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WMEM|航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢

2019-5-16 來源：轉(zhuǎn)載作者：-

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)是未來我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的制造工藝和生產(chǎn)模式已經(jīng)無法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造在高精度、高質(zhì)量、高效率、高可靠性等方面的需求，隨之而來的三軸、四軸、五軸數(shù)字化加工是未來中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高復(fù)雜性、高可靠性等要求，目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造能力仍然按照“制造→試驗(yàn)→修正制造→再試驗(yàn)…”的模式，這就注定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制本身不但是個(gè)高科技事業(yè)，還是一個(gè)高投入的事業(yè)。我國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)初期走了不少彎路，幾經(jīng)坎坷，“三落四起”，目前正處于“第四起”的階段，對我們既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。世界上只有少數(shù)的幾個(gè)國家具備航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)，它代表了一個(gè)國家的科技水平、工業(yè)水平和綜合國力。

通過幾代航發(fā)人的共同努力，我們實(shí)現(xiàn)了由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)向渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史性跨越，由小推力到中等推力向大推力轉(zhuǎn)變，由二代半向三代機(jī)、四代機(jī)轉(zhuǎn)變。目前正在開展四代機(jī)及大推力、大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作，發(fā)展的需求客觀上要求我們用更先進(jìn)的制造技術(shù)引領(lǐng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的提升。

主要關(guān)鍵制造技術(shù)有：整體葉盤、葉環(huán)制造技術(shù)；靜子、轉(zhuǎn)子葉片制造技術(shù)；機(jī)匣制造技術(shù)；寬弦風(fēng)扇葉片制造技術(shù)；金屬基、陶瓷基及碳/碳復(fù)合材料構(gòu)件等制造技術(shù)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)需在高空、高速、高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和交變負(fù)荷的惡劣條件下長期、重復(fù)、可靠使用，與其他運(yùn)載系統(tǒng)的動(dòng)力相比，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上工作條件最苛刻，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的物理系統(tǒng)。正如美國在其國家航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)推進(jìn)計(jì)劃中寫到的：“這是一個(gè)技術(shù)精深得使新手難以進(jìn)入的領(lǐng)域，它需要國家充分保護(hù)并利用該領(lǐng)域的成果，需要長期數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累以及國家大量的投資。”

為滿足我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)更新?lián)Q代需求，重點(diǎn)需建立、健全航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展型譜。這就使得近年來發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)種多，研制周期短，技術(shù)難度大。為了能更好地完成各個(gè)型號(hào)研制的預(yù)定目標(biāo)，科學(xué)高效地開展技術(shù)創(chuàng)新和工藝突破，提高技術(shù)成熟度，成為當(dāng)務(wù)之急。

1.梳理流程

在關(guān)鍵制造技術(shù)領(lǐng)域，以往的技術(shù)工作一般是圍繞型號(hào)任務(wù)開展。型號(hào)任務(wù)下達(dá)后，設(shè)計(jì)部門下達(dá)技術(shù)圖紙和標(biāo)準(zhǔn)，我們圍繞圖樣和標(biāo)準(zhǔn)去開展工藝準(zhǔn)備。在消化圖樣和標(biāo)準(zhǔn)的過程中，不斷發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)新的工藝難點(diǎn)和新技術(shù)，再針對新工藝、新材料進(jìn)行立項(xiàng)攻關(guān)。

由于之前沒有技術(shù)儲(chǔ)備，往往導(dǎo)致研制周期過長，型號(hào)節(jié)點(diǎn)一拖再拖。針對相關(guān)問題，我們需要重新梳理流程，改變以往下達(dá)圖樣→工藝準(zhǔn)備→立項(xiàng)攻關(guān)→工藝定型的模式，使相關(guān)工作與設(shè)計(jì)過程（MBD）并行實(shí)施。即在設(shè)計(jì)階段（MBD）開展工藝預(yù)先研究→三維圖下發(fā)→工藝準(zhǔn)備→工藝定型。針對設(shè)計(jì)提出的要求開展新材料、新工藝的預(yù)先研究，縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，提高研發(fā)效率。這樣就可以在設(shè)計(jì)階段即開始新工藝和新技術(shù)的攻關(guān)工作，為型號(hào)研制做好技術(shù)儲(chǔ)備。當(dāng)研制任務(wù)正式下達(dá)時(shí)，可以立即進(jìn)入生產(chǎn)階段，減少大量的攻關(guān)時(shí)間，大大提高研發(fā)效率。

2.知識(shí)管理

隨著科研型號(hào)的不斷增多，新材料、新工藝技術(shù)應(yīng)用也越來越多。但往往隨著優(yōu)秀專家和技術(shù)人才的退休離崗，在新材料、新工藝應(yīng)用過程中產(chǎn)生的寶貴經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)財(cái)富也不斷流失。同時(shí)，涌入的大量新生力量，缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的支持。如此，人才隊(duì)伍建設(shè)能力不能滿足繁重的型號(hào)任務(wù)要求。

因此，建立具有專業(yè)特色的知識(shí)工程平臺(tái)，全面解決知識(shí)積累、共享瓶頸；打造型號(hào)研制創(chuàng)新平臺(tái)，提高研發(fā)效率，提升工廠綜合創(chuàng)新能力，成為當(dāng)務(wù)之急。將知識(shí)工程與工廠型號(hào)研發(fā)實(shí)際結(jié)合起來，針對型號(hào)產(chǎn)品研發(fā)過程中的工裝設(shè)計(jì)、材料、制造過程模擬、工藝改進(jìn)、產(chǎn)品檢測等進(jìn)行知識(shí)積累、存儲(chǔ)、共享、應(yīng)用和創(chuàng)新，建設(shè)全面的知識(shí)工程支撐平臺(tái)和計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新工具，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的快速積累、深度挖掘、充分共享和高效應(yīng)用，全面系統(tǒng)地提高型號(hào)研制的科研水平，以利經(jīng)驗(yàn)傳承和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，最終形成基于知識(shí)工程的產(chǎn)品創(chuàng)新、研發(fā)和生產(chǎn)體系。

3.薄壁難加工材料制造

圖1 為某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣構(gòu)件，材料為奧氏體不銹鋼難加工材料，牌號(hào)0Cr17Ni4Cu4Nb，最小壁厚為1.1mm，外弧面要求輪廓度≯0.08mm，受變形因素影響，輪廓度超差，嚴(yán)重制約機(jī)匣組件的裝配質(zhì)量，造成安裝應(yīng)力，影響到機(jī)匣組合件裝配及發(fā)動(dòng)機(jī)的效能。改善和控制薄壁環(huán)塊變形不單是生產(chǎn)合格零件的需要，更是提升航空制造能力，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的先決條件。

圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣構(gòu)件模型

可通過以下工序滿足構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀要求：

（1）調(diào)整加工余量。

（2）采用數(shù)控機(jī)床加工，調(diào)整、固化加工。

（3）改進(jìn)零件裝夾方式。

（4）采取對稱銑槽加工。

（5）在銑加工型槽之后增加穩(wěn)定處理工序，改善二次加工應(yīng)力。

4.先進(jìn)的復(fù)合材料成型制造技術(shù)

樹脂傳遞模塑，即將干態(tài)的復(fù)合材料經(jīng)過預(yù)定型，放入特定的模具中夾緊，從設(shè)置的適當(dāng)注膠口在一定溫度、壓力下將配好的樹脂注入模具中，使之與增強(qiáng)材料一起固化成型的工藝方法。這是樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用較廣的工藝技術(shù)，起源于20世紀(jì)50年代的冷模澆注，其發(fā)展動(dòng)力是為了使飛機(jī)雷達(dá)罩的成型技術(shù)發(fā)展起來。該工藝具有成本低、尺寸精度高的特點(diǎn)，對技術(shù)要求高，特別是對原材料和模具要求較高。

由于當(dāng)時(shí)未能解決排除氣泡難、纖維浸潤性差、樹脂流動(dòng)出現(xiàn)死角等制造技術(shù)問題，限制了廣泛應(yīng)用。直至20世紀(jì)90年代，隨著對樹脂傳遞模塑工藝及理論的研究，設(shè)備、樹脂和模具技術(shù)日臻完善，該工藝發(fā)展成了復(fù)合材料行業(yè)低成本成形工藝之一。與傳統(tǒng)的模壓工藝相比，可提高纖維體含量，有助于樹脂對纖維的浸漬，降低孔隙率，提高產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量。

其工藝特點(diǎn)是：

（1）分為增強(qiáng)材料預(yù)成型體成型和樹脂注射固化兩個(gè)步驟，具有高度靈活性和組合性。

（2）采用與制品相近的增強(qiáng)材料預(yù)成型技術(shù)，纖維樹脂浸潤一經(jīng)完成即固化，可用低粘度快速固化的樹脂，并可對模具進(jìn)行加熱而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）閉模注入樹脂的方式可極大減少樹脂有害成分對人體及環(huán)境的毒害。

（4）該技術(shù)采取低壓（注射壓力≯4kg/cm2）注射技術(shù)，適宜大尺寸、外形復(fù)雜，表面粗糙度低的制件。

（5）模具可根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模要求選擇不同的材料，從而降低制造成本。樹脂傳遞模塑隨在國內(nèi)有許多單位在研制，但一直應(yīng)用于等厚度、等致密度的產(chǎn)品中去，其膠液的流動(dòng)狀態(tài)和流速易保持一致，產(chǎn)品穩(wěn)定性好。但對于各截面纖維厚度、致密度、密度變化的諸如復(fù)合材料葉片來說，復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)用樹脂傳遞模塑技術(shù)會(huì)造成膠液流動(dòng)狀態(tài)和速率不一致，從而導(dǎo)致其生產(chǎn)工藝更為復(fù)雜，工藝難度增大。其關(guān)鍵制造技術(shù)：預(yù)成型體制造技術(shù)。

預(yù)成型體制造技術(shù)即預(yù)定型是樹脂傳遞模塑前工序，其好壞影響樹脂傳遞模塑注射效果。大致可分為五種類型：手工鋪層、紡織法、針織法、熱成型原絲氈法和預(yù)成型定向氈法。根據(jù)產(chǎn)品使用要求，可使用不同的預(yù)制體。紡織體做成的預(yù)制體不存在層與層之間的界面問題，力學(xué)性能和熱學(xué)性能優(yōu)良。該預(yù)制體要求具有疏松的組織結(jié)構(gòu)，以便液態(tài)成型時(shí)液態(tài)樹脂能夠順利地浸潤和浸透結(jié)構(gòu)預(yù)制體。要使干態(tài)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)預(yù)制體具有基本的自支撐性和形狀保持能力，利于預(yù)制體反復(fù)的鋪放和定位要求，還要有反復(fù)變形的性質(zhì)，制件見圖2。

圖2 某復(fù)合材料制件

5.先進(jìn)的五軸行寬數(shù)控成型制造技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子葉片為復(fù)雜異型面。起初，考慮加工變形影響，通過多次調(diào)整粗、半精、精加工方案，增加工藝過程中校形、人工時(shí)效等工序，試加工效果有所改善，但仍不能滿足設(shè)計(jì)要求。后通過五軸拋銑數(shù)控加工實(shí)現(xiàn)對其行寬最大化加工，優(yōu)化加工路線，實(shí)現(xiàn)免拋光加工。

6.結(jié)語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)的應(yīng)用，減少了人工干預(yù)、人為出錯(cuò)的概率，克服了技術(shù)瓶頸。同時(shí)，為我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障，實(shí)現(xiàn)了制造流程的規(guī)范化、自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，勢必對我國未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。

來源：世界制造技術(shù)與裝備市場

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