航空发动机零部件制造技术分析

国际金属加工网 2015年01月16日

先进的材料和制造技术是航空发动机研制与生产的重要物质和技术基础。发动机质量不断减轻,发动机的效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高。航空发动机材料与制造技术向着高温化、复合化、轻量化、整体化、高效率和低成本的方向发展。航空发动机新型整体结构、高可靠性轻量化结构以及精密、高效和低成本制造技术迅速发展和应用,使得发动机部件质量越来越轻。 机匣、叶片、盘轴和整体叶盘等制造技术的有效提升是和机床工具技术的发展密不可分的。

典型零件加工技术

航空发动机大量采用钛合金、耐热合金等难加工材料及复合材料,对推动和促进机床工具的发展起到了重要的作用。同时表面完整性机械加工与智能控制技术、复杂薄壁零件多工艺复合加工技术、发动机零件高效绿色加工技术等先进技术的不断发展,对机床工具提出了更高的要求,不但要解决结构变形与精度控制问题,而且要充分研究表面完整性控制问题。

1. 机匣件加工技术

(1)机匣件加工变形控制。

机匣为弱刚性零件,配合面的设计精度高;材料多选用高温合金和钛合金等难加工材料;加工余量很大,分布也不均匀。加工后易变形,结合机匣的这些特点,可以采取下列措施减小机匣件加工后的变形:①合理安排加工工艺路线。②选择正确的定位装夹方法。③开发增强切削系统刚性的夹具。④合理规划切削走刀路径。⑤控制粗加工后的变形量。⑥明确机匣的检测状态。

(2)机匣编程模板技术。由于机匣零件结构复杂,加工内容相对集中,数控加工工艺设计极其复杂。大部分零件一道工序就安排上百个加工工步,需要几十种刀具,编程规范无法对一些内容进行细致的规定。

通过加工模板中固化加工方法、走刀方式、加工余量、加工刀具、进退刀方式、机床控制和进给量等参数,能够简化编程流程。省去了加工刀具、加工方法组、多种加工参数的繁琐设置工作。优化后的工作流程有利于零件加工程序的编制,降低了编程人员的疲劳强度和编程失误率。UG模板文件建立步骤:①定义加工模板类型。②创建加工方法组和刀具组。③确定加工模板中的加工参数。④建立刀具库。⑤设置模板关联和继承关系。

随着数控加工技术水平不断提高,模板文件需要进行相应的更新,及时吸收当前最新的加工技术,满足现场精益生产的需要。

(3)无人干预数控加工技术是指在数字化控制加工设备上,被加工产品加工过程中无人为干预或极少人为干预,被加工产品的加工质量及质量稳定性不受人为因素影响的加工过程。最终达到关闭机床门→按动按钮启动加工程序→程序执行结束→打开机床门→卸下合格零件,中间不需人工测量、换刀和调整程序等。

机匣零件无人干预数控加工程序原则上应具备下面几个特点:

① 时效性:在保证零件加工质量安全的基础上,实现全过程高效加工。

②精密性:无干预数控程序须能保证零件加工的主要尺寸及配合尺寸,质量可控,靠近尺寸中差。

③高自动性:通过采用机床自动换刀,机内自动对刀、在线测量技术,实现全程序数控加工无干预或少干预,加工过程按100%倍率进行,操作者无需调整进给倍率。④防错性:采用逻辑判断指令对加工全过程中的输入值进行监控和管理,当出现错误时,自动采取对应的保护措施。⑤互动性:充分利用机床功能,将加工过程的换刀信息、出错提示信息等内容在加工过程中及时、准确地显示在操作面板上,提醒操作者进行相应操作。

2 . 整体盘轴高效车铣复合加工

整体盘轴零件是典型的盘轴一体结构零件,是将压气机盘和轴颈集成为一体的全新结构的重要承力件,具有结构复杂、尺寸精度高、刚性差和材料难加工等特点。

特别是轴颈锥壁与轮盘浮板之间形成了半封闭深型腔结构,开敞性差,加工难度大,这类零件的加工按传统的加工工艺需要在数控车床、坐标镗床、五坐标加工中心等多种设备上完成。加工周期长,加工质量不稳定。整体盘轴采用车铣复合数控加工,编制ACE(Automatic ControlEquipment)程序、恒定线速度切削、在线测量和自动补偿的数控加工技术,将加工、测量和补偿有效地融合在同一程序段中,实现以机床为过程执行主体的连续加工模式,减少人为出错的概率和不必要的停机时间。创新点在于加工过程高度集成。一次装夹,完成车、铣、钻、扩、镗、铰加工,一次成形。大幅提高零件加工质量和加工效率。

通过设计全过程无人干预数控加工程序,改进了传统加工中零件尺寸公差离散度大、质量不稳定问题。在整体盘轴零件深型腔加工中,采用高压内冷结构的刀具和超高压靶式断屑技术,开发应用了B轴摆动车削加工技术,恒定线速度切削、在线测量和刀具磨损自动补偿、轴向分层切削、径向分层切削的加工方式,通过对切削参数、切削方式、走刀路径的优化,有效解决了整体盘轴零件加工中断屑、打刀、振动等工艺性难题。

3. 整体叶盘的加工

整体叶盘是将叶片和轮毂做成一个整体,具有质量轻、避免榫头气流损失等优点,在先进航空发动机中的应用越来越广泛。整体叶盘结构复杂,叶片型面为复杂自由曲面,扭曲度大,加工精度要求高,相邻叶片之间通道深而窄、开敞性差,使整体叶盘制造困难,加工过程中叶片间加工区域狭窄,刀具可移动范围小,加工区域约束条件苛刻,使得加工过程中刀具矢量方向变化剧烈。

整体叶盘高效加工是在保证零件精度和质量的前提下,通过对加工过程的优化和提高单位时间材料切除量来提高加工效率和设备利用率,降低生产成本的一种高性能加工技术。涵盖了高效加工工艺、高效加工的数控编程技术、高效加工刀具选配及运用技术以及加工过程的智能化控制等。通过选择小切深、大进给等先进的加工方法,减少工艺性应力集中,降低加工表面非均匀、非稳定残余应力,提高零件的抗疲劳强度。

4. 叶片型面数控铣削

叶片采用五坐标加工中心,集成数控加工优势实现了叶身型面、圆弧形榫头、燕尾形榫头、叶身上凹槽、轴颈圆弧槽和叶肩圆弧等多部位的数控加工。对比传统的工艺加工方法,缩短了40%的工序,减少了70%的工装制造量。

叶片数控铣刀通常有圆角立铣刀、球头立铣刀、锥度球头立铣刀等。一般情况下应选择这些标准刀具进行叶片铣削加工。在条件允许的情况下,也应多选择机夹刀具,这样可降低叶片的刀具消耗成本。

当叶片某些部位需要特种刀具结构和规格时,要定制一些非标刀具。

由于叶片结构不同,即使同一种材料的叶片,有同样的切削余量和表面质量要求,也可能需要不同的切削参数。

叶片型面的无余量数控铣削,即数控铣削后叶片型面应在公差范围内,包括型面轮廓和位置度。要实现无余量数控铣削,仅靠高精度数控设备还不够,还需要解决叶片毛料状态的稳定性、叶片数控加工时装夹系统的可靠性、刀具状态变化的规律性分析及叶片铣削后的机械抛光等一系列问题。叶片无余量数控铣削是一项系统的工程技术,需要解决整个工艺过程中每个环节的问题,以及保持整个工艺系统的稳定性。

机床工具在航空制造中的应用

航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下长期可靠工作的复杂热力机械,是典型的知识和技术高度密集的产品。航空制造业是机床制造商的主要服务对象之一。

1. 航空发动机制造对机床工具需求

航空制造业对零件加工精度和效率日益提高的需求不断推动机床技术的发展,是机床产品创新的源源动力。高速高精度加工中心、复合加工和多轴联动数控机床的出现,都与客户需求密切相关。

机床的发展方向: ① 自动化程度高,即要求设备具有数字化和前沿性的特征,软件功能强大,自动化程度高。②高度集成性,附加设备 少,设备高度集成,能够实现工艺复合。③柔性化,设备通用程度高,生产适用性强。④高精度、高效率、智能化,设备需具备精度高、技术成熟度高等特点。⑤高稳定性,精度保持时间长,故障率低。

3 ~ 5轴加工中心、数控车床加工中心、各种磨削设备、各种精锻设备、各种铸造设备、特种电加工设备、复合加工中心(车铣、铣车)、叶片加工中心及磨削中心、特种电加工设备、激光加工及强化设备和零件表面处理设备是航空制造中必需的设备。

(1)盘类零件加工设备的基本要求。数控立车:在工作台直径、定位精度、重复定位精度、工作台转速和工作台承重等方面应与所加工零件相适应。具有自动换刀功能,刀库容量足够大;控制系统,具备刀具轨迹图形显示功能;具备USB端口、DNC网络接收数据端口;配置高压内冷,机载自动对刀功能、机载工件测量功能、温度自动补偿功能;机床具有足够的刚性和可靠性。

(2)机匣加工设备的基本要求。工作台翻转式五坐标铣加工中心:具备框架TRANS、AROT、刀尖跟踪TRAORI、高级测量循环、计数循环FOR及子程序调用功能;具备USB端口、DNC网络接收数据端口。其他功能:机床配有强力内冷,机载自动对刀功能、机载工件测量功能、温度自动补偿功能,具有断点跟踪功能; 机床具有足够刚性和可靠性等。

(3)叶片加工设备的基本要求。五坐标叶片铣加工中心:直线轴加速度高,响应快;带有自适应加工功能;叶片加工专用软件;在机检测、双驱动轴功能;24位以上刀库以及机床内对刀装置;机床具有足够刚性和可靠性。

2. 高性能刀具切削技术应用

刀具作为切削加工的主体之一,在解决航空材料的加工难题中起着至关重要的作用。先进的航空产品要求航空零件具有更优异的性能、更低的成本和更高的环保性。

加工工艺要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重复精度和可再现性。航空钛合金、高温合金零件等难切削的工件材料,复杂而薄壁的形状,高精度的尺寸和表面粗糙度要求,同时大的金属去除量等特点,对切削刀具的高效、精密、安全性等提出更高的要求。

传统的刀具已不能满足现代先进高效加工的要求,刀具行业进入了“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的现代刀具生产新格局。

高效可转位刀具和超硬刀具是当今机械高性能加工技术的关键,进口刀具昂贵的价格制约了先进刀具在中国的推广,严重影响了中国机械制造业的水平和生产效率,先进刀具结构形式、高性能的刀具材料,高效可转位刀具系列及超硬刀具的研究开发势在必行。

一个新产品推向市场,会有效降低机械加工成本。另一方面通过开发高效可转位刀具和超硬刀具,掌握一批拥有自主知识产权的高端可转位刀具的设计和生产技术,可有效提高我国机床工具企业在国际领域的核心竞争力,提升我国切削刀具行业的整体发展水平,实现切削刀具的可持续发展。

刀具企业应建立面向航空发动机用户的数控刀具工艺数据库。

构建数控刀具的系列化工艺设计平台,制定产品的企业新标准。注重知识产权的保护,实现航空发动机专用高效硬质合金刀具生产工艺技术集成。

3 . 国内机床工具的优势及差距

尽管我国机床行业近年来取得了长足的发展,数控化率稳步提高,但机床消费和生产的结构性矛盾仍然比较突出。主要体现在国内对中高档机床的需求量不断提高,但国内高档数控机床还不能完全满足需求。

4. 航空制造对机床工具发展的建议

(1)以点带面,提升基础。

专项研究不但要兼顾主机和最终产品,还要夯实机床相关基础设计制造理论。对基础共性技术进行研究,提高机床工具核心竞争力。

(2)重点突出,突破关键。

航空发动机行业的装备种类很多,可以集中在典型零件和机床上进行研究,如切削、磨削加工技术可以集中在机匣、叶片、整体叶盘/叶轮上,这三类零件可以集中80%以上的关键技术。集中了难加工材料、复杂曲面和弱刚性结构。相关的切削、磨削技术一旦突破,其他零件均可采用。

(3)做好售后,实现共赢。

机床工具企业应积极做好售后服务,实施“交钥匙”工程。了解客户需求,听取客户反馈意见,掌握世界先进的设计理念,设计制造出精品,与客户共赢。

结语

一代材料、一代制造技术、一代工艺装备,造就一代航空产品。

随着航空制造技术的不断发展,对航空制造设备的依赖程度越来越高,需要工艺研究与设备的高度结合。机床工具的发展水平,直接影响制造技术的应用效果和航空产品的制造质量和效率。抓住机遇、乘势而上,自主创新是我们的重要选择。


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