特種加工技術在航空發動機制造中的應用探究

王鵬儼

摘要：特種加工技術在航空行業發揮著關鍵和不可替代的作用，在克服航空制造傳統機械切削的瓶頸，提高生產能力、產品質量、生產率和經濟性方面取得了長足的進步，也是我國為航空發動機制造的重要技術。

關鍵詞：特種加工技術;航空發動機

在現代航空發動機設計中，對高性能航空發動機的需求需要大量新的材料和結構，因此產品的生產能力給生產技術帶來了新的挑戰。例如難加工材料、型面復雜、精密表面加工和特殊零件加工。使用特殊的加工技術，發動機零件的數量可以減少，結構可以簡化。這提高了性能、適用性、可靠性、可維護性等。

一、特種加工技術的特點及發展趨勢

特殊加工（也稱為非傳統加工）是第二次世界大戰后開發的類別的通用名稱，不同于常規切削和研磨方法。特殊加工方法將電、磁、聲、光等物理和化學能量直接施加到工件的工作部分，去除、堆積、變形或改變材料特性。特殊加工方法可用于難以制造的傳統加工方法，如采用高強度、韌性、硬度、脆性、高溫和工程陶瓷、磁性和復雜零件的精度、細度和加工。特種加工方法具有以下特點：

1.特種加工工藝的特點。特種加工技術廣泛應用于航空航天領域，具有以柔克剛、精密細微、仿形逼真三個特點，主要有：（1）加工方法主要用電能、光能、聲能、熱能、化學能去除材料。（2）在傳統加工方法中，刀具必須比工件堅硬，即以硬切軟;（3）加工對切削力沒有顯著影響，一般不會引起加工硬化，因為工件變形小，發熱量小，或者僅用于工件表層加工，工件的熱變形小，因加工產生的應力小，質量容易達到。（4）特殊加工過程中的能量轉換和控制簡單，有助于保證加工的準確性和效率。（5）特種加工方法去除材料的速度通常比常規加工方法慢。這也是傳統加工方法在機械加工中繼續發揮重要作用的主要原因。（6）加工領域獨立于材料的物理和力學特性，可以為復合材料如鈦、熱科不銹鋼、硬鋼、高強度等難以加工的材料找到解決方案。（7）具有復雜型面、易于加工且具有細微機構的零件。復雜的三維型腔、型群孔、窄槽、窄縫等。（8）適用于低剛度零件，如柔性、薄壁、彈性部件。（9）在熱、殘余應力、冷作硬化、熱效應等條件下，很容易獲得良好的表面質量。（10）各種處理方法可以結合起來，使其成為一種新的處理方法。

2.特種加工技術的發展。隨著現代航空航天工業和科技的發展，特殊的加工技術不僅有效地補充了傳統的機器程序，而且是新技術、方法和工藝的有效武器開發，使現代航空能夠滿足新的性能要求。專業化的加工技術不斷發展和迅猛發展，應用目標和開發空間的結合不斷擴大。為了進一步拓展和擴大航空航天領域的應用范圍，現代特種技術發展的大趨勢有三個主要方面。（1）采用計算機技術的專業化設備管理系統、電源系統優化、參數化適應綜合控制、數據庫建設等。構建專用CAD/CAM和FMS處理系統是現代專用工藝流程發展的主流。（2）為了滿足產品的高技術性能要求和新材料的加工要求，必須開發一種新的復合工藝。（3）相對精密化的特殊加工工藝，使航空設備部件精度和表面粗糙度要求更加嚴格。

二、航空發動機特點

鈦合金、復合材料和高溫合金等特殊材料經常用于航空發動機，這些材料通常具有大硬度、高強度、強韌性、高熔點、大脆性等特點。因此，在常規工況下，很難用機械切削方法有效地將其分割，且飛機發動機加工孔的大部分位置都在復雜的型面和零件結構上。如渦輪、燃燒室和噴嘴等零件。菱形孔通常需要深度加工。這些加工位置中的差錯更有可能影響產品的最終質量。此外，在許多情況下，必須在一些薄的或有彈性的零件的表面上鉆孔，這大大增加了鉆孔的難度。在航空發動機的生產過程中，還需要加工和生產精密控制元件和微型系統零件上直徑小于0.1毫米的微孔。許多不同空間結構的小孔需要在火焰筒零件上加工。以上孔很難加工，由于不合格或精度不夠容易引起不合格的質量。航空發動機在高溫、高壓和高速的極端條件下運行。同時，它需要重量輕、油耗低、可靠性高、使用壽命長和再利用。這是一種集成、多學科的高端產品。其特點是核心技術的堆集。沒有核心技術，就不會有現代先進的現代先進的航空發動機對單位推力、推力比、超音速巡航、推力矢量功能、隱形性能、高可靠性、耐用性和良好維護提出了更高的要求。對材料和制造技術的更嚴格要求導致了從普通合金到新的高溫、輕質高強合金的各種應用;從單工序到多工序研究;從數字化、自動化、信息化到智能化生產。新材料和復雜的結構發動機設計使零件加工更加困難。雖然有些不能用常規加工實現，但特殊的加工方法在某些領域不可替代，越來越多地用于常規機器加工的缺失。目前，傳統的特殊加工技術，如火花、電化學、激光、電子束及離子束加工加工等。廣泛用于航空發動機生產，但隨著新材料和結構的出現，閉式整體葉盤的電火花多軸加工技術、精密電解加工技術、陶瓷復合材料超高速激光加工技術、激光沖擊強化技術和高壓水射流強化技術在新技術開發中發揮著越來越重要的作用

三、特種加工技術的應用

1.加工葉片榫齒。葉片是航空發動機重要的部件，旋轉和靜態葉片都需要很高的尺寸精度，并具有加工葉片榫齒技術，可以粗糙和精加工用專用銼刀，高合金、加工速度和許多因素存在薄弱的限制，如因刀具磨損導致的加工效率顯著提高。

2.復合加工用于蜂窩組件。復合加工技術，通過蜂窩點間焊接可靠的焊接，可以有效利用運動材料。為了獲得蜂窩孔、均勻分布和熱變形等重要特性，該過程通過儲能點固定在航空發動機外環上，并在焊接過程中與工件緊密連接，以保持電磨輪與蜂窩之間的電解磨特種加工壓力。

3.軟管火焰屏蔽金屬釬焊。是氧乙炔火焰中高效釬焊的重要技術。由于航空發動機金屬軟管沒有固定在火焰釬焊之前，釬焊配件軟管和航空發動機之間的最小溫差必須固定到大約340℃，以保證航空發動機的釬焊質量。此外，其料接近到熔融溫度，并加熱后的軟管金屬刷涂抹直徑30毫米，外焰繼續隨外焰繼續。

四、特種加工技術在我國航空發動機制造業中的應用

特殊加工工藝包括電火花成形、電火花線切割、激光、電化學、電子束、超聲、離子束、等離子弧加工等。過去十年來，我國航空制造商一直跟上國際設備行業的步伐，在世界機床加工中為各種特殊設備引進了一系列先進的特種設備。其特種裝備的支持水平與歐美等發達國家大體相同。我國航空發動機的特殊加工工藝及制造主要應用領域有：

1.電加工技術具有獨特的加工特性，是加工復雜材料和精密零件的有效手段，可以解決常規加工手段不能或不能解決的生產問題。過去，渦輪機葉輪三維幾何通道無法制造。它通常是用五軸聯動銑床制造的，但它只能在沒有打開的極端螺旋幾何通道中制造。然而，現在可以加工六軸或以上的電動火花成型機。目前，電加工技術主要應用于發動機很多零件加工，我國傳統電力處理技術的應用相對較發達，特別是近年來在航空部門引進了一些先進的電力處加工設備，使電力處理技術更接近國際先進制造標準。

2.20世紀70年代，電化學加工技術被應用于航空工業。對于不能加工或加工成本高的型面、型槽，電化學加工設備可以在沒有復雜材料、型面和無重熔層的情況下，對好的表面進行微加工。目前，電解加工設備在國際上使用，代替了常規加工設備，一般用于實現整個盤葉片、葉輪的葉片型外部尺寸和表面粗糙度的精確設計和電氣化技術要求。渦輪轉子和所有經電解加工的葉輪均由高溫合金零件制成，套料加工在葉盆、葉背后部成形一次，葉片精度為0.1mm，表面粗糙度值為0.8μm，這是航空航天領域的優先加工方法之一，方法是簡單地對每個葉片進行一次電解加工。我國在整個發動機葉片使用電解設備的加工技術上仍然落后，現在加工成整個葉片的電解設備已經發展起來。

3.激光加工技術廣泛應用于航空發動機零件的生產和維護，激光加工設備主要用于兩種類型的孔加工和切割，適合于空氣發動機葉片和燃燒室等零件的鉆孔和切割。例如，DMG生產的五軸激光打孔機主要用于航空燃氣輪機零件內部冷卻空氣孔的加工，具有加工精度高、效率高、適應性強的特點。目前，采用激光焊接、熔敷、強化、熱處理以及3D打印新技術和設備來制造和維護發動機零件。風扇葉片已通過使用激光加固技術使用壽命增加。氣體壓機、燃燒室和渦輪等零件的生產主要通過激光孔、切割和焊接，可以提高零件的加工效率和加工精度。

4.電子束處理技術主要用于物理熱障涂層的焊接和制造。電子束焊接技術和設備已經成為我國航空發動機生產中的重要技術和設備。由于電子束焊接變形和熱影響小，它被用來焊接航天飛機發動機的裝配，如主燃燒室、熱氣歧管、渦輪泵高低壓燃油等。并且這在特別是發動機焊接轉子的生產中起著重要的作用。電子束焊接技術基本上符合國際標準，我們已經掌握了一些關鍵技術，但仍有改進電子束焊接技術，復雜的結構，新的材料，壓水平槍焊接需要提高。

5.等離子弧處理技術和設備主要用于零件領域，即。板材材料的涂覆即熱噴涂和切割。特別是等離子噴涂技術，廣泛應用于發動機熱端渦輪葉片和導向葉片的高溫防護涂層的生產。它在防止發動機主要部件隔熱、耐高溫、抗磨損、密封和輕微磨損和著火方面發揮了重要作用。直到20世紀90年代初，等離子噴涂技術和設備是從瑞士和美國等發達國家引進的。

6.金屬表面強化技術近年來受到越來越多的關注，在改善材料表面性能、延長部件壽命、節約資源和提高性能方面發揮了重要作用。金屬表面強化技術誕生于20世紀60年代的美國，80年代末應用于航空航天。20世紀90年代，我國逐步從國外采購先進的數控噴丸機，并對玻璃、鑄鋼及陶瓷丸等進行噴丸處理。目前，我國表面強化技術已經開發研制了超聲波噴丸技術、表面光整技術等順應國際發展趨勢，以便進一步改善材料表面特性。

在過去十年里，特殊加工技術迅速發展。它在全世界引起了越來越多的關注，發揮了越來越重要的作用。特殊加工使用不同形式的能量加工零件。它與傳統的切削技術相比特種加工這種加工方法通常具有以柔克剛的優點，對加工力的影響較小。為了進一步提高特殊處理技術的水平和擴大其范圍，并考慮到特殊處理技術目前的發展趨勢，先進的特殊處理技術對于確保航空發動機的結構完整性至關重要。它的研究、開發和應用直接關系到航空發動機的質量、壽命和可靠性，隨著特種加工技術的進一步發展和掌握，即使是最深層的東西也會變得簡單。隨著電子學技術的發展如線切割，特種加工技術將不再罕見。作為一種普通的加工技術，廣泛應用于加工行業的各個角落。

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