民用渦軸發(fā)動機典型件制造技術概述

為貫徹落實制造過程適航要求、解決民用渦軸發(fā)動機制造工藝技術問題，通過設計和工藝、適航和質(zhì)量相關活動有機融合，開展低成本制造工藝技術的攻關研究等，可有效降低制造成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。民用航空渦軸發(fā)動機為滿足先進性和經(jīng)濟性要求、確保適航安全和質(zhì)量水平，采用了大量先進材料、技術和結(jié)構(gòu)，以使性能更先進、結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量更輕，但同時帶來了不少制造困難問題。本文選取具有先進中小民用渦軸發(fā)動機特色的機匣、輪盤、渦輪葉片等典型件，在分析其材料結(jié)構(gòu)、工藝特點的基礎上，著重概述如何通過復雜結(jié)構(gòu)件的集成化、數(shù)字化制造等技術攻關，提升工藝水平，推動民用渦軸發(fā)動機典型件制造工藝技術向多元縱深發(fā)展。復雜結(jié)構(gòu)件集成化制造復雜結(jié)構(gòu)整體件鑄造為適應先進中小型民用渦軸發(fā)動機結(jié)構(gòu)空間小、可靠性高、功率/質(zhì)量比高的要求，大量采用各種鋁合金、鈦合金、高溫合金鑄造的整體機匣、軸承座、導向器毛坯。這些整體鑄件集油路、氣路于一體，集成度很高，結(jié)構(gòu)緊湊、型腔復雜、薄壁窄槽，不同部位壁厚差異大，有的部位壁厚特別薄。通過采用有色鑄造、精密整體鑄件仿真技術模擬，優(yōu)化澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)，合理選擇陶瓷型芯方案，設計好模具結(jié)構(gòu)，解決型芯定位問題，優(yōu)化毛坯結(jié)構(gòu)，改善尺寸、冶金缺陷，解決了這些整體鑄件尺寸難控制、補縮困難，易形成縮孔、疏松、欠鑄等問題。復雜型腔結(jié)構(gòu)整體鑄件異種材料焊縫和多層焊接渦流機匣為整體薄壁、多層、多腔焊接件，由120個零件、160條焊縫、4層多腔體焊接而成，焊種多、焊接變形大，焊接工藝要求高，需要分析、掌握薄壁零件加工、焊接變形規(guī)律，突破新型鈦合金、鎳基合金等不同材料薄壁、大尺寸焊接變形控制技術。先進的電子束焊、激光焊、自動氬弧焊、真空釬焊等焊接工藝應用于異種材料連接，提高了焊接強度，降低了焊接應力，實現(xiàn)了不同材質(zhì)、不同焊縫組成的多層、多腔、復雜結(jié)構(gòu)焊接。新型增材制造為解決結(jié)構(gòu)件零組件配套層級、數(shù)量多、制造周期長等問題，減少零組件數(shù)量和減輕質(zhì)量，對復雜的熱端機匣采用新型增材制造技術制造毛坯，使零組件數(shù)量大幅度減少，由原有29個零件組成變成了1個零件，取得了顯著減少零件數(shù)量、減輕質(zhì)量、降低制造成本的良好效果。新型增材制造技術在機匣、管路等零件制造和修復中應用范圍已越來越廣。多工序集成自動制造為解決復雜結(jié)構(gòu)整體機匣制造工序多、轉(zhuǎn)工多、周期長、基準多次轉(zhuǎn)換帶來的誤差大等問題，通過采用多工序集成自動制造技術，將分散工序向集成工序制造模式轉(zhuǎn)變，應用帶自動換刀庫的雙或多工作臺車銑復合、數(shù)控車銑或銑磨復合等工藝技術，配裝傳送帶和機械手，按零件族組成面向智能化的數(shù)字化、自動化生產(chǎn)線或生產(chǎn)單元，在一臺或幾臺機床上完成零件加工，使生產(chǎn)組織變得非常簡單，生產(chǎn)質(zhì)量和效率大幅度提高。渦軸發(fā)動機機匣自動化加工單元葉輪和盤軸制造葉輪制造中小型民用渦軸航空發(fā)動機壓氣機通常采用多級軸流葉輪加一級離心葉輪的高精度圓弧端齒連接增壓結(jié)構(gòu)，具有高增壓比、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。針對整體寬弦葉盤和高增壓離心葉輪上的葉片和輪轂型面，傳統(tǒng)制造工藝為數(shù)控銑削后手工打磨拋光，效率低、質(zhì)量不高。在研究低成本制造工藝基礎上，采取桶形（錐鼓）銑刀寬行數(shù)銑、高速銑等工藝銑削葉片和輪轂型面，顯著提升加工效率；離心葉輪輪轂、整體葉盤的葉身上保留刀紋，采用磨粒流光整，降低了勞動強度，節(jié)約了加工成本，但要求一次銑削加工到位，既要滿足形狀精度，又要達到葉片頻率控制范圍；各葉片盤和離心葉輪的圓弧端齒采用高效一次成形磨削加工，保證了凸、凹齒之間相互配合的高精度質(zhì)量要求。軸流葉輪和離心葉輪渦輪盤制造燃氣渦輪第一級和第二級盤、動力渦輪第一級和第二級盤的毛坯均為高溫合金模鍛件。通過優(yōu)化鍛造及熱處理工藝，細化預制坯和熱模鍛工藝參數(shù)，采用先鍛造開坯、后模鍛成形的方式，適當降低始鍛溫度，細化盤坯晶粒，保證了渦輪盤模鍛件晶粒度要求和組織均勻性、性能穩(wěn)定性；時效處理采用低溫裝爐，緩慢升溫，設置升溫臺階，保證到溫后保溫時間充分，避免產(chǎn)生裂紋。各渦輪盤沿圓周均分布有幾十個高精度樅樹型榫槽，輪廓度精度很高，齒距公差小于0.01mm；對榫槽采用高速拉削工藝加工，從拉刀材料、拉削速度等方面進行優(yōu)化，減小拉刀磨損，滿足了榫槽精度要求；榫槽型面等部位噴鋼丸進行表面強化處理。燃氣渦輪盤圓弧端齒采用高效一次磨削加工成形。渦輪盤大長徑比細長空心軸制造發(fā)動機壓氣機和燃氣渦輪之間采用中心拉桿連接，動力渦輪功率通過動力渦輪傳動軸穿過中心拉桿內(nèi)孔從發(fā)動機后端傳遞至前端。由于動力渦輪傳動軸內(nèi)裝測扭軸，因此動力渦輪傳動軸、中心拉桿均為典型的細長空心軸類件，工作時需要承受很大的軸向拉緊力，動力渦輪傳動軸還需要傳遞發(fā)動機動力渦輪輸出扭矩。動力渦輪組合轉(zhuǎn)子為跨兩階臨界轉(zhuǎn)速的撓性轉(zhuǎn)子，對高速旋轉(zhuǎn)下的動撓度控制有極高要求，這些要求無疑提高了零件內(nèi)外連接螺紋、花鍵、壁厚、動撓度控制等制造工藝技術難度。動力渦輪傳動軸、中心拉桿毛坯均為高溫合金鍛件，通過降低始鍛溫度，用工裝校正鍛件，減少翹曲，固溶時效后增加冷、溫校形，保證了熱工藝加工質(zhì)量。動力渦輪傳動軸長度超過700mm，長徑比大于50∶1，內(nèi)孔均有臺階，桿部跳動要求小于0.03mm，通過采用高精度數(shù)控深孔鉆設備、專用刀具，優(yōu)化工藝參數(shù)，克服細長軸壁厚薄、剛性差困難，確保了細長空心內(nèi)孔加工質(zhì)量；內(nèi)、外螺紋和花鍵采用高精度成形磨削加工，保證了螺紋中徑和花鍵節(jié)圓跳動、同軸度、壁厚等幾何量要素合格；動力渦輪傳動軸在單件通過低速動平衡后，組合成動力渦輪轉(zhuǎn)子再進行高速動平衡，檢測、控制高工作轉(zhuǎn)速下動力渦輪傳動軸相關截面的動撓度，確保其跨兩階臨界轉(zhuǎn)速動撓度滿足技術指標要求。大長徑比細長空心軸渦輪葉片無余量精鑄與加工

渦輪工作葉片制造民用渦軸航空發(fā)動機單晶、定向結(jié)晶高溫合金渦輪工作葉片具有多腔回流空心氣冷復雜結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔有多條細小橫肋及筋板；葉身長、弦寬，葉身薄處壁厚小于0.6mm，葉身、尾緣等部位上有多個小氣膜冷卻孔，精度高、孔徑小。精密鑄造毛坯工藝已解決內(nèi)腔成形工藝難度大，壁厚、葉型尺寸以及晶粒度難控制，型腔內(nèi)斷芯、偏芯等問題，實現(xiàn)無余量精鑄葉身型面，鑄造合格率明顯提高；燃氣渦輪工作葉片葉尖、葉身、排氣邊等部位分布著幾十個直徑約φ0.3mm的氣膜孔，為控制這些細小氣膜孔制造質(zhì)量，防止產(chǎn)生傳統(tǒng)電火花加工重熔層，研究采用飛秒激光等高效加工技術；榫頭輪廓度精度很高，齒距公差小于0.01mm，采用蠕動成形磨削工藝保證了榫頭齒距和輪廓度技術要求；榫頭等表面進行噴丸強化處理。復雜氣冷結(jié)構(gòu)燃氣渦輪工作葉片渦輪導向葉片和導向器制造渦輪導向器葉片毛坯為高溫合金鑄件，葉盆、前緣均有細小氣膜孔，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復雜，有多條橫肋及筋板、凹槽，易造成鑄造時型芯變形，使壁厚、出口端尺寸難控制，型芯窗口處厚度較薄，高溫強度不夠，澆注時易斷芯、堵塞排氣窗口。動力渦輪導向器采用高溫合金整體式毛坯，由無余量葉片和內(nèi)外流道環(huán)組成，直徑大、薄壁部位多，內(nèi)外流道壁厚僅1mm左右，葉片排氣邊最薄處僅0.4mm，葉型尺寸公差小。為此，通過鑄造工藝仿真、摸索變形量、優(yōu)化蠟模組合方案，毛坯鑄造時采用陶瓷型芯成形工藝與定位技術，提高陶瓷型芯性能，蠟模壓制時貼芯撐，解決了毛坯疏松、縮孔、欠鑄、薄壁部位充型與晶粒均勻細化難兼顧、型芯殘留及型芯變形等問題，實現(xiàn)葉片型面無余量精鑄成形，合格率明顯提升。零件葉身氣膜孔采用滿足重熔層要求的電火花、激光等加工技術和五軸數(shù)字化光纖檢測技術，保證了孔徑、角度和位置精度等技術要求。渦輪導向葉片和導向器表面處理與清潔度控制

各種涂層制造為適應發(fā)動機高轉(zhuǎn)速、封嚴和耐溫要求，各種封嚴涂層、熱障涂層、化學鍍鎳層和無機鋁抗沖刷防腐涂層等涂（鍍）層種類增多，涉及涂層制備工藝主要有氣相滲鋁、真空電弧離子鍍，以及火焰噴涂、超聲速噴涂、真空等離子噴涂等，制備工藝進一步精細，例如，大彎管表面噴涂陶瓷基復合材料前后外觀情況對比明顯。大彎管噴涂陶瓷基復合材料涂層前后對比表面完整性制造民用渦軸發(fā)動機對有關轉(zhuǎn)動部件、承力件等零組件疲勞壽命、可靠性等提出了更高要求，為此，對渦輪盤、離心葉輪、葉盤、擋板等核心承力零件腹板及安裝精密孔等采用表面完整性制造工藝，貫徹表面完整性技術要求，主要采取以下措施：一是推廣應用電解或化學銑等低應力加工技術，減少零件加工殘余應力；二是對渦輪盤、葉片等零件部分表面噴鋼丸、陶瓷丸進行表面強化處理，提高零件疲勞壽命；三是優(yōu)化磨削加工等工藝參數(shù)，防止齒輪、軸等零組件表面磨削燒傷，降低磨削殘余應力；四是合理安排去應力工序，消除或盡量減少加工殘余應力；五是對渦輪葉片、導向器、機匣等流道件表面進行振動光飾、磨粒流拋光等光整加工，提高表面粗糙度等質(zhì)量特性。清潔度控制民用渦軸發(fā)動機因轉(zhuǎn)速高、可靠性高等要求，對有關燃油、滑油、氣道等零組件，以及部附件和整機裝配、試驗等環(huán)節(jié)多余物與清潔度提出了很高的要求。多余物與清潔度防控要求正貫徹至發(fā)動機產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈、制造全流程，產(chǎn)品制造、試驗、油封、包裝、轉(zhuǎn)運和存放等工藝過程中多余物與清潔度的防控能力明顯提升，主要措施包括：合理安排各種多余物防護與清潔度控制工序，制造、試驗前對油道、氣道、內(nèi)腔等進行封堵，防止多余物進入；采用先進的去毛刺與飛邊、氣體檢漏試驗、超聲清洗、真空干燥等清潔工藝技術；對試驗和試車用燃滑油、氣體等介質(zhì)中多余物進行嚴格過濾與防堵；對清洗、試驗用燃滑油等介質(zhì)中的污染物（顆粒）進行檢測分析，確保符合要求；推廣應用氣相防銹袋、真空包裝等防護技術，改善現(xiàn)場文明生產(chǎn)和整潔環(huán)境等。多余物與清潔度控制工藝設施數(shù)字化制造與檢測

基于數(shù)字化的制造數(shù)字信息技術提升工藝能力，基于材料工程、工藝工程參數(shù)、質(zhì)量檢驗等數(shù)據(jù)為支撐的工藝仿真技術正加速應用，研究刀具、工件和機床受力變形情況下的切削仿真技術，焊接、鑄造等特種工藝仿真技術正進一步發(fā)展，各種仿真、制造、檢測分析等工業(yè)軟件更加成熟、得到廣泛應用。對發(fā)動機機匣、葉盤、葉片、軸、噴嘴、渦輪葉片等結(jié)構(gòu)相對復雜、制造周期長、生產(chǎn)批量大、質(zhì)量要求高的典型零件，用基于數(shù)字化、自動化制造技術，改造或建設的零組件專業(yè)生產(chǎn)線正向柔性化、智能化方向轉(zhuǎn)變，以提高制造工藝水平和快速響應能力?；跀?shù)字化的檢測通過應用四軸和五軸坐標測量、光學掃描和拍照、數(shù)字射線（DR）檢測、工業(yè)電子計算機斷層掃描（CT）檢驗、人工智能深度學習等先進數(shù)字化技術和檢測專業(yè)技術，成功解決了葉片、機匣、噴嘴等典型零組件制造過程檢測難題，實現(xiàn)了葉片冷卻氣膜小孔和噴嘴小孔等微小孔空間位置尺寸及角度的檢測與自動分析，薄壁鈑金件、環(huán)形葉型孔、大型機匣復雜型面等不規(guī)則三維型面等特征型面的快速光學檢測與自動分析?；跈z測數(shù)據(jù)自動采集、分析處理及人機交互技術，構(gòu)建多系統(tǒng)集成應用的數(shù)字化檢測信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，融入面向智能化的渦輪工作葉片、機匣等典型件數(shù)字化、自動化生產(chǎn)線，正推動質(zhì)量檢驗管控從傳統(tǒng)手工模式朝無紙化、電子化、網(wǎng)絡化方向?qū)崿F(xiàn)根本性變革。數(shù)字化柔性檢測系統(tǒng)基于數(shù)字化的信息技術應用基于數(shù)字化的信息網(wǎng)絡技術正助推工藝與設計和質(zhì)量等相關的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、制造執(zhí)行（MES）、企業(yè)資源計劃（ERP）和質(zhì)量管理（QMS）等系統(tǒng)有機融合，推動生產(chǎn)車間或生產(chǎn)線向數(shù)字化、自動化、智能化方向發(fā)展，以更好地實現(xiàn)工藝技術、生產(chǎn)、質(zhì)量信息化高效管理。一方面，綜合管控企業(yè)內(nèi)工藝、設備、工裝、生產(chǎn)、檢驗等狀況，充分利用帶自動換刀結(jié)構(gòu)的先進加工設備，打造盤、軸等典型零組件信息化架構(gòu)的數(shù)字化生產(chǎn)線或車間，大幅減少工具工裝制造、準備、維護成本，縮短零件的加工工藝路線，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率；另一方面，應用信息網(wǎng)絡技術構(gòu)建集異