìn)行表面處理，鑒于現(xiàn)階段成形精度和粗糙度的限制，增減材復(fù)合制造也是一個(gè)發(fā)展方向，但重點(diǎn)需解決加工帶來的變形、金屬屑污染粉末材料以及影響鋪粉質(zhì)量、粉末利用率低等問題。
（5）微孔精密加工設(shè)備
航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端零件諸如渦輪葉片、燃燒室、渦輪外環(huán)等曲面及復(fù)雜型面高精度零組件表面分布有數(shù)量眾多的超精細(xì)微小氣膜冷卻孔，以降低其表面溫度。傳統(tǒng)的微孔加工方法包括機(jī)械鉆削加工、電火花穿孔加工、電液束射流加工以及相關(guān)的復(fù)合加工等，但在冶金質(zhì)量、加工精度或加工效率上，愈發(fā)難以滿足高精度氣膜孔加工技術(shù)要求。此外，此類熱端零組件表面通常涂覆有熱障涂層，以隔絕高溫燃?xì)猓M(jìn)一步降低表面溫度。先進(jìn)工藝方法通常選擇先涂層后制孔方案，以避免涂覆熱障涂層工藝過程中造成的鎖孔和堵孔現(xiàn)象。目前，激光加工技術(shù)由于對(duì)材料去除無選擇性，且加工精度及可靠性高，因而其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。常見的激光加工技術(shù)包括長脈沖激光加工、超快激光加工和水導(dǎo)激光加工。
火焰筒等薄壁環(huán)形鍛件通常使用長脈沖激光加工，加工過程中由于激光能量高會(huì)引起薄壁零件局部變形。高壓渦輪葉片等復(fù)雜曲面精鑄件通常使用超快激光或水導(dǎo)激光加工，但由于鑄造誤差，在氣膜孔定位和解析過程中造成加工位置度偏移等問題，且由于零件存在極狹窄空腔，易發(fā)生激光擊傷零件內(nèi)腔的現(xiàn)象，異形角度微孔加工難度尤其大。解決以上問題，往往一方面需要設(shè)備和加工程序在加工過程中予以自適應(yīng)修正，另一方面需要通過智能檢測系統(tǒng)進(jìn)行激光控制。綜合考慮熱端零組件的氣膜孔加工技術(shù)指標(biāo)，激光加工技術(shù)及設(shè)備應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：①長脈沖高能量激光器的穩(wěn)定性；②超快激光和水導(dǎo)激光器的穩(wěn)定性和功率；③配置六點(diǎn)定位和自適應(yīng)加工模塊；④設(shè)備的高定位精度和重復(fù)定位精度；⑤配置高靈敏度的激光穿透檢測系統(tǒng)。
近年來，超快激光器的研制得到顯著提升，功率從數(shù)瓦提升至數(shù)十瓦乃至數(shù)百瓦，使其加工效率大幅提升，工藝裝備也在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中得到應(yīng)用。此外，長脈沖激光加工裝備和超快激光加工裝備均集成了穿透監(jiān)測模塊、功率監(jiān)測模塊、終端監(jiān)測模塊、三維自適應(yīng)定位模塊、高精度激光測距模塊等，使得其既能有效應(yīng)對(duì)鑄造和加工帶來的零件尺寸偏差，又可在一定程度上避免激光加工易發(fā)生的對(duì)壁擊傷等問題。
a.五軸超快激光制孔設(shè)備 b.六軸長脈沖激光制孔設(shè)備
圖19 微孔精密加工設(shè)備
4 數(shù)控系統(tǒng)與CAM系統(tǒng)的需求分析
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的特征多樣性和復(fù)雜性要求機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)在功能選擇方面要更加多樣化。葉盤進(jìn)排氣邊、噴嘴小微活門組件、盤類榫槽以及難加工材料的高效、高表面質(zhì)量加工，都要求機(jī)床能在極限性能狀況下穩(wěn)定運(yùn)行，這就需要數(shù)控系統(tǒng)提供強(qiáng)大的功能支撐。由于長期在極限性能的惡劣工況下工作，機(jī)床就容易發(fā)生故障。好的數(shù)控系統(tǒng)在極限切削過程中能保持更加穩(wěn)定的加工性能，在遇到各類機(jī)械故障時(shí)能及時(shí)預(yù)防并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，也能比較容易恢復(fù)正常。對(duì)機(jī)床用戶來說，數(shù)控系統(tǒng)的使用流暢性、穩(wěn)定性和可靠性至為關(guān)鍵。人性化的交互式界面設(shè)計(jì)、豐富的功能配置和支持多種接口與標(biāo)準(zhǔn)的兼容性更容易提高操作者的使用粘性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的復(fù)雜特征對(duì)編程要求很高，好的數(shù)控系統(tǒng)與專用的CAM軟件集成在一起更容易獲得用戶認(rèn)可。
智能化的CAM功能，內(nèi)置典型特征參數(shù)推薦和動(dòng)態(tài)功能，確保高速加工時(shí)的輪廓精確度；可根據(jù)加工參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)傳動(dòng)參數(shù)；對(duì)于整體葉盤、葉片、噴嘴組件等復(fù)雜型面零件，控制系統(tǒng)與曲面建模工具完美結(jié)合，能夠自動(dòng)配置優(yōu)化數(shù)控路徑規(guī)劃，進(jìn)行樣條擬合、包封、修補(bǔ)和邊緣擬合以實(shí)現(xiàn)最佳幾何精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率；根據(jù)余量分布自動(dòng)匹配粗加工策略，自動(dòng)推薦精加工中型面搭接參數(shù)，避免出現(xiàn)接刀痕，能夠自動(dòng)檢查參數(shù)突變區(qū)域，避免啃刀、咬邊等加工缺陷；配置有集成式后處理程序。
參 考 文 獻(xiàn)
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本文作者及單位：
于建華1，陸濤1，梁永收2，何艷麗1，陳亞林1，王杰1，李勛3，雷力明1，張渝1
1. 中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司； 2. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能制造工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北工業(yè)大學(xué)）； 3. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院
作者：于建華等（詳見文章末尾） 責(zé)編：張芳麗
