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千亿市场待挖掘!航空「发动机」表面精密加工,以先进技术竞逐蓝天梦

国际金属加工网 2024年05月15日

航空发动机零件面临高温、高压和高速挑战,要求精密加工技术不断革新。相关制造商也须持续改进数控与电化学加工等工艺,并应用创新材料,来满足以技术驱动为核心的高度竞争的市场需求。

——PME观点


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让中国的飞机

用上更加强劲的中国心

2023年2月16日,我国自主研发的民用通航飞机CA42搭载国产AEC2.0L航空发动机成功完成试飞。

2024年1月29日,国内研制的AES100先进民用涡轴发动机也顺利通过了整机结冰适航试验。该型发动机可配装5至6吨级别的双发直升机或3至4吨级别的单发直升机,未来将广泛应用于消防、医疗救援、物资运输和观光旅游等民用领域。

近年来,我国在提升自主研发能力和核心技术水平方面取得显著进步,有望减少中国对国外进口航空发动机的依赖,进一步推动国家航空工业的自主发展与创新。

AES100发动机

航空发动机——飞机的“心脏”

航空发动机,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,代表着现代工业技术的前沿水平。它集合了高、精、尖技术和先进成果,其研发和制造水平在很大程度上反映了一个国家的综合国力。

由于航空发动机的工作环境极其恶劣,需在高温、严寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧和振动等条件下持续稳定运行,因此,研发过程中需要突破众多关键技术难题,并经过从零件到部件再到整机的多级多轮试验验证。

一台现代航空发动机由成千上万个零部件组成,主要包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等关键部分。这些部件的制造过程不仅工序复杂、工艺精细、专业性强,而且对精度的要求极高,无不体现精密加工技术在现代制造业领域的卓越能力。

涡桨发动机工作原理示意图

航空发动机——航空技术发展的动力

航空发动机的研制不仅是航空产业链的核心环节,更是制造业高水准的象征和工业部门中附加值最高的高端制造业务。特别是民用航空发动机,作为全球航空发动机产业的"支柱",占据了行业总产值的70%至80%,对整个上下游产业链具有显著的带动效应。

据相关数据表明,预计到2039年,随着全球航空市场的进一步增长,航空发动机的市场规模有望翻倍,达到超过10万台。

航空发动机在“中国制造2025”十大重点领域

在军用和民用飞机需求不断增长的背景下,零部件产品标准化和规模化生产的需求日益迫切,产业内的专业分工也更加明确,多个细分领域已逐渐发展出成熟的产业化基础。

接下来将重点介绍一下航空发动机表面精密加工解决方案,看看这些技术对确保发动机性能和可靠性做了什么~

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航空发动机表面

精密加工技术解决方案

发动机精密磨削解决方案

发动机涡轮叶片:联合磨削集团

在航空发动机关键部件的制造领域,特别是针对涡轮叶片等高温构件的精密磨削加工,联合磨削集团旗下的两个品牌,美盖勒和保宁琼格,占据了全球市场约70%的份额。

为航空发动机的关键组件,包括涡轮叶片、导向叶片、封严块、圆弧端齿与直齿端齿,以及压缩机叶片的圆弧形叶根和轮盘榫接部位,提供从三轴到六轴的各种磨床设备解决方案,满足不同精度和复杂性要求的加工需求。

▪美盖勒MFP51

这款磨削加工中心融合了砂轮自动换装系统,具备高度的柔性,能够应对复杂工件的加工需求。其设计紧凑,集成了一个大型刀具库,可容纳68个砂轮位置,以及一个龙门结构的刀具换装系统。该系统能够灵活配置不同类型的砂轮、金刚石修整滚轮和测头等工具,实现高效连续加工多种工件而无需人工干预。

主轴转速高达12000转/分钟,配合集成在磨头箱中的顶置修整器,缩短了整个加工周期。MFP51特别适用于导向叶片的磨削,能够在极短的停机时间内,通过自动换刀装置和CD顶置修整器的组合,在一次装夹中磨削出多种形状,并确保尺寸的稳定性。


▪保宁PROKOS XT

机床是一款用于磨削、钻削铣削工艺而设计的加工中心,它为工件质量和制造流程带来了显著优势。这款机床的换刀系统是为适应高效灵活的生产要求而定制的,结合了高度自动化与先进磨削技术,大幅提升了生产效率并缩短了周期时间,对于航空发动机制造行业来说尤其关键。


发动机叶尖:达诺巴特



C919大型客机的试飞机所搭载的发动机,得到了达诺巴特高速叶尖磨床的全线保障生产支持,并与中国商飞签订了叶尖磨床订单。

作为在叶尖高速磨削和测量领域享有盛誉的企业,达诺巴特整合了其超过半个世纪的航空磨床开发与制造经验,以及世界先进发动机制造商的工艺技术。

此外,在全球航空发动机关键部件的加工与维修市场中,达诺巴特的航空相关磨床占据了超过95%的市场份额,可以为航空发动机关键部件,如转子、机匣、压气机叶片和主轴,同时也包括起落架组件,提供定制化解决方案。

▪DANOBAT高速叶尖磨床DANTIP

在数字工艺中,叶片尖端测量系统对磨削过程实施精准控制,实现转子各阶段尺寸的优化。该系统能在转速高达6000转/分的条件下,以非接触方式对每个压缩机叶片进行测量,精度达到1微米。它是公认能实时在线测量叶片半径的系统,因而受到全球主要喷气发动机和燃气轮机制造商的认可。这套装置还通过编程设计,在单个工序中对每个叶片进行测量,并将数据实时传输至控制设备。操作人员可以即时在屏幕上查看每个叶片在一个工序中的测量结果。

叶尖磨床与达诺巴特的立式磨床结合使用,形成“匹配加工单元”,为同一个发动机转子和机匣的匹配磨削提供了完美解决方案。利用计算机技术将转子叶尖磨床与立式机匣磨床相连,在线交换数据,确保转子和机匣尺寸的完美匹配,从而提升发动机的核心性能和效率。


图源企业

▪DANTIP R3系列机床

可以为民用及国防领域的大型航空发动机提供磨削服务,具备处理磨削直径达1370毫米和磨削长度至2000毫米的能力。此系列机床适用于多种航空发动机的精密加工,包括GE9X、GE90、GEnx、CF6、V2500、RR Trent、PW4000等型号。

▪mBTG系列机床

则适用于支线飞机、商务机和直升机的发动机转子磨削,具备处理磨削直径800毫米和磨削长度860毫米的能力,包括但不限于LEAP、CT7/T700、RTM322、CFM56、CF34、V2500、TP400、F404和J85等型号。

           

航空发动机转子

整体叶盘是航空发动机的关键组件,它通过将叶片和轮盘设计为一个整体结构,替代了传统的榫接方式,从而大幅减少组件数量并简化结构。与传统设计相比,整体叶盘可以减轻大约50%的重量。它在EJ200航空发动机、F414涡扇发动机、F119-PW-100发动机、BR715发动机等机型上都有所应用。

在高温、高压和高速的环境中长期运行,整体叶盘会受到离心力、气动载荷和高周疲劳等多种作用,容易出现外物损伤、腐蚀和疲劳等失效情况。因此,使用的材料和加工技术对整体叶盘的使用寿命有着显著影响。

钛合金整体叶盘

常用的整体叶盘材料包括钛合金、高温合金、不锈钢和复合材料等。这些材料的磨削过程对整体叶盘的性能有着不同的影响。鉴于整体叶盘的表面完整性和型面精度对于航空发动机的性能和寿命至关重要,它们需要达到极高的加工精度。

五轴联动数控铣削加工在整体叶盘制造中得到了广泛应用,得益于其快速响应、高可靠性、良好的加工灵活性和较短的生产准备周期等优势。这种加工方式主要包括侧铣、插铣和摆线铣等方法。而针对钛合金和高温合金这类特殊材料,专用刀具的选择是确保整体叶盘成功加工的关键因素之一。

图源网络

发动机整体叶盘:ANCA

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作为数控磨床制造行业的佼佼者,ANCA为精密切削工具及零部件制造行业提供了先进的解决方案。其软件的创新性和灵活性始终与机床功能的持续进化保持同步,以支持更广泛的应用需求。

ANCA的CNC磨床在航空航天、刀具制造、汽车电子和医疗器械等关键领域发挥着重要作用,用于生产高精度的切削刀具和零部件。

▪BSB Endmills-桶形球头铣刀

主要适用于高精度精加工应用,如整体叶盘的精细制造。ANCA在其ToolRoom RN34软件中引入了两种新的刀具类型——桶形铣刀和透镜形(双圆角)铣刀,以及锥形和椭圆形铣刀(BSB)。这一新增功能使得用户能够高效地制造复杂的高性能铣刀,从而节省大量成本和时间。

桶形球头铣刀(BSB),在某些行业中也称为高进给铣刀或圆弧铣刀,主要用于航空航天、模具制造、通用加工以及发电行业,用于生产叶轮叶片或整体叶盘、轮胎模具、涡轮叶片等。它们常作为传统球头铣刀和角半径铣刀的替代品。这些立铣刀具有比其他同类切削工具更大的半径,其大半径刃口允许使用较大的台阶增量,这意味着在预精加工和精加工操作中,可以使用更大的交叉螺距或刀轨距离。

此外,大切线半径使得制作具有较大切削直径的球头或圆角铣刀成为可能,这是它们能够比普通球头刀更快完成循环,节省时间的原因。不仅如此,这些刀具还提高了生产效率,并且能够产生更优的表面光洁度。

图源企业

发动机去毛刺解决方案

美国的Extrude Hone公司采用磨粒流加工技术成功解决了飞机发动机叶片及翼风和其他气冷通道的流动阻力调谐难题,显著提升了发动机性能,并且对已经即将报废的零件进行了挽救。

Dynatics公司也为一款美国航天发动机数控铣削加工后的整体叶轮实施了磨粒流加工,有效避免了叶轮在高速旋转时因应力集中而引发的断裂问题。

随着航空发动机关键部件如叶盘和涡轮叶轮等金属构件向高强度、高硬度、高韧性趋势发展,精密异形零件的去毛刺和抛光工序面临着更大的挑战,需要采用更为先进和精确的加工技术以满足这些部件的表面处理要求。


磨粒流加工示意图

磨粒流去毛刺:易趋宏

易趋宏融合了三种表面精加工技术——AFM磨粒流、TEM热能和ECM电化学,提供一种综合性的去毛刺解决方案。

该公司拥有完善的技术与设备体系,专业解决去毛刺、抛光及倒圆角等工艺难题。其产品应用广泛,覆盖了航空发动机的叶轮叶片、汽车零部件、要求高洁净度的阀门、液压阀块以及各类模具等关键机械零部件。

易趋宏公司的磨粒流加工工艺采用化学性质不活跃、无腐蚀性的柔性磨料,提高零件表面光洁度,并改善边角状况。这种工艺通过磨削而非切削的方式去除材料,确保表面处理的均匀性。同时在监控每个零件的材料去除效率方面,磨粒流加工能够精确控制,保证产品质量的稳定性和可靠性。

尤其在航空发动机精密零件相贯孔毛刺的去除上,磨粒流加工能够深入小孔彻底清理,显著提升孔内表面的质量。在航空发动机管道和整体闭式叶盘等部件的加工中,磨粒流加工同样表现出色,可以对工件表面的不平整和毛刺进行改善和优化。

           

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与AFM适宜加工小批量或单个复杂形状零件相比,电化学加工(ECM)更适合大批量生产,且能提供更加均匀的表面处理效果。

电化学去毛刺:斯托巴


德国斯托巴(Stoba)可以为飞机发动机、医疗植入物、民用工业和汽车等行业提供精密加工技术和设备的定制化解决方案。

作为电化学金属加工领域研发、生产、销售及售后服务的专业企业,Stoba致力于创新系统解决方案的开发与设计。并精于制定复杂的电化学加工和精密电化学加工设备方案,涵盖夹具、自动化与清洗工艺的集成技术,以满足高精度、高质量和经济性的需求。

其ECM工艺适用于加工飞机发动机和医疗植入物等硬质材料的毛刺去除,同时确保和其他软材料一样的加工效果。作为一种无接触、无应力的高效去毛刺技术,ECM利用阴极头不直接接触工件,便可实现快速去毛刺和倒圆角处理,精度和经济效率均优于其他工艺,并且支持多件同时加工。

ECM适用于所有导电材料,能够确保不同硬度材料的一致加工效果,避免传统刀具因磨损而产生差异的问题。

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发动机精密清洗解决方案

在飞机的运行过程中,航空发动机常遭遇恶劣环境,如涡轮和压气机叶片上积聚的灰尘、沙粒、盐雾和昆虫残骸等。这些污染物不仅会改变发动机的气动特性,降低效率(增加燃油消耗),还可能引起叶片腐蚀,威胁航空安全。同时,在航空发动机零部件的生产、包装、拆卸、储存和装配过程中,颗粒污染物的产生和引入是无法完全避免的。

为了应对这些挑战,中国航发制订了一系列清洁度控制标准,推动了清洁度控制技术从以液体为主转向对零部件本身的控制,还促进了先进清洗技术的发展和应用。

航空发动机常采用超声波清洗技术,利用产生的微小气泡渗透至传统方法难以触及的区域。该技术特别适合形状复杂、具有盲孔、深孔、狭缝或弯曲孔道的部件,并且对于要求高精度、高光洁度和严格清洗质量的涡轮叶片和喷嘴导向叶片尤为适用。

涡轮叶片

此外,超声波清洗能够在微观层面上对复杂零件内部进行高效清洗,符合新型材料清洁度控制的需要。超声波技术也适用于飞机其他部件和组件的精密清洗,包括轴承、引擎组件、液压系统、气动部件、舷窗、转子叶片等。

▪巴克工业全自动超声波清洗机系列设备

可以满足航空发动机等高精密清洗需求。这些设备通过集成PLC和触摸屏自动控制系统、单臂或多臂机械手组合以及自动上下料装置,提供高效且一致的清洗效果。它们具备多种功能,包括旋转、抛动、超声、喷淋、鼓泡、风切和干燥,以适应各种复杂形状和敏感材料的清洁需求。

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单工位改性醇清洗机:巴克工业

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巴克工业装备(苏州)有限公司深耕工业清洗领域,主要提供全自动超声波清洗线、全自动改性醇清洗机、碳氢清洗机和CNC高压去毛刺清洗设备等多种工业清洗解决方案。

这些设备在航空航天、压铸、汽车零部件制造和轨道交通等行业中得到了广泛应用,以满足各行业对精密清洗的严格要求。

     

▪单工位改性醇清洗机

是一款节能环保的清洗设备,也适用于飞机发动机及其精密零部件的工业清洗。该设备采用灵活的清洗流程:喷淋清洗、超声清洗、喷淋漂洗、超声漂洗、蒸汽浴洗和真空干燥,每个步骤的参数都可以根据具体需求进行调整。

设备可配备自动上下料输送线,实现高效自动化生产。其溶液循环系统采用蒸馏技术,节约资源并减少环境影响。占地面积小,功能全面,自动化程度高,并可根据需要选择摆动或翻转清洗模式。


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磁脉冲湍流清洗台:北京理工大学


北京理工大学研发的磁脉冲湍流清洗台,采用精密表面磁脉冲湍流清洗技术,通过结合脉冲磁场和湍流流场,有效清洗并去除航空轴承、航空发动机滑阀等精密零件表面的毛刺。

目前,该技术已进化到第五代机型,并在乌克兰的航空航天领域得到应用,包括“马达西奇”公司、“伊夫琴科-进步”航空发动机设计局和卢茨克“马达”航空修理集团等知名企业。

由Stelmakh Oleksandr教授创新研发的这一技术和装备,运用高梯度脉冲磁场与水动力清洗的结合,对铁磁性摩擦副表面的磁畴结构进行破坏,从而清除传统清洗方法难以去除的磁畴壁内金属污染物颗粒。

不仅适用于航空发动机关键零部件的批量生产和维修,还可用于内燃机和其他动力装置的机械制造批量生产和维修企业。

           

发动机表面处理解决方案

由于航空发动机的工作环境极为苛刻,其所需材料要具备耐高温、耐腐蚀和耐磨损能力。高温合金作为这些材料中的关键组成部分,主要用于构成燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘等关键热端部件,其用量通常占到发动机总质量的40%-60%。

而表面处理技术如涂层处理、热处理和表面强化等,提升高温合金材料部件的可靠性和耐久性,从而保障发动机的整体性能。

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总的来说,高温合金材料和表面处理技术相辅相成,共同确保了航空发动机能够在极端的工作条件下保持高效和稳定的性能。高温合金提供了必要的材料基础,而表面处理技术则进一步提升了这些材料的性能。

涂层技术主要提供防护、密封、抗磨损、抗冲击、减震和隔热的作用。如热障涂层,提高发动机涡轮的进口温度和工作效率,节省燃油;高温抗氧化涂层,则提升高温部件的耐用性,减少维护成本,从而增强发动机构件的可靠性并延长其使用寿命。

热喷涂技术是表面涂层中的一种,通过将涂层材料在熔融或半熔融状态下喷涂到基材表面,形成保护层。该技术的制备工艺包括火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂,能够提供耐腐蚀和耐磨损的保护层,特别适用于承受高速旋转和高温环境的发动机部件。

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涂层&热喷涂处理:欧瑞康美科


欧瑞康美科通过提供创新的广泛材料和先进的表面技术,显著提升了零件表面质量。例如,公司运用热喷涂等先进表面处理技术,包括大气等离子喷涂(APS)和超音速火焰喷涂(HVOF),不仅提高产品性能和效率,还增强了多个行业应用的可靠性。

其创新材料和涂层技术,在提升发动机和飞机关键零件的性能方面表现突出,如发动机挂架、起落架、燃烧室以及过渡段等关键部件。

▪喷气发动机及其部件

欧瑞康美科开发了一系列针对喷气发动机及其部件的高性能材料、涂层和设备解决方案,旨在通过精确控制部件间隙、降低热量影响以及减少摩擦和腐蚀,从而提升发动机的工作效率。

这些定制化解决方案为保护关键的工作部件提供了强有力的支持,涵盖间隙控制系统、气体密封组件、压气机的动叶和静叶等,有效预防由摩擦、磨损、颗粒引起的腐蚀以及其他机械性表面损伤,从而延长零件的服役寿命和维护周期。此外,它们还能减少发动机停机时间,优化性能指标,并扩展大修间隔期,为航空业带来可观的运营效益。

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▪燃烧室专用的热障涂层

在燃气轮机燃烧室中,燃料的燃烧温度可飙升至2000°C (3630°F) 甚至更高。尽管许多零件通过空气冷却提升了其耐热性,但航空航天用涡轮机燃烧室的金属部件仍需承受高达1300°C (2370°F) 的极端温度。

欧瑞康美科开发的热喷涂MCrAlY底层和氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) 面层组成的热障涂层系统,能有效保护关键涡轮机部件不受过热影响,使其能在传统制造方法无法承受的工作温度下运行。随着发动机工作温度的不断上升,对更高性能的热障涂层 (TBC) 系统的需求也日益增加。欧瑞康美科的TBC系统支持更高的燃烧温度,从而提升燃油和发动机效率,改善性能,增强安全性,并延长部件的使用寿命。

该系统的优势还包括:加快了加工速度,减少了劳动和基础设施成本;缩短了零件处理时间,提高了热喷涂设备的生产效率;提升了涂层质量的一致性,降低了返工的可能性;改进了零件质量的一致性,增强了制造过程的可靠性。

燃烧室专用的热障涂层

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PME CHINA 2024

第二届表面精密加工博览会

展会提供

精密磨削技术

超精研磨技术

去毛刺/研磨/抛光技术

工业清洗技术

精密表面处理技术

整体解决方案

2024年9月3-5日

上海新国际博览中心

与您相约,不见不散

审校 | David

编排丨仲凤元

©PME CHINA

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(PME精密加工博览会)

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