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【數控機床 技術】航空發動機加工裝備的性能需求與驗收關鍵技術
2020-05-29 悉恩悉機床網

  航空發動機零組件加工不斷挑戰數控裝備的高速度、高精度、高可靠性、高可達性、多功能等性能與功能極限,對加工設備有很多特殊和極端要求,但是目前設備研制和工藝需求還存在匹配性不夠的問題。


  本文在分析航空發動機零組件結構與材料特點的基礎上,詳細闡述了其加工制造對數控裝備的共性技術需求、常用的典型金切設備和短板設備的具體性能要求,并對設備驗收的流程內容及關鍵技術做了具體闡述。指出了航空發動機加工裝備的發展方向,研制滿足航空發動機加工需求的設備可以更好地推動機床工具與裝備水平的進步,能夠研制和提供該類機床裝備的研究者和企業代表著行業最高水平。

一 航空發動機零組件加工特點與裝備分析

  航空發動機是由多種類型零部件組成,可以在高溫、高壓、高轉速和不斷變換工作狀態的惡劣環境中工作的高度復雜和精密的熱力機械,追求更輕量化、更大推力、更高可靠性、更長壽命、更低油耗、更低成本是提升航空發動機性能的永恒主題,這也促使發動機結構越來越集成、設計越來越復雜?,F代航空發動機設計采用了許多新技術、新材料、新結構來滿足苛刻的性能要求,高溫和承力結構件多采用整體結構,零件結構復雜、加工精度高,表面粗糙度及表面質量要求高,其先進制造技術對相應的加工機床與裝備需求十分迫切。

  目前,世界主要大國在航空制造業方面的競爭極為激烈,封鎖與摩擦不斷,我國大飛機項目和“兩機”專項的上馬促進了航空發動機產業的發展,也為機床裝備的發展帶來了新的機遇和挑戰。數控機床的研制和應用首先起源于航空制造業,并伴隨著航空制造業的發展而發展。通過相關項目支持,研發出了五軸葉片銑磨加工中心、葉片拋磨機床、機匣五軸銑車復合加工中心等設備,工信部與中國機床工具工業協會也組織了多次航空發動機企業與機床企業對接會,推動“兩機”專項與數控機床專項建立長效對接機制,創新協同模式,加速成果轉化,實現產學研用深度融合[3,4]。我國的高檔數控機床基本實現了由不能做到能做的升級和跨越[5],但整個機床行業正向設計能力、針對用戶需求的定制工藝研究及相應的機床設計能力還不足[6],航空發動機制造對數控裝備的性能需求有其特殊的地方,機床裝備企業如未吃透用戶的具體需求就倉促研發設備,其應用推廣效應勢必受到影響。

  1 航空發動機零組件特點

  新一代航空發動機總共有3萬多個零件,涉及230多種不同標準的材料,與加工制造相關的特點具體如下:

  (1)零、組件種類眾多

  航空發動機主要零件有葉片、帶榫槽輪盤、整體葉盤、軸、環形與鼓筒件、噴嘴組件、齒輪、軸承、緊固件、導管等10大類。如圖1所示,葉片分為風扇葉片、壓氣機葉片、渦輪葉片以及與之對應的靜子整流葉片,機匣有風扇包容機匣、壓氣機機匣、燃燒室機匣、渦輪機匣以及分布在它們之間的級間機匣,有的整流葉片還與機匣整體成形,各類轉子葉片都通過榫接結構連接在轉子盤上。為了減重增效、提高推重比,壓氣機前段越來越多采用整體葉盤結構。


圖1 航空發動機結構爆炸圖

  (2)難加工材料多

  航空發動機大量采用高溫合金、鈦合金、高強度鋼材料,復合材料、工程陶瓷材料等新材料也越來越多地應用到高性能航空發動機上。這些材料的加工性極差,對工藝裝備的剛性和切削刀具的要求極其苛刻,還需要大量的特種工藝裝備。

  (3)零組件結構復雜

  風扇/壓氣機/整體葉盤葉片屬于典型的自由曲面零件,結構復雜、剛性差,加工過程易變形,需要高性能多軸數控加工設備;風扇/壓氣機/燃燒室/渦輪/中介機匣需要高精度多軸坐標鏜、高精度立式車/磨數控裝備、電解或線切割裝備;壓氣機轉子組合后葉尖高速磨削和機匣組件高精度立式磨削設備;盤類零件輻板、周向榫槽、軸向深孔等形狀復雜,需采用車銑磨復合、拉削、成形磨削等特殊設備或新工藝裝備;燃油噴嘴桿芯/活門安裝座/外殼油路和冷卻型腔復雜,需要增材制造設備,其活門組件很多小微零件的形位公差甚至到亞微米級,需要車銑磨一體復合加工設備;整體葉盤修復需要線性摩擦焊設備,而高壓渦輪盤軸組件、高壓壓氣機轉子、風扇盤所需要的慣性摩擦焊設備,對發動機減重和提高耐高溫性至關重要。

  (4)零件加工精度高

  發動機零件要保證在高溫、高速、惡劣環境下可靠工作,需要零件具有良好的配合質量和互換性,一方面對零件的加工精度要求極高,很多零件的精度要求都在微米/次微米級,非配合表面粗糙度要在Ra1.6以下,配合表面粗糙度在Ra0.8以下;另一方面,對設備的加工精度及精度保持性要求很高,還要配套相應的精密檢測設備,甚至需要多軸多功能復合加工與檢測一體的設備來完成。

  (5)多種冷卻小孔

  航空發動機渦輪葉片、燃燒室、火焰筒等零組件的冷卻小孔每臺份多達數十萬個,而且是異形精密群孔,尺寸在?0.1-0.3mm,孔的位置呈空間多向分布,其外壁還有涂層??椎男挝痪群涂妆诒砻尜|量要求高,常規的鉆孔、沖孔方法難以滿足要求,需要激光、電子束、電火花等特種加工技術和裝備。

  (6)零件表面特種工藝要求多

  為了提高發動機零件的耐磨、防腐蝕、抗疲勞性能,需要采用表面強化、噴涂、噴丸、滲鍍等表面處理技術與裝備。渦輪導向葉片、燃燒室采用的陶瓷熱障涂層,尤其是渦輪葉片表面高溫防腐蝕涂層,其工藝及裝備始終制約航空發動機的性能。

  2 大型客機航空發動機對裝備行程需求分析

  市場占有量較大的三類大型客機主要零件尺寸如下表所示,其設備行程應該分別覆蓋其最大零件加工尺寸。

表 典型大型客機發動機


二 航空發動機制造裝備的性能需求

  我國航空發動機制造業從引進斯貝發動機開始,并隨著上世紀90年代投入了一些型號攻關項目,逐步引進了一些精鑄、精鍛方面的全套設備,各類金屬切削機床,焊接和熱處理設備,計量儀器和理化測試儀器等[7],尤其是后來承擔了大量RR、GE、PW的外貿轉包業務,引進了大量高檔數控設備,學習到了很多發動機先進制造技術。經過30多年的學習和自主攻關發展,在數控加工、緩進磨削、拉削、電子束焊、等離子噴鍍和各種無損探傷檢驗等方面的技術和裝備都通過反復實踐而得到鞏固和發展,GE一臺發動機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床上加工制造的,這類機床主要集中在高檔五軸立/臥式加工中心、數控坐標鏜加工中心、數控坐標磨削加工中心、立式車磨復合加工中心、高速葉尖磨機床、高精度數控拉床以及各類多功能復合的專用金屬切削設備。但是,外貿加工主要集中在冷加工領域,零件和組件加工的特種工藝受制于設備及相應的工藝水平,例如渦輪葉片涂層設備、壓氣機和高壓渦輪轉子組件摩擦焊設備、渦輪葉片和火焰筒小微群孔打孔設備等方面。目前,完成特種加工工藝的國產機床設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動機制造業的綜合成本、提高國產航空發動機的市場競爭力。

  1 設備的共性技術分析

  (1)高剛性、高效率

  航空發動機零件大多采用難加工材料,高效加工常采用強力切削方法,因此對數控機床的剛性要求較高。

  床身和進給系統:一般要求機床基座和床身結構是整體經過動力學仿真與驗證的最佳結構,具有±2μm的平面精度,機床直線軸、旋轉軸熱穩定性好。

  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具備較大的恒扭矩輸出能力,高速下主軸剛性要好。對主軸的結構設計、線圈纏繞工藝、冷卻潤滑系統、密封、軸承及支撐方式等都提出了很高要求,如采用動靜壓軸承(陶瓷球)保障最低磨損狀態下實現高主軸轉速,提高剛性,帶有頂級的槽口潤滑,防漏端面迷宮密封接頭可提供良好的空氣密封。

  (2)高精度、高動態響應

  航空發動機零件對尺寸精度、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,并采用在機方式進行測量,對數控機床的加工精度要求較高。機床動態性能不足引起的動態誤差是高速高精運動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反饋系統和穩定的靜壓導軌,可保證數控機床具有較高的定位精度和重復定位精度。要求伺服進給具有高加速性和較短的定位及啟動時間,對主軸振動、漂移和溫度進行實時監控并調整,并具有較好的精度保持性,具有在機檢測功能。同時要求一機兼備粗加工和精加工能力,可以提供粗加工、預加工、快速加工、精加工和超精加工等多種功能的最佳配置,以保證工件的高質量和高精度加工要求。

  (3)高可靠性、高精度保持性

  機床的可靠性涉及因素很多,是一個系統問題。從用戶角度看,像Starrag(斯達拉格)等精度保持性比較好的機床,其結構設計的各個環節都有合理分配承載力和切削力分散的機構或裝置。例如,為避免切削扭力集中,擺動頭采用傘齒輪和蝸輪蝸桿結構,并通過增加多齒接觸和增大接觸面的設計,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計,可以衰減振動并減小重載切削變形;工作臺和進給軸等裝有過載切削保護傳感器,在崩刃等突發情況下可以保護機床不受損。采用的主軸靜壓軸承(陶瓷球)可以在最低磨損狀態下實現高主軸轉速和高剛性。此外,控制主軸精度、基礎件幾何精度和各軸的運動精度,可以有效降低非正常磨損造成機床精度衰退[9]??傮w上,機床整體采用穩定的熱對稱結構,采用可靠性比較好的機床主軸頭、主軸、回轉擺動工作臺,關鍵部件提供連續水冷功能,可以保持機床長期的高可靠性。

  (4)強大的冷卻與綠色加工環境

  航空難加工材料在加工過程中會產生大量的切削熱,從而降低刀具的使用壽命,還會使零件產生較大的加工應力,在加工后甚至在使用過程中產生較大的變形,影響發動機零件使用的可靠性。因此需要機床具有良好的切削冷卻功能,如內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

  航空發動機零件裝夾復雜且易出現異常切削現象,因此要求機床上下料裝夾和找正操作可達性好,采用大尺寸車門和觀察窗,窗口工位姿態舒適。排屑器需有寬大的排屑口且沒有死角區域,帶工件噴淋功能的綜合清洗系統,能夠適用于濕式或干式加工。

  所有需要定期維護的組件均應易于操作,如過濾器、刮水器等要能易于更換零件。同時,為維護人員提供安全工作區域,例如平臺和固定點??膳渲脿顟B監控機器,預測組件的潛在故障。

  (6)功能強大的控制系統

  數控機床的加工運動是通過控制系統的指令實現的,因此一個穩定的、功能強大的控制系統是數控機床充分發揮作用的可靠保證,否則數控機床無異于普通機床。功能強大的控制系統可根據不同的加工工況,對各運動部位的傳動參數進行實時調節,對控制行為和數控路徑規劃進行詳細的開發和優化,以實現幾何精度、表面質量和生產率的完美結合。

  (7)專機化、智能化

  整體葉盤、渦輪葉片、噴嘴組件、渦輪盤、機匣等零件產品附加值非常高,這類零件的加工質量要求高、加工難度很大,而且機械加工往往是最后一道工序,一旦超差將造成整個零件報廢,因此針對這類典型零件的復雜結構與表面特征開發專機設備非常必要。

  針對典型零件提供全面綜合解決方案,除了傳統的數控加工工藝方案和切削方法外,還包括專門開發CAM系統、加工系統及過程監控系統的集成;提供個性化的夾具,設計單獨的適配器方案,夾爪可針對復雜表面和預加工面進行靈活操作,不同夾具之間的基準轉換幾何偏差可在系統中進行自動偏置補償,并可兼容多種夾具,自動托盤交換裝置夾具更換方便;通過預見性特征和動態預選提高高速加工時的輪廓精確度;甚至針對不同零件開發系列化刀具方案。

  航空發動機零件加工對智能化需求的難點和亮點主要體現在工藝過程中,如加工過程的自適應控制、工藝參數自動推薦與生成系統,簡化編程、操作智能系統,集成裝/卸單元中的精密定位托盤(3R、Mecatool和Yerly等),智能監控、智能診斷及維修等。

  2 典型的金屬切削設備

  (1)葉片加工設備

  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排氣邊復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加工中心。

  以Starrag LX系列為代表的機床,B軸回轉中心與刀具主軸的回轉中心成45°,刀具主軸重心在其擺動中心上,擺動時比較平衡,機械設計比較簡單,但B軸轉動角度依靠X、Z軸插補實現,容易產生誤差,適用于扭曲較小的靜子葉片(圖2)。國內秦川機床QMK系列葉片磨削機床也屬于此類結構。



a. Starrag LX系列 b. 秦川QMK系列
圖2 五軸葉片加工機床(45°擺頭)

  以C.B.Ferrari(C.B.法拉利)A系列、Liechti(利吉特)為代表的B軸回轉中心與刀具主軸回轉中心成90°(見圖3),其中B軸回轉中心基本與刀具主軸的重心重合的機型,擺動時比較平衡,但B軸每轉一個角度都需要通過X、Z軸插補以調整刀尖在工作位置;而B軸回轉中心偏離刀具主軸重心,與刀尖部位基本重合的機型,B軸擺動時不需要插補或者插補量非常小[11],有利于在前后緣等曲率變化劇烈的部位加工時提供更高的機床加速度。


圖3 五軸葉片加工機床(90°擺頭)

  Liechti XL系列可以1g(10m/s2)的加速度準確地進行三維加工,實現葉片前、后緣的大曲率突變復雜曲面高精度加工,弧形導軌引導機構可平衡刀具主軸擺動產生的偏心力矩,立柱前傾20°角,有利于排屑和切削液回流(見圖4)。國內北京機電院的XKH系列也屬于B軸回轉中心與刀具主軸的回轉中心成90°的機床。此外,由于葉片生產量大,國內外也競相開發了一些多主軸、多工位的機床,可以同時加工兩個以上的葉片;還有用于精鍛葉片進排氣邊、葉根和阻尼臺加工的自適應砂帶磨削設備等。


圖4 五軸葉片加工機床(90°擺頭、帶傾角)

  這些設備可以有效提高精密成形的壓氣機葉片加工效率和加工精度,有利于發展精密成形技術、提升壓氣機性能。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,葉片加工時由于基準遠離葉身,并頻繁轉換基準,因此需要系列化的統一接口夾具用于加工多種類型葉片,實現葉片零件高效換裝(見圖5)。


圖5 葉片加工夾具

  (2)機匣加工設備

  機匣加工主要包括環形鍛件毛坯的余量去除、兩端安裝止口、周向多特征島嶼、凸臺以及孔加工(見圖6)。機匣殼體外型面通常采用四、五坐標加工中心進行銑加工;內腔T形槽和前后安裝邊采用數控立車加工;前后安裝邊孔和外型面安裝座、探視孔采用數控鉆鏜床或四、五坐標加工中心銑加工;對開機匣水平安裝邊螺栓聯接孔采用四坐標精密鏜加工[12]。尺寸小的機匣適于采用立式加工中心,尺寸大的機匣適于臥式加工中心。此外,以某型航空發動機為例,機匣和蜂窩組合件還需要Z向行程在1200mm以上的立式車磨復合加工中心完成蜂窩和涂層修磨。


圖6 機匣種類與結構(a、b、c為環形機匣,d為對開機匣)

  立式車削/磨削設備:如圖7,上述立式車磨復合加工中心需配備3個以上功率大于45kW的水冷磨削主軸,最高轉速可大于16000 r/min,滿足不同機匣止口和端面以及蜂窩磨削,主軸軸承布置有溫度傳感器,可實現熱補償和運行中的振動監測;需配置修整單元、砂輪自動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;由于機匣零件和組件的安裝和工位調整較為復雜,且易變形,還需有硬質合金鏜削和工件測量的附加選項,使機床加工工序盡量集中,同時擴大應用范圍,提高單臺設備的價值;工作臺應安裝靜壓推力軸承,回轉驅動由力矩電動機驅動,確保減振扭轉剛度;配置工件觸頭監控、過程監控、用于工件測量的自動或部分自動動態平衡。機床床身整體式鑄造,機床各進給軸應配置光纖距離測量系統實現高定位精度,滿足高同軸度和軸向跳動精度;機匣車削余量較大,止口精度要求高,控制系統和CAM應該具備數控路徑粗加工、預加工、快速加工、精加工和超精加工規劃開發和優化功能,各進給和回轉軸及主軸應具備大扭矩提供能力;如果是車/磨復合機床,應帶有軸向聯鎖,用于在車削過程中鎖定主軸。


圖7 立式車/磨設備

  立/臥式加工中心:如圖8,具有優良的靜態和動態特性,并配有緊湊設計大扭矩雙擺頭,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實現高定位精度和高剛度;整體床身與進給軸、回轉軸都進行專門的高精度保持性設計;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)以延長刀具壽命進而提高零件的一致性;可提供定制化的機匣液壓或真空耦合裝夾系統,適用于高效粗加工和無變形精加工,可選裝升降旋轉系統進行快速托盤交換,大幅度控制加工變形并縮短裝夾和找正等輔助時間;高效的排屑器和帶工件噴淋功能的綜合清洗系統保證機匣加工多余物控制;水冷式直驅工作轉臺配置了適合高負載甚至車削作業的耐磨軸承,可實現B 軸工作姿態液壓夾緊,提高切削剛性和精度。鏈式刀庫和可容納 60-80把刀具滿足機匣加工多種刀具需求,刀具最大直徑為325mm(T型刀具可達500mm)且長度達800mm,換刀時間短。


圖8 五軸立/臥加工中心

  五軸銑車復合加工中心:如圖9,各運動部位帶水冷卻系統與高剛性、高精度機床結構相結合,為使用陶瓷刀具高效車削提供了可能;緊湊設計的高扭矩萬能雙擺頭可以更好地到達機匣各島嶼凸臺腔、槽、孔加工位置;多個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;工作臺為帶靜壓推力軸承的力矩電機直驅轉臺,可提供車削時的高轉速,同時又能滿足銑削加工時的回轉精度。


圖9 五軸銑車復合加工中心

  DMG MORI的duoBLOCK系列高穩定性結構的五軸加工中心,扭矩達1800Nm的主軸提供高性能、高精度的加工能力,機床精度達4μm,進給速度達60000mm/min的高動態性能,大幅提高難切削材料零件的表面質量。其提供的燃燒室機匣加工解決方案,可以將中間去應力熱處理工序之外的所有工序在一臺機床上完成,而且將九道工序縮減到六道,大幅縮短輔助加工時間,燃燒室外機匣總加工時間可以在60個小時內完成。

  (3)整體葉盤加工設備

  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,導致其加工難度較大。


圖10 整體葉盤加工示意

  五軸聯動數控銑削/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床并不多,如圖11為整體葉盤加工常用的機床。在整體葉盤加工方面具有獨到優勢的Liechti機床,各伺服進給和轉臺進給可提供1g(10m/s2)的加速度,主軸轉速15000r/min,扭矩120Nm,與雙驅動搖籃A軸協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,以及日益擴充的復雜曲面制造工藝數據庫使其機床功能愈發強大;尤其是可以提供進排氣邊加工時劇烈曲率突變所需的高加速度和高剛性,滿足了對氣動性能有重要影響的進排氣邊加工精度要求。


a. 工作臺單驅擺動五軸機床
b.搖籃式五軸機床及CAM軟件
c.擺頭式五軸機床
圖11 整體葉盤加工機床結構

  整體葉盤加工機床在結構原理上應考慮回轉運動部件質量的最小化與運動平衡,以及載荷分散設計,所有基架組件均采用可實現最大剛度的FEM分析進行設計,使設備具有良好的加工剛度和加速度,從而實現加工參數突變時的穩定切削。

  (4)噴嘴加工設備

  如圖12,航空發動機燃油噴嘴主要由外殼、桿芯、活門組件、旋流芯組件等組成。噴嘴桿芯內部油路和冷卻回路錯綜復雜,內腔區空間狹小、長徑比大且形位公差要求嚴格,加工中需要對異形特征精確定位并基準轉換;活門殼體類零件體積小且包含大量異形型面和島嶼,還要求與回轉基體之間有很高的形位公差,活門桿、活門缸等小微零件對于同軸度、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備完成。傳統的加工都是在車床、三軸加工中心和四軸/五軸加工中心上分別完成,中間檢驗還要拆卸后再次裝夾找正。隨著機床工具的進步,具備七個進給軸和三個切削主軸的五軸聯動加工中心(見圖13),可對噴嘴系列零件進行車削、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械加工,效率和質量提升十分明顯。


圖12 燃油噴嘴結構

  燃油噴嘴殼體和桿芯是結構非常復雜的六面體都有加工特征的部件,各進給軸配置直線電機(220-400Nm)可在加工部件時確保最大精度和可靠的重復率。通過配置高精度測量系統(分辨率1/100μm)、快速直線電機(加速度1.1 g,速度50 m/min)、以及易熱部位充分的冷卻回路,可實現高精高效加工能力;配置扭矩大且適應切削轉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)還可以進行干式研磨;配置換刀裝置,配置豐富的夾緊系統。

  主軸聯鎖機構確保了車削時非旋轉刀具準確的機械分度,將銑磨主軸的動靜壓軸承分離,分散了通過主軸箱的加工振動和負載。

  配置在機檢測探頭、主軸探頭,車削主軸對面夾緊系統提供臺鉗、筒夾系統或尾座,夾緊裝置中大部分都可以在主軸和對面夾緊系統之間進行互換,而且排屑裝置流暢,鑄鐵機床基座和行程柱有效消除了振動。這些都有助于燃油噴嘴復雜結構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,并大幅縮減了轉序、裝夾找正、中間檢驗的輔助加工時間。

圖13 小微零件加工多軸復合機床結構


  (5)渦輪盤加工設備

  如圖14,渦輪盤的榫槽、輪緣、輻板、內孔、安裝空、安裝止口與花邊等大量復雜特征需要機械加工完成,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應變速率非常敏感,在高應變速率條件下加工容易出現裂紋。粉末渦輪盤加工機床應該重點關注加工效率的提升,加工精度的保證,避免加工缺陷。


圖14 渦輪盤結構

  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合加工中心,渦輪盤榫槽加工需要高剛性高速拉削機床;近年來開發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步,能夠以超過50000 r/min的轉速穩定回轉,保證了小直徑異形成形砂輪獲得理想的切觸點線速度[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格非常便宜,而且便于定制,如果大批量生產,其綜合成本是拉刀和銑刀成本的千分之幾。


圖15 渦輪盤榫槽加工設備(拉削、線切割)

  3 特種設備短板與性能

  (1)摩擦焊設備

  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,其焊接接頭質量優異,尺寸與形位精度高,生產效率高,能耗低,GE公司焊接TF39航空發動機大截面薄壁零件(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扇盤、高壓壓氣機鼓筒、高壓渦輪轉子組件省去了大量螺栓連接緊固件,并減少了轉子在螺栓孔處的截面尺寸。這可以有效消除應力集中、提高轉子剛性和平衡性、增加各級盤間的斷裂裕度、減輕發動機轉子重量、提高推重比,顯著提高發動機性能。


圖16 采用摩擦焊工藝的轉子組件

  但是國內尚未開展大慣量(≥24000kgm2)、高轉速(≥600r/min)、大頂鍛力(≥1000t)的慣性摩擦焊設備研制和焊接工藝研究,國際上比較知名的摩擦焊設備和工藝提供商是美國的MTI公司,2014年制造出全球最先進的自動化慣性摩擦焊設備(見圖17),2016年研制出全球最大的慣性摩擦焊設備。摩擦焊是典型的設備和工藝緊密結合的工藝技術,發動機的轉子設計結構與摩擦焊工藝參數緊密相關,要求設備具有極高的軸向位置和跳動精度、專用的主軸和尾座工裝夾具、精確隨動的工件位置調整控制系統與機構、高精度的主軸與尾座同步定心旋轉隔離機構,并能根據轉子結構對設備專用主軸和尾座工裝夾具等進行不斷優化調整。此外,摩擦焊設備在工作中各運動部位和液壓執行機構承受載荷和沖擊很大,損耗嚴重,因此設備的耐用度和精度保持性十分關鍵。


圖17 MTI全自動化慣性摩擦焊

  (2)電子束物理氣相沉積設備

  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,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陶瓷靶材,蒸汽在零件表面上方達到最大密度并在基體表面沉積為固態,形成垂直于基體表面的柱狀涂層。陶瓷涂層對缺陷和邊緣效應較為敏感,在實際服役過程中,往往較小的飛濺點和邊緣不規則即可引發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構涂層的問題凸顯??傮w而言,渦輪葉片表面陶瓷面層應當具有均勻的厚度、穩定的柱狀晶結構、良好的界面結合力和表面粗糙度。

  面向渦輪葉片熱障涂層在實際服役中的問題,根據電子束物理氣相沉積技術特點,其設備應當重點關注:①電子束對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機構;③零組件基體的均勻預熱;④高能量電子槍的穩定性。

  近年來,隨著渦輪葉片熱障涂層在各型號航空發動機中的普遍應用,電子束物理氣相沉積設備得到了較快發展。一方面,通過設置多自由度旋轉機構,在一定程度上降低了葉片的遮擋效應,優化了緣板表面涂層結構;另一方面,通過電子束蒸發仿真研究,在傳統設備中引入雙電子槍,既能預熱零件基體至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 渦輪葉片及涂層設備

  (3)復材零件切削加工設備

  廣泛使用復合材料是新一代航空發動機先進性的重要標志之一,碳纖維增強樹脂基復合材料可用于制備更大、更輕的風扇葉片,輕質高強樹脂基復合材料可用于制備風扇包容機匣[14],甚至在進氣機匣、風扇靜子葉片、壓氣機靜子葉片都采用樹脂基復合材料實現減重目標。GEnx發動機應用陶瓷基復合材料的燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和噴管實現葉片減重2/3,耐溫性提高20%,對耗油率改善的貢獻達30%。應用鈦基復合材料的壓氣機整體葉環、低壓軸,應用鋁基復合材料的低壓壓氣機和外涵部件替換鋁合金可以顯著提高發動機減重效果。

  復合材料零件的連接處、邊緣等位置還需要經過鉆孔或者切削加工成形。由于復合材料的比強度、比彈性模量較金屬高許多倍,其導熱系數為金屬的幾十、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。要求切削機床主軸能夠提供足夠高的轉速、較好的主軸密封性能,且不能有任何滴油滴液現象,最好在切削位置配置吸塵裝置;切削環境全封閉,絲杠、導軌、主軸、工作臺運動部位有專門的密封設計,防止粉塵對機床運動位置配合面造成污染,降低機床的損耗與故障率;由于復材零件多為已成形的薄壁結構件,工作臺應配置有自啟動或液壓夾具接口功能,最好能提供專用的環形件或復雜曲面薄壁件自適應裝夾夾具。

  (4)增材制造設備

  航空發動機中不少零部件采用高性能、高可靠、輕量化整體結構,使得零件結構趨向復雜化和功能結構一體化,傳統加工方式不能滿足設計快速迭代需求,而增材制造具備制造周期短、小批量生產成本低的特點,較好地解決了發動機研制階段快速響應的難題。

  現階段,鋪粉式增材制造設備在航空發動機中應用較為廣泛,發展重點有以下幾點:首先,出于對工藝開發的需求,設備應具備更高的開放水平,參數可調性更高,例如嚴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的壁厚結構。其次,大尺寸、多激光束鋪粉成形設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勢,但需注重成形倉風場和氧含量控制,以及一定的加熱保溫能力(降低成形過程熱應力開裂風險)。再者,設備智能流水化是降低成本、提高生產效率的最有效手段,各部分的模塊化不僅會減少零件收取、成形準備等的待機時間,極大提高設備利用率,同時可減少操作人員與粉末的接觸;設備的智能化將具備更完善的成形過程監控功能,不僅僅是現階段單純的拍攝記錄成形過程,還應具備異常情況報警提示甚至簡單問題自主處理能力。最后,增材制造設備的大批量采用必須建立在設備穩定可靠的基礎上,減少各設備間差異才能更好控制成形件質量穩定性,主要監控方面是激光器的光斑大小、出光功率、聚焦能力的穩定性,成形空間的一致性。此外,復雜零件內部結構無法有效進行表面處理,鑒于現階段成形精度和粗糙度的限制,增減材復合制造也是一個發展方向,但重點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量、粉末利用率低等問題。

  (5)微孔精密加工設備

  航空發動機熱端零件諸如渦輪葉片、燃燒室、渦輪外環等曲面及復雜型面高精度零組件表面分布有數量眾多的超精細微小氣膜冷卻孔,以降低其表面溫度。傳統的微孔加工方法包括機械鉆削加工、電火花穿孔加工、電液束射流加工以及相關的復合加工等,但在冶金質量、加工精度或加工效率上,愈發難以滿足高精度氣膜孔加工技術要求。此外,此類熱端零組件表面通常涂覆有熱障涂層,以隔絕高溫燃氣,進一步降低表面溫度。先進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象。目前,激光加工技術由于對材料去除無選擇性,且加工精度及可靠性高,因而其應用范圍不斷擴大。常見的激光加工技術包括長脈沖激光加工、超快激光加工和水導激光加工。

  火焰筒等薄壁環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引起薄壁零件局部變形。高壓渦輪葉片等復雜曲面精鑄件通常使用超快激光或水導激光加工,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,易發生激光擊傷零件內腔的現象,異形角度微孔加工難度尤其大。解決以上問題,往往一方面需要設備和加工程序在加工過程中予以自適應修正,另一方面需要通過智能檢測系統進行激光控制。綜合考慮熱端零組件的氣膜孔加工技術指標,激光加工技術及設備應當重點關注以下幾點:①長脈沖高能量激光器的穩定性;②超快激光和水導激光器的穩定性和功率;③配置六點定位和自適應加工模塊;④設備的高定位精度和重復定位精度;⑤配置高靈敏度的激光穿透檢測系統。

  近年來,超快激光器的研制得到顯著提升,功率從數瓦提升至數十瓦乃至數百瓦,使其加工效率大幅提升,工藝裝備也在航空發動機渦輪葉片中得到應用。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測模塊、功率監測模塊、終端監測模塊、三維自適應定位模塊、高精度激光測距模塊等,使得其既能有效應對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生的對壁擊傷等問題。



a.五軸超快激光制孔設備 b.六軸長脈沖激光制孔設備
圖19 微孔精密加工設備

  4 數控系統與CAM系統的需求分析

  航空發動機零件的特征多樣性和復雜性要求機床數控系統在功能選擇方面要更加多樣化。葉盤進排氣邊、噴嘴小微活門組件、盤類榫槽以及難加工材料的高效、高表面質量加工,都要求機床能在極限性能狀況下穩定運行,這就需要數控系統提供強大的功能支撐。由于長期在極限性能的惡劣工況下工作,機床就容易發生故障。好的數控系統在極限切削過程中能保持更加穩定的加工性能,在遇到各類機械故障時能及時預防并采取相應的應急措施,也能比較容易恢復正常。對機床用戶來說,數控系統的使用流暢性、穩定性和可靠性至為關鍵。人性化的交互式界面設計、豐富的功能配置和支持多種接口與標準的兼容性更容易提高操作者的使用粘性。航空發動機零件的復雜特征對編程要求很高,好的數控系統與專用的CAM軟件集成在一起更容易獲得用戶認可。

  智能化的CAM功能,內置典型特征參數推薦和動態功能,確保高速加工時的輪廓精確度;可根據加工參數實時調節傳動參數;對于整體葉盤、葉片、噴嘴組件等復雜型面零件,控制系統與曲面建模工具完美結合,能夠自動配置優化數控路徑規劃,進行樣條擬合、包封、修補和邊緣擬合以實現最佳幾何精度、表面質量和生產率;根據余量分布自動匹配粗加工策略,自動推薦精加工中型面搭接參數,避免出現接刀痕,能夠自動檢查參數突變區域,避免啃刀、咬邊等加工缺陷;配置有集成式后處理程序。

三 航空發動機制造裝備驗收現狀與關鍵技術

  1 驗收流程

  設備選型:這個階段是設備廠商了解用戶需求的重要階段,是保證設備滿足后期使用要求的前提。機床企業的設計代表和航空用戶的工藝代表應進行多輪次的技術交流,將設備的功能、性能、配置、數控系統、精度、使用便捷性、可靠性等逐項落實。如果是重要設備,要專門設計樣件進行試切加工,對功能和性能可行性進行驗證,最終形成指導設備選型的《技術規格書》。對于新研制設備,探索機床企業與航空用戶企業關鍵技術人員交叉任職、較長時期交流辦公等深度融合的工作機制,有利于推動高端機床與航空發動機制造的匹配發展。

  招標投標:由設備廠商的銷售代表和航空用戶的商務代表依據《技術規格書》和招投標法規完成。

  技術協議:對設備的用途、功能、結構形式、主要技術指標、安裝要求、關鍵部件配置、驗收執行標準、供貨范圍及其他特殊要求做出約定,形成《技術協議》。

  合同簽訂:由設備廠商的銷售代表和航空用戶的商務代表依據《技術協議》和合同法規完成。

  設備預驗收:這是至關重要的環節,尤其對于有特殊要求的設備,應該將特殊的性能要求充分進行加工驗證,如有必要甚至可以創新性地設計新的驗收標準。預驗收主要檢查、驗證所購置的機床能否滿足自身產品的加工質量及生產效率要求,提供的資料、備附件等是否齊全,具體內容根據《技術協議》中的要求。需要注意的是:機床通過正常運行試加工并經整體檢驗合格后,購置方才能進行預驗收工作,預驗收通過后可以向用戶廠家發運機床。

  設備終驗收:主要包括到貨后開箱驗收、安裝過程驗收、安裝后總體驗收。對于分體運輸的大型設備,在用戶場地對經過長途運輸后的各部件安裝組合精度進行恢復調試更有利于機床的精度保證和運輸隱患排查。機床驗收時的所有驗收記錄都應有簽字確認,并交由用戶設備主管部門保管存檔。

  2 驗收內容

  航空發動機數控機床與裝備的驗收是指利用高精度儀器對機床本身的機械、電路、液壓和氣動裝置等各系統進行綜合使用性能、單項使用性能和靜態及動態精度檢測的過程,最后給出本機床性能的綜合評估。驗收的項目主要有以下五部分內容。

  (1)機床外觀功能檢測

  主機及各零部件有無磕碰損傷、銹蝕等現象;各系統的動作試驗、空載/負荷運轉試驗。

  (2)機床幾何精度檢測

  各運動軸相對工作臺移動的直線度、平行度、垂直度、平面度、跳動等,對于機床的幾何精度和定位精度檢測要打開后臺補償,查閱機床精度補償量,對于補償較大的應要求進行硬件調整或更換。

  (3)機床位置精度檢測

  機床各驅動軸在數控系統控制下的定位精度、重復定位精度、反向差值、原點的復位精度、位置偏差及定位系統偏差等。一般推薦采用VDI/ DGQ 3441,GB/T17421.2,ISO 230 –2等標準。

  (4)機床工作精度檢測

  對于車削機床、四軸以下機床的工作精度檢測一般推薦NAS試件,如果切削難加工材料或者有其它特殊要求,可適當增加未來需加工的典型特征試件;對于五軸機床除了NAS試件外,應針對性設計可檢測外圓與內孔同軸度、圓度、傾斜角度、鉆/鏜孔精度及各尺寸精度等的試件;對于航空發動機難加工材料所用機床,主軸的扭矩、功率、轉速要符合加工工況的扭矩/功率/轉速曲線圖,不能以單個指標去衡量切削性能;尤其對于工作剛度和動態性能會有針對性的驗收措施。

  (5)機床綜合性能檢測

  機床軟件程序導入導出及后處理匹配性;機床負載一定周期下的可靠性與精度保持性;裝夾找正、上下料、維護保養操作便捷性。

  3 存在問題與關鍵技術

  新出廠的數控機床與裝備在檢驗時僅把機床本身的幾何與位置精度、加工精度作為考核測試的標準是遠遠不夠的,必須對機床綜合精度和動態響應特性、連續運轉時間、系統穩定性及機床溫升等各項指標做出全面的檢測。只有這樣做才能夠保證高速切削數控機床今后加工性能的穩定度[15]。美國航空航天局于1969年發布了NAS 979標準,這也是此前唯一被行業公認的試件標準。然而大量的實踐表明,NAS五坐標錐臺檢測試件加工時始終處于開角加工區域,不能準確反映機床的綜合精度。傳統精度檢測儀器如激光干涉儀、雙球桿儀、激光跟蹤儀等對多軸聯動誤差和動態誤差檢驗的局限性逐步顯現。近年來S型試件、RTCP檢驗方法逐漸得以推廣和應用,有效彌補了五軸機床加工航空難加工材料時工作性能檢測的短板。此外,航空發動機企業對于專用或者復雜的機床裝備還要設計專門樣件,進行樣件加工,它是對機床從設計到制造再到安裝調試的質量和性能的總體檢驗,直接關系到機床裝備的功能、加工精度和綜合加工能力的可靠性。

  (1)S型試件檢測

  NAS試件主要對機床的幾何精度敏感,而對動態精度不敏感,按照此標準驗收的五軸機床在加工飛機結構零件復雜曲面時,大量出現過切、欠切、表面嚴重波紋等情況。為此,由中國主持修訂、由中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司基于航空制造經驗及多年自主深入研究成果提出的,ISO10791-7: 2020《加工中心檢驗條件第7部分:精加工試件精度檢驗》國際標準,獲國際標準化組織(ISO)批準正式發布,成為國際標準 [16]。如圖20所示,試件由S形走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條和矩形底座組成。S型緣條由上下兩個平面上的四條S形曲線相互交叉構成。由于緣條與底平面的夾角連續變化,在連續加工S型曲面緣條兩側時,可檢查五軸數控機床連續變軸加工零件表面時的粗糙度、厚度、輪廓誤差等,檢驗機床開、閉角轉換時的性能,更好地反映多軸加工中各運動部件的綜合精度和動態響應特性,更能體現航空薄壁件的機床加工性能。在圖20中,直紋面A由兩條準均勻三次B樣條曲線定義,這兩條B樣條曲線分別由兩組控制點即Mi(i=0-11)和Ni(i=0-11)定義。與直紋面A相似,直紋面B也由兩條準均勻三次B樣條曲線進行定義,兩條樣條線分別由兩組控制點Pi(i=0-11)和Qi(i=0-11)定義[17]。


圖20 S型試件(直紋面A和B)

  (2)RTCP精度檢驗

  隨著用于檢測刀具中心點空間位置誤差的R-test測量儀的研究成熟,可通過三個位移傳感器測量球頭空間位置配合機床刀尖跟隨功能(Rotation Tool Centre Point,RTCP),快速檢測多軸聯動時的刀具中心點空間運動誤差。R-test測量裝置的性能主要取決于測量范圍和測量敏感度,應該選擇較大測量半徑和較高測量敏感度的測量儀[18]。目前,ISO10971-6國際標準中針對雙擺頭五軸機床的RTCP檢測用AK4軌跡,操作簡單,無須編寫檢測數控代碼,但無法反映出航空發動機零件曲面突變加工時所需的機床動態性能,在RTCP 檢測軌跡的規劃過程中,應采用更加復雜的函數或通過選取點位進行樣條擬合的方式生成檢測軌跡(如S型軌跡),以提升檢測性能[19]。


圖21 RTCP精度檢測

  (3)樣件設計與檢測

  航空發動機零件對于機床的剛度、特殊工位行程可達性、難加工材料切削性、使用便捷性等有苛刻要求。設計與真實零件特征相似的樣件,觀察樣件加工過程后置處理、刀具路徑規劃、路徑光順、誤差檢測與補償、原位測量與自適應補償的各功能的運行狀況[20],檢測加工樣件的精度可以有效評價機床的使用性能。

  綜上,對于航空發動機零件加工的關鍵設備,用傳統檢測儀器進行幾何精度和位置精度檢測;對于多軸機床要進行S形試件加工和RTCP精度檢查;對于精加工或難加工材料切削機床要設計專門樣件進行工作精度檢查。

  4 驗收項目與流程

  重要的機床與設備采購要經過以下九大環節才能完成驗收(見圖22),機床設計人員應該在設備選型伊始就充分參與進來,并與機床使用的工藝人員充分交流,摸透用戶需求;在機床使用工藝人員要選擇合適的驗收標準,對機床所需的性能進行充分檢驗。


圖22 驗收流程邏輯圖

  結論

  綜上所述,本文根據航空發動機零件結構的復雜特點和加工中的特殊要求,對所需的關鍵短板裝備性能特點進行分析。通過總結航空發動機的設備選型、性能提升改造、驗收與使用經驗,得到以下結論:

  (1)對于航空發動機所需的關鍵與瓶頸裝備,應充分發揮“用、產、學、研”機制,由用戶牽頭,設備企業、高校和研究機構參與,研制之初就吃透工藝需求,共同攻關,新開發的機床應經過大量機床測試,通過幾輪迭代創造出符合先進航空發動機工藝需求的新裝備。

  (2)航空發動機研制生產準備周期長,需要的工藝裝備品種多,要求高。而且發動機還需要不斷更新換代,具有典型的多品種小批量特征,尤其是特種加工設備,批量不大。對于這些難度高、投資大、批量小的工藝裝備需要國家項目大力支持。

  (3)機床設計應重點關注結構功能一體化、多種工藝復合機床的研制,關注本文提出的共性技術性能提升。同時,機床設計者和機床使用者應該大膽創新,敢于提出新標準,與行業協會和各級標準化組織共同推動建立高端機床中國標準。

  (4)對于粉末冶金難加工材料高效切削、復合材料切削加工、復雜型面(如渦輪盤榫槽等)電加工和磨削加工、激光打孔(單晶葉片氣膜孔)、增材制造等設備和驗收標準,還有待進一步開發和研究。

來源:《世界制造技術與裝備市場(WMEM)》

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