我國航空發(fā)動機制造業(yè)從引進斯貝發(fā)動機開始，并隨著上世紀90年代投入了一些型號攻關(guān)項目，逐步引進了一些精鑄、精鍛方面的全套設(shè)備，各類金屬切削機床，焊接和熱處理設(shè)備，計量儀器和理化測試儀器等，尤其是后來承擔(dān)了大量RR、GE、PW的外貿(mào)轉(zhuǎn)包業(yè)務(wù)，引進了大量高檔數(shù)控設(shè)備，學(xué)習(xí)到了很多發(fā)動機先進制造技術(shù)。經(jīng)過30多年的學(xué)習(xí)和自主攻關(guān)發(fā)展，在數(shù)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(shù)和裝備都通過反復(fù)實踐而得到鞏固和發(fā)展，GE一臺發(fā)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(shù)控坐標鏜加工中心、數(shù)控坐標磨削加工中心、立式車磨復(fù)合加工中心、高速葉尖磨機床、高精度數(shù)控拉床以及各類多功能復(fù)合的專用金屬切削設(shè)備。但是，外貿(mào)加工主要集中在冷加工領(lǐng)域，零件和組件加工的特種工藝受制于設(shè)備及相應(yīng)的工藝水平，例如渦輪葉片涂層設(shè)備、壓氣機和高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件摩擦焊設(shè)備、渦輪葉片和火焰筒小微群孔打孔設(shè)備等方面。目前，完成特種加工工藝的國產(chǎn)機床設(shè)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(fā)動機制造業(yè)的綜合成本、提高國產(chǎn)航空發(fā)動機的市場競爭力。
1設(shè)備的共性技術(shù)分析
(1)高剛性、高效率
航空發(fā)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(shù)控機床的剛性要求較高。
床身和進給系統(tǒng)：一般要求機床基座和床身結(jié)構(gòu)是整體經(jīng)過動力學(xué)仿真與驗證的最佳結(jié)構(gòu)，具有±2μm的平面精度，機床直線軸、旋轉(zhuǎn)軸熱穩(wěn)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(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計、線圈纏繞工藝、冷卻潤滑系統(tǒng)、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(tài)下實現(xiàn)高主軸轉(zhuǎn)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(tài)響應(yīng)
航空發(fā)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(shù)控機床的加工精度要求較高。機床動態(tài)性能不足引起的動態(tài)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。通過選擇帶有光柵尺的全閉環(huán)反饋系統(tǒng)和穩(wěn)定的靜壓導(dǎo)軌，可保證數(shù)控機床具有較高的定位精度和重復(fù)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(jiān)控并調(diào)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?zhèn)浯旨庸ず途庸つ芰?，可以提供粗加工、預(yù)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(zhì)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(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)都有合理分配承載力和切削力分散的機構(gòu)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(jié)構(gòu)，并通過增加多齒接觸和增大接觸面的設(shè)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(shè)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(fā)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(tài)下實現(xiàn)高主軸轉(zhuǎn)速和高剛性。此外，控制主軸精度、基礎(chǔ)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。總體上，機床整體采用穩(wěn)定的熱對稱結(jié)構(gòu)，采用可靠性比較好的機床主軸頭、主軸、回轉(zhuǎn)擺動工作臺，關(guān)鍵部件提供連續(xù)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(huán)境
航空難加工材料在加工過程中會產(chǎn)生大量的切削熱，從而降低刀具的使用壽命，還會使零件產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力，在加工后甚至在使用過程中產(chǎn)生較大的變形，影響發(fā)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(nèi)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(fā)動機零件裝夾復(fù)雜且易出現(xiàn)異常切削現(xiàn)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(tài)舒適。排屑器需有寬大的排屑口且沒有死角區(qū)域，帶工件噴淋功能的綜合清洗系統(tǒng)，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(yīng)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(qū)域，例如平臺和固定點?？膳渲脿顟B(tài)監(jiān)控機器，預(yù)測組件的潛在故障。
(6)功能強大的控制系統(tǒng)
數(shù)控機床的加工運動是通過控制系統(tǒng)的指令實現(xiàn)的，因此一個穩(wěn)定的、功能強大的控制系統(tǒng)是數(shù)控機床充分發(fā)揮作用的可靠保證，否則數(shù)控機床無異于普通機床。功能強大的控制系統(tǒng)可根據(jù)不同的加工工況，對各運動部位的傳動參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)，對控制行為和數(shù)控路徑規(guī)劃進行詳細的開發(fā)和優(yōu)化，以實現(xiàn)幾何精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的完美結(jié)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(chǎn)品附加值非常高，這類零件的加工質(zhì)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(fù)雜結(jié)構(gòu)與表面特征開發(fā)專機設(shè)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(tǒng)的數(shù)控加工工藝方案和切削方法外，還包括專門開發(fā)CAM系統(tǒng)、加工系統(tǒng)及過程監(jiān)控系統(tǒng)的集成;提供個性化的夾具，設(shè)計單獨的適配器方案，夾爪可針對復(fù)雜表面和預(yù)加工面進行靈活操作，不同夾具之間的基準轉(zhuǎn)換幾何偏差可在系統(tǒng)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(yù)見性特征和動態(tài)預(yù)選提高高速加工時的輪廓精確度;甚至針對不同零件開發(fā)系列化刀具方案。
航空發(fā)動機零件加工對智能化需求的難點和亮點主要體現(xiàn)在工藝過程中，如加工過程的自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動推薦與生成系統(tǒng)，簡化編程、操作智能系統(tǒng)，集成裝/卸單元中的精密定位托盤(3R、Mecatool和Yerly等)，智能監(jiān)控、智能診斷及維修等。[NextPage]
2 典型的金屬切削設(shè)備
(1)葉片加工設(shè)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(fù)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(zhuǎn)中心與刀具主軸的回轉(zhuǎn)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(shè)計比較簡單，但B軸轉(zhuǎn)動角度依靠X、Z軸插補實現(xiàn)，容易產(chǎn)生誤差，適用于扭曲較小的靜子葉片。國內(nèi)秦川機床QMK系列葉片磨削機床也屬于此類結(jié)構(gòu)。
以C.B.Ferrari(C.B.法拉利)A系列、Liechti(利吉特)為代表的B軸回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸回轉(zhuǎn)中心成90°，其中B軸回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一個角度都需要通過X、Z軸插補以調(diào)整刀尖在工作位置;而B軸回轉(zhuǎn)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。
Liechti XL系列可以1g(10m/s2)的加速度準確地進行三維加工，實現(xiàn)葉片前、后緣的大曲率突變復(fù)雜曲面高精度加工，弧形導(dǎo)軌引導(dǎo)機構(gòu)可平衡刀具主軸擺動產(chǎn)生的偏心力矩，立柱前傾20°角，有利于排屑和切削液回流。國內(nèi)北京機電院的XKH系列也屬于B軸回轉(zhuǎn)中心與刀具主軸的回轉(zhuǎn)中心成90°的機床。此外，由于葉片生產(chǎn)量大，國內(nèi)外也競相開發(fā)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(yīng)砂帶磨削設(shè)備等。
這些設(shè)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(fā)展精密成形技術(shù)、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(zhuǎn)換基準，因此需要系列化的統(tǒng)一接口夾具用于加工多種類型葉片，實現(xiàn)葉片零件高效換裝。
(2)機匣加工設(shè)備
機匣加工主要包括環(huán)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。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(nèi)腔T形槽和前后安裝邊采用數(shù)控立車加工;前后安裝邊孔和外型面安裝座、探視孔采用數(shù)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(lián)接孔采用四坐標精密鏜加工。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(fā)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(fù)合加工中心完成蜂窩和涂層修磨。
立式車磨復(fù)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(zhuǎn)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(xiàn)熱補償和運行中的振動監(jiān)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(diào)整較為復(fù)雜，且易變形，還需有硬質(zhì)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(yīng)用范圍，提高單臺設(shè)備的價值;工作臺應(yīng)安裝靜壓推力軸承，回轉(zhuǎn)驅(qū)動由力矩電動機驅(qū)動，確保減振扭轉(zhuǎn)剛度;配置工件觸頭監(jiān)控、過程監(jiān)控、用于工件測量的自動或部分自動動態(tài)平衡。機床床身整體式鑄造，機床各進給軸應(yīng)配置光纖距離測量系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)和CAM應(yīng)該具備數(shù)控路徑粗加工、預(yù)加工、快速加工、精加工和超精加工規(guī)劃開發(fā)和優(yōu)化功能，各進給和回轉(zhuǎn)軸及主軸應(yīng)具備大扭矩提供能力;如果是車/磨復(fù)合機床，應(yīng)帶有軸向聯(lián)鎖，用于在車削過程中鎖定主軸。
立/臥式加工中心，具有優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)特性，并配有緊湊設(shè)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(tǒng)實現(xiàn)高定位精度和高剛度;整體床身與進給軸、回轉(zhuǎn)軸都進行專門的高精度保持性設(shè)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(tǒng)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(qū))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(tǒng)，適用于高效粗加工和無變形精加工，可選裝升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)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(tǒng)保證機匣加工多余物控制;水冷式直驅(qū)工作轉(zhuǎn)臺配置了適合高負載甚至車削作業(yè)的耐磨軸承，可實現(xiàn)B 軸工作姿態(tài)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。
五軸銑車復(fù)合加工中心，各運動部位帶水冷卻系統(tǒng)與高剛性、高精度機床結(jié)構(gòu)相結(jié)合，為使用陶瓷刀具高效車削提供了可能;緊湊設(shè)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(shù);工作臺為帶靜壓推力軸承的力矩電機直驅(qū)轉(zhuǎn)臺，可提供車削時的高轉(zhuǎn)速，同時又能滿足銑削加工時的回轉(zhuǎn)精度。
DMG MORI的duoBLOCK系列高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)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(tài)性能，大幅提高難切削材料零件的表面質(zhì)量。其提供的燃燒室機匣加工解決方案，可以將中間去應(yīng)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(nèi)完成。
(3)整體葉盤加工設(shè)備
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(dǎo)致其加工難度較大。
五軸聯(lián)動數(shù)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(yōu)勢的Liechti機床，各伺服進給和轉(zhuǎn)臺進給可提供1g(10m/s2)的加速度，主軸轉(zhuǎn)速15000r/min，扭矩120Nm，與雙驅(qū)動搖籃A軸協(xié)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(fù)雜曲面制造工藝數(shù)據(jù)庫使其機床功能愈發(fā)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。
整體葉盤加工機床在結(jié)構(gòu)原理上應(yīng)考慮回轉(zhuǎn)運動部件質(zhì)量的最小化與運動平衡，以及載荷分散設(shè)計，所有基架組件均采用可實現(xiàn)最大剛度的FEM分析進行設(shè)計，使設(shè)備具有良好的加工剛度和加速度，從而實現(xiàn)加工參數(shù)突變時的穩(wěn)定切削。
(4)噴嘴加工設(shè)備
航空發(fā)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(nèi)部油路和冷卻回路錯綜復(fù)雜，內(nèi)腔區(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)備完成。傳統(tǒng)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(lián)動加工中心，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(zhì)量提升十分明顯。
燃油噴嘴殼體和桿芯是結(jié)構(gòu)非常復(fù)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(fù)率。通過配置高精度測量系統(tǒng)(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(xiàn)高精高效加工能力;配置扭矩大且適應(yīng)切削轉(zhuǎn)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(tǒng)。
主軸聯(lián)鎖機構(gòu)確保了車削時非旋轉(zhuǎn)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(tǒng)提供臺鉗、筒夾系統(tǒng)或尾座，夾緊裝置中大部分都可以在主軸和對面夾緊系統(tǒng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)序、裝夾找正、中間檢驗的輔助加工時間。
(5)渦輪盤加工設(shè)備
渦輪盤的榫槽、輪緣、輻板、內(nèi)孔、安裝空、安裝止口與花邊等大量復(fù)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(yīng)變速率非常敏感，在高應(yīng)變速率條件下加工容易出現(xiàn)裂紋。粉末渦輪盤加工機床應(yīng)該重點關(guān)注加工效率的提升，加工精度的保證，避免加工缺陷。
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(fù)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(fā)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;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(zhuǎn)速穩(wěn)定回轉(zhuǎn)，保證了小直徑異形成形砂輪獲得理想的切觸點線速度。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(chǎn)，其綜合成本是拉刀和銑刀成本的千分之幾。[NextPage]
3 特種設(shè)備短板與性能
(1)摩擦焊設(shè)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(zhì)量優(yōu)異，尺寸與形位精度高，生產(chǎn)效率高，能耗低，GE公司焊接TF39航空發(fā)動機大截面薄壁零件(φ610mm，壁厚3.8mm)的試件僅為3s。采用摩擦焊工藝的風(fēng)扇盤、高壓壓氣機鼓筒、高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件省去了大量螺栓連接緊固件，并減少了轉(zhuǎn)子在螺栓孔處的截面尺寸。這可以有效消除應(yīng)力集中、提高轉(zhuǎn)子剛性和平衡性、增加各級盤間的斷裂裕度、減輕發(fā)動機轉(zhuǎn)子重量、提高推重比，顯著提高發(fā)動機性能。
但是國內(nèi)尚未開展大慣量(≥24000kgm2)、高轉(zhuǎn)速(≥600r/min)、大頂鍛力(≥1000t)的慣性摩擦焊設(shè)備研制和焊接工藝研究，國際上比較知名的摩擦焊設(shè)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(shè)備，2016年研制出全球最大的慣性摩擦焊設(shè)備。摩擦焊是典型的設(shè)備和工藝緊密結(jié)合的工藝技術(shù)，發(fā)動機的轉(zhuǎn)子設(shè)計結(jié)構(gòu)與摩擦焊工藝參數(shù)緊密相關(guān)，要求設(shè)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(diào)整控制系統(tǒng)與機構(gòu)、高精度的主軸與尾座同步定心旋轉(zhuǎn)隔離機構(gòu)，并能根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對設(shè)備專用主軸和尾座工裝夾具等進行不斷優(yōu)化調(diào)整。此外，摩擦焊設(shè)備在工作中各運動部位和液壓執(zhí)行機構(gòu)承受載荷和沖擊很大，損耗嚴重，因此設(shè)備的耐用度和精度保持性十分關(guān)鍵。
(2)電子束物理氣相沉積設(shè)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(tǒng)，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(fā)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(tài)，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(yīng)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(guī)則即可引發(fā)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(jié)構(gòu)涂層的問題凸顯?？傮w而言，渦輪葉片表面陶瓷面層應(yīng)當(dāng)具有均勻的厚度、穩(wěn)定的柱狀晶結(jié)構(gòu)、良好的界面結(jié)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(jù)電子束物理氣相沉積技術(shù)特點，其設(shè)備應(yīng)當(dāng)重點關(guān)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(zhuǎn)機構(gòu);③零組件基體的均勻預(yù)熱;④高能量電子槍的穩(wěn)定性。
近年來，隨著渦輪葉片熱障涂層在各型號航空發(fā)動機中的普遍應(yīng)用，電子束物理氣相沉積設(shè)備得到了較快發(fā)展。一方面，通過設(shè)置多自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，在一定程度上降低了葉片的遮擋效應(yīng)，優(yōu)化了緣板表面涂層結(jié)構(gòu);另一方面，通過電子束蒸發(fā)仿真研究，在傳統(tǒng)設(shè)備中引入雙電子槍，既能預(yù)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(shè)備原理及噴涂熱障涂層工藝過程及涂層后的渦輪葉片。
(3)復(fù)材零件切削加工設(shè)備
廣泛使用復(fù)合材料是新一代航空發(fā)動機先進性的重要標志之一，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料可用于制備更大、更輕的風(fēng)扇葉片，輕質(zhì)高強樹脂基復(fù)合材料可用于制備風(fēng)扇包容機匣[14]，甚至在進氣機匣、風(fēng)扇靜子葉片、壓氣機靜子葉片都采用樹脂基復(fù)合材料實現(xiàn)減重目標。GEnx發(fā)動機應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料的燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和噴管實現(xiàn)葉片減重2/3，耐溫性提高20%，對耗油率改善的貢獻達30%。應(yīng)用鈦基復(fù)合材料的壓氣機整體葉環(huán)、低壓軸，應(yīng)用鋁基復(fù)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(fā)動機減重效果。
復(fù)合材料零件的連接處、邊緣等位置還需要經(jīng)過鉆孔或者切削加工成形。由于復(fù)合材料的比強度、比彈性模量較金屬高許多倍，其導(dǎo)熱系數(shù)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(zhuǎn)速、較好的主軸密封性能，且不能有任何滴油滴液現(xiàn)象，最好在切削位置配置吸塵裝置;切削環(huán)境全封閉，絲杠、導(dǎo)軌、主軸、工作臺運動部位有專門的密封設(shè)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(fù)材零件多為已成形的薄壁結(jié)構(gòu)件，工作臺應(yīng)配置有自啟動或液壓夾具接口功能，最好能提供專用的環(huán)形件或復(fù)雜曲面薄壁件自適應(yīng)裝夾夾具。
(4)增材制造設(shè)備
航空發(fā)動機中不少零部件采用高性能、高可靠、輕量化整體結(jié)構(gòu)，使得零件結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化和功能結(jié)構(gòu)一體化，傳統(tǒng)加工方式不能滿足設(shè)計快速迭代需求，而增材制造具備制造周期短、小批量生產(chǎn)成本低的特點，較好地解決了發(fā)動機研制階段快速響應(yīng)的難題。
現(xiàn)階段，鋪粉式增材制造設(shè)備在航空發(fā)動機中應(yīng)用較為廣泛，發(fā)展重點有以下幾點：首先，出于對工藝開發(fā)的需求，設(shè)備應(yīng)具備更高的開放水平，參數(shù)可調(diào)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(jié)構(gòu)。其次，大尺寸、多激光束鋪粉成形設(shè)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(yōu)勢，但需注重成形倉風(fēng)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(yīng)力開裂風(fēng)險)。再者，設(shè)備智能流水化是降低成本、提高生產(chǎn)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(shè)備利用率，同時可減少操作人員與粉末的接觸;設(shè)備的智能化將具備更完善的成形過程監(jiān)控功能，不僅僅是現(xiàn)階段單純的拍攝記錄成形過程，還應(yīng)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(shè)備的大批量采用必須建立在設(shè)備穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，減少各設(shè)備間差異才能更好控制成形件質(zhì)量穩(wěn)定性，主要監(jiān)控方面是激光器的光斑大小、出光功率、聚焦能力的穩(wěn)定性，成形空間的一致性。此外，復(fù)雜零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法有效進行表面處理，鑒于現(xiàn)階段成形精度和粗糙度的限制，增減材復(fù)合制造也是一個發(fā)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(zhì)量、粉末利用率低等問題。
(5)微孔精密加工設(shè)備
航空發(fā)動機熱端零件諸如渦輪葉片、燃燒室、渦輪外環(huán)等曲面及復(fù)雜型面高精度零組件表面分布有數(shù)量眾多的超精細微小氣膜冷卻孔，以降低其表面溫度。傳統(tǒng)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(guān)的復(fù)合加工等，但在冶金質(zhì)量、加工精度或加工效率上，愈發(fā)難以滿足高精度氣膜孔加工技術(shù)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(xiàn)象。目前，激光加工技術(shù)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(yīng)用范圍不斷擴大。常見的激光加工技術(shù)包括長脈沖激光加工、超快激光加工和水導(dǎo)激光加工。
火焰筒等薄壁環(huán)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(fù)雜曲面精鑄件通常使用超快激光或水導(dǎo)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(fā)生激光擊傷零件內(nèi)腔的現(xiàn)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(shè)備和加工程序在加工過程中予以自適應(yīng)修正，另一方面需要通過智能檢測系統(tǒng)進行激光控制。綜合考慮熱端零組件的氣膜孔加工技術(shù)指標，激光加工技術(shù)及設(shè)備應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注以下幾點：①長脈沖高能量激光器的穩(wěn)定性;②超快激光和水導(dǎo)激光器的穩(wěn)定性和功率;③配置六點定位和自適應(yīng)加工模塊;④設(shè)備的高定位精度和重復(fù)定位精度;⑤配置高靈敏度的激光穿透檢測系統(tǒng)。
近年來，超快激光器的研制得到顯著提升，功率從數(shù)瓦提升至數(shù)十瓦乃至數(shù)百瓦，使其加工效率大幅提升，工藝裝備也在航空發(fā)動機渦輪葉片中得到應(yīng)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(jiān)測模塊、功率監(jiān)測模塊、終端監(jiān)測模塊、三維自適應(yīng)定位模塊、高精度激光測距模塊等，使得其既能有效應(yīng)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(fā)生的對壁擊傷等問題。[NextPage]
4數(shù)控系統(tǒng)與CAM系統(tǒng)的需求分析
航空發(fā)動機零件的特征多樣性和復(fù)雜性要求機床數(shù)控系統(tǒng)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(zhì)量加工，都要求機床能在極限性能狀況下穩(wěn)定運行，這就需要數(shù)控系統(tǒng)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(fā)生故障。好的數(shù)控系統(tǒng)在極限切削過程中能保持更加穩(wěn)定的加工性能，在遇到各類機械故障時能及時預(yù)防并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，也能比較容易恢復(fù)正常。對機床用戶來說，數(shù)控系統(tǒng)的使用流暢性、穩(wěn)定性和可靠性至為關(guān)鍵。人性化的交互式界面設(shè)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(fā)動機零件的復(fù)雜特征對編程要求很高，好的數(shù)控系統(tǒng)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(nèi)置典型特征參數(shù)推薦和動態(tài)功能，確保高速加工時的輪廓精確度;可根據(jù)加工參數(shù)實時調(diào)節(jié)傳動參數(shù);對于整體葉盤、葉片、噴嘴組件等復(fù)雜型面零件，控制系統(tǒng)與曲面建模工具完美結(jié)合，能夠自動配置優(yōu)化數(shù)控路徑規(guī)劃，進行樣條擬合、包封、修補和邊緣擬合以實現(xiàn)最佳幾何精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率;根據(jù)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(shù)，避免出現(xiàn)接刀痕，能夠自動檢查參數(shù)突變區(qū)域，避免啃刀、咬邊等加工缺陷;配置有集成式后處理程序。
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