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【数控机床 技术】航空发动机加工装备的性能需求与验收关键技术
2020-05-29 悉恩悉机床网

  航空发动机零组件加工不断挑战数控装备的高速度、高精度、高可靠性、高可达性、多功能等性能与功能极限,对加工设备有很多特殊和极端要求,但是目前设备研制和工艺需求还存在匹配性不够的问题。


  本文在分析航空发动机零组件结构与材料特点的基础上,详细阐述了其加工制造对数控装备的共性技术需求、常用的典型金切设备和短板设备的具体性能要求,并对设备验收的流程内容及关键技术做了具体阐述。指出了航空发动机加工装备的发展方向,研制满足航空发动机加工需求的设备可以更好地推动机床工具与装备水平的进步,能够研制和提供该类机床装备的研究者和企业代表着行业最高水平。

一 航空发动机零组件加工特点与装备分析

  航空发动机是由多种类型零部件组成,可以在高温、高压、高转速和不断变换工作状态的恶劣环境中工作的高度复杂和精密的热力机械,追求更轻量化、更大推力、更高可靠性、更长寿命、更低油耗、更低成本是提升航空发动机性能的永恒主题,这也促使发动机结构越来越集成、设计越来越复杂。现代航空发动机设计采用了许多新技术、新材料、新结构来满足苛刻的性能要求,高温和承力结构件多采用整体结构,零件结构复杂、加工精度高,表面粗糙度及表面质量要求高,其先进制造技术对相应的加工机床与装备需求十分迫切。

  目前,世界主要大国在航空制造业方面的竞争极为激烈,封锁与摩擦不断,我国大飞机项目和“两机”专项的上马促进了航空发动机产业的发展,也为机床装备的发展带来了新的机遇和挑战。数控机床的研制和应用首先起源于航空制造业,并伴随着航空制造业的发展而发展。通过相关项目支持,研发出了五轴叶片铣磨加工中心、叶片抛磨机床、机匣五轴铣车复合加工中心等设备,工信部与中国机床工具工业协会也组织了多次航空发动机企业与机床企业对接会,推动“两机”专项与数控机床专项建立长效对接机制,创新协同模式,加速成果转化,实现产学研用深度融合[3,4]。我国的高档数控机床基本实现了由不能做到能做的升级和跨越[5],但整个机床行业正向设计能力、针对用户需求的定制工艺研究及相应的机床设计能力还不足[6],航空发动机制造对数控装备的性能需求有其特殊的地方,机床装备企业如未吃透用户的具体需求就仓促研发设备,其应用推广效应势必受到影响。

  1 航空发动机零组件特点

  新一代航空发动机总共有3万多个零件,涉及230多种不同标准的材料,与加工制造相关的特点具体如下:

  (1)零、组件种类众多

  航空发动机主要零件有叶片、带榫槽轮盘、整体叶盘、轴、环形与鼓筒件、喷嘴组件、齿轮、轴承、紧固件、导管等10大类。如图1所示,叶片分为风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片以及与之对应的静子整流叶片,机匣有风扇包容机匣、压气机机匣、燃烧室机匣、涡轮机匣以及分布在它们之间的级间机匣,有的整流叶片还与机匣整体成形,各类转子叶片都通过榫接结构连接在转子盘上。为了减重增效、提高推重比,压气机前段越来越多采用整体叶盘结构。


图1 航空发动机结构爆炸图

  (2)难加工材料多

  航空发动机大量采用高温合金、钛合金、高强度钢材料,复合材料、工程陶瓷材料等新材料也越来越多地应用到高性能航空发动机上。这些材料的加工性极差,对工艺装备的刚性和切削刀具的要求极其苛刻,还需要大量的特种工艺装备。

  (3)零组件结构复杂

  风扇/压气机/整体叶盘叶片属于典型的自由曲面零件,结构复杂、刚性差,加工过程易变形,需要高性能多轴数控加工设备;风扇/压气机/燃烧室/涡轮/中介机匣需要高精度多轴坐标镗、高精度立式车/磨数控装备、电解或线切割装备;压气机转子组合后叶尖高速磨削和机匣组件高精度立式磨削设备;盘类零件辐板、周向榫槽、轴向深孔等形状复杂,需采用车铣磨复合、拉削、成形磨削等特殊设备或新工艺装备;燃油喷嘴杆芯/活门安装座/外壳油路和冷却型腔复杂,需要增材制造设备,其活门组件很多小微零件的形位公差甚至到亚微米级,需要车铣磨一体复合加工设备;整体叶盘修复需要线性摩擦焊设备,而高压涡轮盘轴组件、高压压气机转子、风扇盘所需要的惯性摩擦焊设备,对发动机减重和提高耐高温性至关重要。

  (4)零件加工精度高

  发动机零件要保证在高温、高速、恶劣环境下可靠工作,需要零件具有良好的配合质量和互换性,一方面对零件的加工精度要求极高,很多零件的精度要求都在微米/次微米级,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,对设备的加工精度及精度保持性要求很高,还要配套相应的精密检测设备,甚至需要多轴多功能复合加工与检测一体的设备来完成。

  (5)多种冷却小孔

  航空发动机涡轮叶片、燃烧室、火焰筒等零组件的冷却小孔每台份多达数十万个,而且是异形精密群孔,尺寸在?0.1-0.3mm,孔的位置呈空间多向分布,其外壁还有涂层。孔的形位精度和孔壁表面质量要求高,常规的钻孔、冲孔方法难以满足要求,需要激光、电子束、电火花等特种加工技术和装备。

  (6)零件表面特种工艺要求多

  为了提高发动机零件的耐磨、防腐蚀、抗疲劳性能,需要采用表面强化、喷涂、喷丸、渗镀等表面处理技术与装备。涡轮导向叶片、燃烧室采用的陶瓷热障涂层,尤其是涡轮叶片表面高温防腐蚀涂层,其工艺及装备始终制约航空发动机的性能。

  2 大型客机航空发动机对装备行程需求分析

  市场占有量较大的三类大型客机主要零件尺寸如下表所示,其设备行程应该分别覆盖其最大零件加工尺寸。

表 典型大型客机发动机


二 航空发动机制造装备的性能需求

  我国航空发动机制造业从引进斯贝发动机开始,并随着上世纪90年代投入了一些型号攻关项目,逐步引进了一些精铸、精锻方面的全套设备,各类金属切削机床,焊接和热处理设备,计量仪器和理化测试仪器等[7],尤其是后来承担了大量RR、GE、PW的外贸转包业务,引进了大量高档数控设备,学习到了很多发动机先进制造技术。经过30多年的学习和自主攻关发展,在数控加工、缓进磨削、拉削、电子束焊、等离子喷镀和各种无损探伤检验等方面的技术和装备都通过反复实践而得到巩固和发展,GE一台发动机80-90%的零件都可以在中国完成加工。但是这些零件大部分都是在国外品牌机床上加工制造的,这类机床主要集中在高档五轴立/卧式加工中心、数控坐标镗加工中心、数控坐标磨削加工中心、立式车磨复合加工中心、高速叶尖磨机床、高精度数控拉床以及各类多功能复合的专用金属切削设备。但是,外贸加工主要集中在冷加工领域,零件和组件加工的特种工艺受制于设备及相应的工艺水平,例如涡轮叶片涂层设备、压气机和高压涡轮转子组件摩擦焊设备、涡轮叶片和火焰筒小微群孔打孔设备等方面。目前,完成特种加工工艺的国产机床设备市场占有率尚待提高,而这些特种工艺恰恰是利润率最高的工序之一。特种工艺装备的提升将有利于降低我国航空发动机制造业的综合成本、提高国产航空发动机的市场竞争力。

  1 设备的共性技术分析

  (1)高刚性、高效率

  航空发动机零件大多采用难加工材料,高效加工常采用强力切削方法,因此对数控机床的刚性要求较高。

  床身和进给系统:一般要求机床基座和床身结构是整体经过动力学仿真与验证的最佳结构,具有±2μm的平面精度,机床直线轴、旋转轴热稳定性好。

  切削主轴:钛合金切削的最佳线速度在200m/min左右,高温合金切削最佳线速度在120m/min,但是航空零件的多特征需要不同直径的刀具,不同阶段的加工需要设定不同的切削深度。这就要求切削主轴可以在较宽的切削速度范围内具备较大的恒扭矩输出能力,高速下主轴刚性要好。对主轴的结构设计、线圈缠绕工艺、冷却润滑系统、密封、轴承及支撑方式等都提出了很高要求,如采用动静压轴承(陶瓷球)保障最低磨损状态下实现高主轴转速,提高刚性,带有顶级的槽口润滑,防漏端面迷宫密封接头可提供良好的空气密封。

  (2)高精度、高动态响应

  航空发动机零件对尺寸精度、几何元素的形位精度要求高,特别是薄壁零件刚性差、加工过程易变形,加工后尺寸和位置度等难以检查,需要一次成形,并采用在机方式进行测量,对数控机床的加工精度要求较高。机床动态性能不足引起的动态误差是高速高精运动过程中影响加工精度的最主要因素之一[8]。通过选择带有光栅尺的全闭环反馈系统和稳定的静压导轨,可保证数控机床具有较高的定位精度和重复定位精度。要求伺服进给具有高加速性和较短的定位及启动时间,对主轴振动、漂移和温度进行实时监控并调整,并具有较好的精度保持性,具有在机检测功能。同时要求一机兼备粗加工和精加工能力,可以提供粗加工、预加工、快速加工、精加工和超精加工等多种功能的最佳配置,以保证工件的高质量和高精度加工要求。

  (3)高可靠性、高精度保持性

  机床的可靠性涉及因素很多,是一个系统问题。从用户角度看,像Starrag(斯达拉格)等精度保持性比较好的机床,其结构设计的各个环节都有合理分配承载力和切削力分散的机构或装置。例如,为避免切削扭力集中,摆动头采用伞齿轮和蜗轮蜗杆结构,并通过增加多齿接触和增大接触面的设计,有效分散切削承载力,从而减缓磨损;主轴和立柱箱有中空的减震和水冷设计,可以衰减振动并减小重载切削变形;工作台和进给轴等装有过载切削保护传感器,在崩刃等突发情况下可以保护机床不受损。采用的主轴静压轴承(陶瓷球)可以在最低磨损状态下实现高主轴转速和高刚性。此外,控制主轴精度、基础件几何精度和各轴的运动精度,可以有效降低非正常磨损造成机床精度衰退[9]。总体上,机床整体采用稳定的热对称结构,采用可靠性比较好的机床主轴头、主轴、回转摆动工作台,关键部件提供连续水冷功能,可以保持机床长期的高可靠性。

  (4)强大的冷却与绿色加工环境

  航空难加工材料在加工过程中会产生大量的切削热,从而降低刀具的使用寿命,还会使零件产生较大的加工应力,在加工后甚至在使用过程中产生较大的变形,影响发动机零件使用的可靠性。因此需要机床具有良好的切削冷却功能,如内冷和水基油基方便切换的高压外冷,带有油雾润滑、液氮冷却、干切削吸尘等功能。

  (5)操作便捷且易于维护

  航空发动机零件装夹复杂且易出现异常切削现象,因此要求机床上下料装夹和找正操作可达性好,采用大尺寸车门和观察窗,窗口工位姿态舒适。排屑器需有宽大的排屑口且没有死角区域,带工件喷淋功能的综合清洗系统,能够适用于湿式或干式加工。

  所有需要定期维护的组件均应易于操作,如过滤器、刮水器等要能易于更换零件。同时,为维护人员提供安全工作区域,例如平台和固定点。可配置状态监控机器,预测组件的潜在故障。

  (6)功能强大的控制系统

  数控机床的加工运动是通过控制系统的指令实现的,因此一个稳定的、功能强大的控制系统是数控机床充分发挥作用的可靠保证,否则数控机床无异于普通机床。功能强大的控制系统可根据不同的加工工况,对各运动部位的传动参数进行实时调节,对控制行为和数控路径规划进行详细的开发和优化,以实现几何精度、表面质量和生产率的完美结合。

  (7)专机化、智能化

  整体叶盘、涡轮叶片、喷嘴组件、涡轮盘、机匣等零件产品附加值非常高,这类零件的加工质量要求高、加工难度很大,而且机械加工往往是最后一道工序,一旦超差将造成整个零件报废,因此针对这类典型零件的复杂结构与表面特征开发专机设备非常必要。

  针对典型零件提供全面综合解决方案,除了传统的数控加工工艺方案和切削方法外,还包括专门开发CAM系统、加工系统及过程监控系统的集成;提供个性化的夹具,设计单独的适配器方案,夹爪可针对复杂表面和预加工面进行灵活操作,不同夹具之间的基准转换几何偏差可在系统中进行自动偏置补偿,并可兼容多种夹具,自动托盘交换装置夹具更换方便;通过预见性特征和动态预选提高高速加工时的轮廓精确度;甚至针对不同零件开发系列化刀具方案。

  航空发动机零件加工对智能化需求的难点和亮点主要体现在工艺过程中,如加工过程的自适应控制、工艺参数自动推荐与生成系统,简化编程、操作智能系统,集成装/卸单元中的精密定位托盘(3R、Mecatool和Yerly等),智能监控、智能诊断及维修等。

  2 典型的金属切削设备

  (1)叶片加工设备

  叶片毛坯目前越来越趋向于近净成形,主要集中在叶身和进排气边复杂曲面的小余量精密成形,其加工余量比较小,因此叶片加工需要采用精密五坐标加工中心。

  以Starrag LX系列为代表的机床,B轴回转中心与刀具主轴的回转中心成45°,刀具主轴重心在其摆动中心上,摆动时比较平衡,机械设计比较简单,但B轴转动角度依靠X、Z轴插补实现,容易产生误差,适用于扭曲较小的静子叶片(图2)。国内秦川机床QMK系列叶片磨削机床也属于此类结构。



a. Starrag LX系列 b. 秦川QMK系列
图2 五轴叶片加工机床(45°摆头)

  以C.B.Ferrari(C.B.法拉利)A系列、Liechti(利吉特)为代表的B轴回转中心与刀具主轴回转中心成90°(见图3),其中B轴回转中心基本与刀具主轴的重心重合的机型,摆动时比较平衡,但B轴每转一个角度都需要通过X、Z轴插补以调整刀尖在工作位置;而B轴回转中心偏离刀具主轴重心,与刀尖部位基本重合的机型,B轴摆动时不需要插补或者插补量非常小[11],有利于在前后缘等曲率变化剧烈的部位加工时提供更高的机床加速度。


图3 五轴叶片加工机床(90°摆头)

  Liechti XL系列可以1g(10m/s2)的加速度准确地进行三维加工,实现叶片前、后缘的大曲率突变复杂曲面高精度加工,弧形导轨引导机构可平衡刀具主轴摆动产生的偏心力矩,立柱前倾20°角,有利于排屑和切削液回流(见图4)。国内北京机电院的XKH系列也属于B轴回转中心与刀具主轴的回转中心成90°的机床。此外,由于叶片生产量大,国内外也竞相开发了一些多主轴、多工位的机床,可以同时加工两个以上的叶片;还有用于精锻叶片进排气边、叶根和阻尼台加工的自适应砂带磨削设备等。


图4 五轴叶片加工机床(90°摆头、带倾角)

  这些设备可以有效提高精密成形的压气机叶片加工效率和加工精度,有利于发展精密成形技术、提升压气机性能。目前叶片加工的精度已大幅提升,未来的研究将主要集中在降本增效方面。此外,叶片加工时由于基准远离叶身,并频繁转换基准,因此需要系列化的统一接口夹具用于加工多种类型叶片,实现叶片零件高效换装(见图5)。


图5 叶片加工夹具

  (2)机匣加工设备

  机匣加工主要包括环形锻件毛坯的余量去除、两端安装止口、周向多特征岛屿、凸台以及孔加工(见图6)。机匣壳体外型面通常采用四、五坐标加工中心进行铣加工;内腔T形槽和前后安装边采用数控立车加工;前后安装边孔和外型面安装座、探视孔采用数控钻镗床或四、五坐标加工中心铣加工;对开机匣水平安装边螺栓联接孔采用四坐标精密镗加工[12]。尺寸小的机匣适于采用立式加工中心,尺寸大的机匣适于卧式加工中心。此外,以某型航空发动机为例,机匣和蜂窝组合件还需要Z向行程在1200mm以上的立式车磨复合加工中心完成蜂窝和涂层修磨。


图6 机匣种类与结构(a、b、c为环形机匣,d为对开机匣)

  立式车削/磨削设备:如图7,上述立式车磨复合加工中心需配备3个以上功率大于45kW的水冷磨削主轴,最高转速可大于16000 r/min,满足不同机匣止口和端面以及蜂窝磨削,主轴轴承布置有温度传感器,可实现热补偿和运行中的振动监测;需配置修整单元、砂轮自动更换装置以及工件测量装置,可在无中断的情况下完成单件和组件整体加工;由于机匣零件和组件的安装和工位调整较为复杂,且易变形,还需有硬质合金镗削和工件测量的附加选项,使机床加工工序尽量集中,同时扩大应用范围,提高单台设备的价值;工作台应安装静压推力轴承,回转驱动由力矩电动机驱动,确保减振扭转刚度;配置工件触头监控、过程监控、用于工件测量的自动或部分自动动态平衡。机床床身整体式铸造,机床各进给轴应配置光纤距离测量系统实现高定位精度,满足高同轴度和轴向跳动精度;机匣车削余量较大,止口精度要求高,控制系统和CAM应该具备数控路径粗加工、预加工、快速加工、精加工和超精加工规划开发和优化功能,各进给和回转轴及主轴应具备大扭矩提供能力;如果是车/磨复合机床,应带有轴向联锁,用于在车削过程中锁定主轴。


图7 立式车/磨设备

  立/卧式加工中心:如图8,具有优良的静态和动态特性,并配有紧凑设计大扭矩双摆头,双摆头(A轴)滑枕安装在双滚柱轴承丝杠上,并配置光纤测量系统实现高定位精度和高刚度;整体床身与进给轴、回转轴都进行专门的高精度保持性设计;切削主轴具有良好的钛合金/高温合金切削速度/扭矩特征曲线,主轴直通冷却系统可以提供水基或油液的高压冷却(压力最大为10Mpa,尽可能接近于切削区)以延长刀具寿命进而提高零件的一致性;可提供定制化的机匣液压或真空耦合装夹系统,适用于高效粗加工和无变形精加工,可选装升降旋转系统进行快速托盘交换,大幅度控制加工变形并缩短装夹和找正等辅助时间;高效的排屑器和带工件喷淋功能的综合清洗系统保证机匣加工多余物控制;水冷式直驱工作转台配置了适合高负载甚至车削作业的耐磨轴承,可实现B 轴工作姿态液压夹紧,提高切削刚性和精度。链式刀库和可容纳 60-80把刀具满足机匣加工多种刀具需求,刀具最大直径为325mm(T型刀具可达500mm)且长度达800mm,换刀时间短。


图8 五轴立/卧加工中心

  五轴铣车复合加工中心:如图9,各运动部位带水冷却系统与高刚性、高精度机床结构相结合,为使用陶瓷刀具高效车削提供了可能;紧凑设计的高扭矩万能双摆头可以更好地到达机匣各岛屿凸台腔、槽、孔加工位置;多个不同切削范围的电主轴可快速更换,方便粗/精加工、车/铣加工都能提供最佳切削参数;工作台为带静压推力轴承的力矩电机直驱转台,可提供车削时的高转速,同时又能满足铣削加工时的回转精度。


图9 五轴铣车复合加工中心

  DMG MORI的duoBLOCK系列高稳定性结构的五轴加工中心,扭矩达1800Nm的主轴提供高性能、高精度的加工能力,机床精度达4μm,进给速度达60000mm/min的高动态性能,大幅提高难切削材料零件的表面质量。其提供的燃烧室机匣加工解决方案,可以将中间去应力热处理工序之外的所有工序在一台机床上完成,而且将九道工序缩减到六道,大幅缩短辅助加工时间,燃烧室外机匣总加工时间可以在60个小时内完成。

  (3)整体叶盘加工设备

  如图10,整体叶盘叶片之间的流道开敞性差,叶片型面为空间自由曲面,叶身型面加工精度要求高,且材料为钛合金或高温合金,导致其加工难度较大。


图10 整体叶盘加工示意

  五轴联动数控铣削/磨削是整体叶盘加工所广泛采用的有效手段,但能够高效高精度加工整体叶盘的机床并不多,如图11为整体叶盘加工常用的机床。在整体叶盘加工方面具有独到优势的Liechti机床,各伺服进给和转台进给可提供1g(10m/s2)的加速度,主轴转速15000r/min,扭矩120Nm,与双驱动摇篮A轴协同工作可提供整体叶盘加工所需功率和性能;所提供的 TURBOSOFT plus CAM软件,以及日益扩充的复杂曲面制造工艺数据库使其机床功能愈发强大;尤其是可以提供进排气边加工时剧烈曲率突变所需的高加速度和高刚性,满足了对气动性能有重要影响的进排气边加工精度要求。


a. 工作台单驱摆动五轴机床
b.摇篮式五轴机床及CAM软件
c.摆头式五轴机床
图11 整体叶盘加工机床结构

  整体叶盘加工机床在结构原理上应考虑回转运动部件质量的最小化与运动平衡,以及载荷分散设计,所有基架组件均采用可实现最大刚度的FEM分析进行设计,使设备具有良好的加工刚度和加速度,从而实现加工参数突变时的稳定切削。

  (4)喷嘴加工设备

  如图12,航空发动机燃油喷嘴主要由外壳、杆芯、活门组件、旋流芯组件等组成。喷嘴杆芯内部油路和冷却回路错综复杂,内腔区空间狭小、长径比大且形位公差要求严格,加工中需要对异形特征精确定位并基准转换;活门壳体类零件体积小且包含大量异形型面和岛屿,还要求与回转基体之间有很高的形位公差,活门杆、活门缸等小微零件对于同轴度、轮廓度和表面粗糙度要求非常高;旋流芯与杆芯上包含大量微孔与微槽类特征在加工中极易超差;此外还有很多小微孔需要电火花和激光打孔设备完成。传统的加工都是在车床、三轴加工中心和四轴/五轴加工中心上分别完成,中间检验还要拆卸后再次装夹找正。随着机床工具的进步,具备七个进给轴和三个切削主轴的五轴联动加工中心(见图13),可对喷嘴系列零件进行车削、铣削和研磨的集成加工,可以一次装卡完成燃油喷嘴零件的大部分机械加工,效率和质量提升十分明显。


图12 燃油喷嘴结构

  燃油喷嘴壳体和杆芯是结构非常复杂的六面体都有加工特征的部件,各进给轴配置直线电机(220-400Nm)可在加工部件时确保最大精度和可靠的重复率。通过配置高精度测量系统(分辨率1/100μm)、快速直线电机(加速度1.1 g,速度50 m/min)、以及易热部位充分的冷却回路,可实现高精高效加工能力;配置扭矩大且适应切削转速范围广的恒扭矩高速主轴(150000r/min),能够车削和铣削高温合金部件,而且通过不同的研磨盘(尺寸0. 5 - 80mm)还可以进行干式研磨;配置换刀装置,配置丰富的夹紧系统。

  主轴联锁机构确保了车削时非旋转刀具准确的机械分度,将铣磨主轴的动静压轴承分离,分散了通过主轴箱的加工振动和负载。

  配置在机检测探头、主轴探头,车削主轴对面夹紧系统提供台钳、筒夹系统或尾座,夹紧装置中大部分都可以在主轴和对面夹紧系统之间进行互换,而且排屑装置流畅,铸铁机床基座和行程柱有效消除了振动。这些都有助于燃油喷嘴复杂结构零件和小微活门零件加工的高精度和一致性,以及更好的表面粗糙度,并大幅缩减了转序、装夹找正、中间检验的辅助加工时间。

图13 小微零件加工多轴复合机床结构


  (5)涡轮盘加工设备

  如图14,涡轮盘的榫槽、轮缘、辐板、内孔、安装空、安装止口与花边等大量复杂特征需要机械加工完成,而且涡轮盘材料多为粉末冶金材料或变形高温合金材料,面临加工变形问题突出、加工效率极低、表面完整性不易保证等重要难题,尤其粉末冶金材料对应变速率非常敏感,在高应变速率条件下加工容易出现裂纹。粉末涡轮盘加工机床应该重点关注加工效率的提升,加工精度的保证,避免加工缺陷。


图14 涡轮盘结构

  涡轮盘辐板、轮缘、安装边及孔加工需要高刚性的车削加工中心或车磨复合加工中心,涡轮盘榫槽加工需要高刚性高速拉削机床;近年来开发出多层包套镀镍线丝减小放电切割工艺重铸层影响的线切割机床,提高了线切割加工高温合金榫槽的可行性(如图15);目前,高刚性的多轴磨床性能大大提高,电镀金刚石超硬磨料砂轮的研制取得巨大进步,能够以超过50000 r/min的转速稳定回转,保证了小直径异形成形砂轮获得理想的切触点线速度[13]。由此,使得“线切割+磨削”榫槽加工成为可能。尤为重要的是,超硬磨料磨粒砂轮的价格非常便宜,而且便于定制,如果大批量生产,其综合成本是拉刀和铣刀成本的千分之几。


图15 涡轮盘榫槽加工设备(拉削、线切割)

  3 特种设备短板与性能

  (1)摩擦焊设备

  惯性摩擦焊是适用于粉末高温合金零件焊接的唯一可行手段,其焊接接头质量优异,尺寸与形位精度高,生产效率高,能耗低,GE公司焊接TF39航空发动机大截面薄壁零件(φ610mm,壁厚3.8mm)的试件仅为3s。如图16所示,采用摩擦焊工艺的风扇盘、高压压气机鼓筒、高压涡轮转子组件省去了大量螺栓连接紧固件,并减少了转子在螺栓孔处的截面尺寸。这可以有效消除应力集中、提高转子刚性和平衡性、增加各级盘间的断裂裕度、减轻发动机转子重量、提高推重比,显著提高发动机性能。


图16 采用摩擦焊工艺的转子组件

  但是国内尚未开展大惯量(≥24000kgm2)、高转速(≥600r/min)、大顶锻力(≥1000t)的惯性摩擦焊设备研制和焊接工艺研究,国际上比较知名的摩擦焊设备和工艺提供商是美国的MTI公司,2014年制造出全球最先进的自动化惯性摩擦焊设备(见图17),2016年研制出全球最大的惯性摩擦焊设备。摩擦焊是典型的设备和工艺紧密结合的工艺技术,发动机的转子设计结构与摩擦焊工艺参数紧密相关,要求设备具有极高的轴向位置和跳动精度、专用的主轴和尾座工装夹具、精确随动的工件位置调整控制系统与机构、高精度的主轴与尾座同步定心旋转隔离机构,并能根据转子结构对设备专用主轴和尾座工装夹具等进行不断优化调整。此外,摩擦焊设备在工作中各运动部位和液压执行机构承受载荷和冲击很大,损耗严重,因此设备的耐用度和精度保持性十分关键。


图17 MTI全自动化惯性摩擦焊

  (2)电子束物理气相沉积设备

  高压涡轮叶片的型面和缘板等部位需要涂覆热障涂层系统,以降低叶片表面温度,延长其服役寿命。电子束物理气相沉积是一种视线沉积方法,其在高真空中利用高能量电子束汇聚熔化并蒸发陶瓷靶材,蒸汽在零件表面上方达到最大密度并在基体表面沉积为固态,形成垂直于基体表面的柱状涂层。陶瓷涂层对缺陷和边缘效应较为敏感,在实际服役过程中,往往较小的飞溅点和边缘不规则即可引发热障涂层的大面积剥落。此外,随着涡轮前温度提升,叶片缘板不易沉积柱状结构涂层的问题凸显。总体而言,涡轮叶片表面陶瓷面层应当具有均匀的厚度、稳定的柱状晶结构、良好的界面结合力和表面粗糙度。

  面向涡轮叶片热障涂层在实际服役中的问题,根据电子束物理气相沉积技术特点,其设备应当重点关注:①电子束对靶材熔池的精确扫描控制;②多维度且与蒸汽云匹配的零件旋转机构;③零组件基体的均匀预热;④高能量电子枪的稳定性。

  近年来,随着涡轮叶片热障涂层在各型号航空发动机中的普遍应用,电子束物理气相沉积设备得到了较快发展。一方面,通过设置多自由度旋转机构,在一定程度上降低了叶片的遮挡效应,优化了缘板表面涂层结构;另一方面,通过电子束蒸发仿真研究,在传统设备中引入双电子枪,既能预热零件基体至900-1000℃,又可加热陶瓷靶材,涂层整体性能得到了一定程度提升,如图18为涡轮叶片涂层设备原理及喷涂热障涂层工艺过程及涂层后的涡轮叶片。


图18 涡轮叶片及涂层设备

  (3)复材零件切削加工设备

  广泛使用复合材料是新一代航空发动机先进性的重要标志之一,碳纤维增强树脂基复合材料可用于制备更大、更轻的风扇叶片,轻质高强树脂基复合材料可用于制备风扇包容机匣[14],甚至在进气机匣、风扇静子叶片、压气机静子叶片都采用树脂基复合材料实现减重目标。GEnx发动机应用陶瓷基复合材料的燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和喷管实现叶片减重2/3,耐温性提高20%,对耗油率改善的贡献达30%。应用钛基复合材料的压气机整体叶环、低压轴,应用铝基复合材料的低压压气机和外涵部件替换铝合金可以显著提高发动机减重效果。

  复合材料零件的连接处、边缘等位置还需要经过钻孔或者切削加工成形。由于复合材料的比强度、比弹性模量较金属高许多倍,其导热系数为金属的几十、几百分之一,含有SiO2、碳化硅、碳化硼及陶瓷等高硬度的纤维或颗粒,因此切削过程中粉尘污染大,刀具磨损快,适宜高速、轻载、锋利切削。要求切削机床主轴能够提供足够高的转速、较好的主轴密封性能,且不能有任何滴油滴液现象,最好在切削位置配置吸尘装置;切削环境全封闭,丝杠、导轨、主轴、工作台运动部位有专门的密封设计,防止粉尘对机床运动位置配合面造成污染,降低机床的损耗与故障率;由于复材零件多为已成形的薄壁结构件,工作台应配置有自启动或液压夹具接口功能,最好能提供专用的环形件或复杂曲面薄壁件自适应装夹夹具。

  (4)增材制造设备

  航空发动机中不少零部件采用高性能、高可靠、轻量化整体结构,使得零件结构趋向复杂化和功能结构一体化,传统加工方式不能满足设计快速迭代需求,而增材制造具备制造周期短、小批量生产成本低的特点,较好地解决了发动机研制阶段快速响应的难题。

  现阶段,铺粉式增材制造设备在航空发动机中应用较为广泛,发展重点有以下几点:首先,出于对工艺开发的需求,设备应具备更高的开放水平,参数可调性更高,例如严重制约成形件尺寸极限的激光光斑直径若能控制在0.05mm或者更小,才能更好成形小于0.1mm的壁厚结构。其次,大尺寸、多激光束铺粉成形设备无论在降低单件成本还是成形大尺寸零件层面都具有优势,但需注重成形仓风场和氧含量控制,以及一定的加热保温能力(降低成形过程热应力开裂风险)。再者,设备智能流水化是降低成本、提高生产效率的最有效手段,各部分的模块化不仅会减少零件收取、成形准备等的待机时间,极大提高设备利用率,同时可减少操作人员与粉末的接触;设备的智能化将具备更完善的成形过程监控功能,不仅仅是现阶段单纯的拍摄记录成形过程,还应具备异常情况报警提示甚至简单问题自主处理能力。最后,增材制造设备的大批量采用必须建立在设备稳定可靠的基础上,减少各设备间差异才能更好控制成形件质量稳定性,主要监控方面是激光器的光斑大小、出光功率、聚焦能力的稳定性,成形空间的一致性。此外,复杂零件内部结构无法有效进行表面处理,鉴于现阶段成形精度和粗糙度的限制,增减材复合制造也是一个发展方向,但重点需解决加工带来的变形、金属屑污染粉末材料以及影响铺粉质量、粉末利用率低等问题。

  (5)微孔精密加工设备

  航空发动机热端零件诸如涡轮叶片、燃烧室、涡轮外环等曲面及复杂型面高精度零组件表面分布有数量众多的超精细微小气膜冷却孔,以降低其表面温度。传统的微孔加工方法包括机械钻削加工、电火花穿孔加工、电液束射流加工以及相关的复合加工等,但在冶金质量、加工精度或加工效率上,愈发难以满足高精度气膜孔加工技术要求。此外,此类热端零组件表面通常涂覆有热障涂层,以隔绝高温燃气,进一步降低表面温度。先进工艺方法通常选择先涂层后制孔方案,以避免涂覆热障涂层工艺过程中造成的锁孔和堵孔现象。目前,激光加工技术由于对材料去除无选择性,且加工精度及可靠性高,因而其应用范围不断扩大。常见的激光加工技术包括长脉冲激光加工、超快激光加工和水导激光加工。

  火焰筒等薄壁环形锻件通常使用长脉冲激光加工,加工过程中由于激光能量高会引起薄壁零件局部变形。高压涡轮叶片等复杂曲面精铸件通常使用超快激光或水导激光加工,但由于铸造误差,在气膜孔定位和解析过程中造成加工位置度偏移等问题,且由于零件存在极狭窄空腔,易发生激光击伤零件内腔的现象,异形角度微孔加工难度尤其大。解决以上问题,往往一方面需要设备和加工程序在加工过程中予以自适应修正,另一方面需要通过智能检测系统进行激光控制。综合考虑热端零组件的气膜孔加工技术指标,激光加工技术及设备应当重点关注以下几点:①长脉冲高能量激光器的稳定性;②超快激光和水导激光器的稳定性和功率;③配置六点定位和自适应加工模块;④设备的高定位精度和重复定位精度;⑤配置高灵敏度的激光穿透检测系统。

  近年来,超快激光器的研制得到显著提升,功率从数瓦提升至数十瓦乃至数百瓦,使其加工效率大幅提升,工艺装备也在航空发动机涡轮叶片中得到应用。此外,长脉冲激光加工装备和超快激光加工装备均集成了穿透监测模块、功率监测模块、终端监测模块、三维自适应定位模块、高精度激光测距模块等,使得其既能有效应对铸造和加工带来的零件尺寸偏差,又可在一定程度上避免激光加工易发生的对壁击伤等问题。



a.五轴超快激光制孔设备 b.六轴长脉冲激光制孔设备
图19 微孔精密加工设备

  4 数控系统与CAM系统的需求分析

  航空发动机零件的特征多样性和复杂性要求机床数控系统在功能选择方面要更加多样化。叶盘进排气边、喷嘴小微活门组件、盘类榫槽以及难加工材料的高效、高表面质量加工,都要求机床能在极限性能状况下稳定运行,这就需要数控系统提供强大的功能支撑。由于长期在极限性能的恶劣工况下工作,机床就容易发生故障。好的数控系统在极限切削过程中能保持更加稳定的加工性能,在遇到各类机械故障时能及时预防并采取相应的应急措施,也能比较容易恢复正常。对机床用户来说,数控系统的使用流畅性、稳定性和可靠性至为关键。人性化的交互式界面设计、丰富的功能配置和支持多种接口与标准的兼容性更容易提高操作者的使用粘性。航空发动机零件的复杂特征对编程要求很高,好的数控系统与专用的CAM软件集成在一起更容易获得用户认可。

  智能化的CAM功能,内置典型特征参数推荐和动态功能,确保高速加工时的轮廓精确度;可根据加工参数实时调节传动参数;对于整体叶盘、叶片、喷嘴组件等复杂型面零件,控制系统与曲面建模工具完美结合,能够自动配置优化数控路径规划,进行样条拟合、包封、修补和边缘拟合以实现最佳几何精度、表面质量和生产率;根据余量分布自动匹配粗加工策略,自动推荐精加工中型面搭接参数,避免出现接刀痕,能够自动检查参数突变区域,避免啃刀、咬边等加工缺陷;配置有集成式后处理程序。

三 航空发动机制造装备验收现状与关键技术

  1 验收流程

  设备选型:这个阶段是设备厂商了解用户需求的重要阶段,是保证设备满足后期使用要求的前提。机床企业的设计代表和航空用户的工艺代表应进行多轮次的技术交流,将设备的功能、性能、配置、数控系统、精度、使用便捷性、可靠性等逐项落实。如果是重要设备,要专门设计样件进行试切加工,对功能和性能可行性进行验证,最终形成指导设备选型的《技术规格书》。对于新研制设备,探索机床企业与航空用户企业关键技术人员交叉任职、较长时期交流办公等深度融合的工作机制,有利于推动高端机床与航空发动机制造的匹配发展。

  招标投标:由设备厂商的销售代表和航空用户的商务代表依据《技术规格书》和招投标法规完成。

  技术协议:对设备的用途、功能、结构形式、主要技术指标、安装要求、关键部件配置、验收执行标准、供货范围及其他特殊要求做出约定,形成《技术协议》。

  合同签订:由设备厂商的销售代表和航空用户的商务代表依据《技术协议》和合同法规完成。

  设备预验收:这是至关重要的环节,尤其对于有特殊要求的设备,应该将特殊的性能要求充分进行加工验证,如有必要甚至可以创新性地设计新的验收标准。预验收主要检查、验证所购置的机床能否满足自身产品的加工质量及生产效率要求,提供的资料、备附件等是否齐全,具体内容根据《技术协议》中的要求。需要注意的是:机床通过正常运行试加工并经整体检验合格后,购置方才能进行预验收工作,预验收通过后可以向用户厂家发运机床。

  设备终验收:主要包括到货后开箱验收、安装过程验收、安装后总体验收。对于分体运输的大型设备,在用户场地对经过长途运输后的各部件安装组合精度进行恢复调试更有利于机床的精度保证和运输隐患排查。机床验收时的所有验收记录都应有签字确认,并交由用户设备主管部门保管存档。

  2 验收内容

  航空发动机数控机床与装备的验收是指利用高精度仪器对机床本身的机械、电路、液压和气动装置等各系统进行综合使用性能、单项使用性能和静态及动态精度检测的过程,最后给出本机床性能的综合评估。验收的项目主要有以下五部分内容。

  (1)机床外观功能检测

  主机及各零部件有无磕碰损伤、锈蚀等现象;各系统的动作试验、空载/负荷运转试验。

  (2)机床几何精度检测

  各运动轴相对工作台移动的直线度、平行度、垂直度、平面度、跳动等,对于机床的几何精度和定位精度检测要打开后台补偿,查阅机床精度补偿量,对于补偿较大的应要求进行硬件调整或更换。

  (3)机床位置精度检测

  机床各驱动轴在数控系统控制下的定位精度、重复定位精度、反向差值、原点的复位精度、位置偏差及定位系统偏差等。一般推荐采用VDI/ DGQ 3441,GB/T17421.2,ISO 230 –2等标准。

  (4)机床工作精度检测

  对于车削机床、四轴以下机床的工作精度检测一般推荐NAS试件,如果切削难加工材料或者有其它特殊要求,可适当增加未来需加工的典型特征试件;对于五轴机床除了NAS试件外,应针对性设计可检测外圆与内孔同轴度、圆度、倾斜角度、钻/镗孔精度及各尺寸精度等的试件;对于航空发动机难加工材料所用机床,主轴的扭矩、功率、转速要符合加工工况的扭矩/功率/转速曲线图,不能以单个指标去衡量切削性能;尤其对于工作刚度和动态性能会有针对性的验收措施。

  (5)机床综合性能检测

  机床软件程序导入导出及后处理匹配性;机床负载一定周期下的可靠性与精度保持性;装夹找正、上下料、维护保养操作便捷性。

  3 存在问题与关键技术

  新出厂的数控机床与装备在检验时仅把机床本身的几何与位置精度、加工精度作为考核测试的标准是远远不够的,必须对机床综合精度和动态响应特性、连续运转时间、系统稳定性及机床温升等各项指标做出全面的检测。只有这样做才能够保证高速切削数控机床今后加工性能的稳定度[15]。美国航空航天局于1969年发布了NAS 979标准,这也是此前唯一被行业公认的试件标准。然而大量的实践表明,NAS五坐标锥台检测试件加工时始终处于开角加工区域,不能准确反映机床的综合精度。传统精度检测仪器如激光干涉仪、双球杆仪、激光跟踪仪等对多轴联动误差和动态误差检验的局限性逐步显现。近年来S型试件、RTCP检验方法逐渐得以推广和应用,有效弥补了五轴机床加工航空难加工材料时工作性能检测的短板。此外,航空发动机企业对于专用或者复杂的机床装备还要设计专门样件,进行样件加工,它是对机床从设计到制造再到安装调试的质量和性能的总体检验,直接关系到机床装备的功能、加工精度和综合加工能力的可靠性。

  (1)S型试件检测

  NAS试件主要对机床的几何精度敏感,而对动态精度不敏感,按照此标准验收的五轴机床在加工飞机结构零件复杂曲面时,大量出现过切、欠切、表面严重波纹等情况。为此,由中国主持修订、由中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司基于航空制造经验及多年自主深入研究成果提出的,ISO10791-7: 2020《加工中心检验条件第7部分:精加工试件精度检验》国际标准,获国际标准化组织(ISO)批准正式发布,成为国际标准 [16]。如图20所示,试件由S形走向的扭曲曲面形成的等厚度缘条和矩形底座组成。S型缘条由上下两个平面上的四条S形曲线相互交叉构成。由于缘条与底平面的夹角连续变化,在连续加工S型曲面缘条两侧时,可检查五轴数控机床连续变轴加工零件表面时的粗糙度、厚度、轮廓误差等,检验机床开、闭角转换时的性能,更好地反映多轴加工中各运动部件的综合精度和动态响应特性,更能体现航空薄壁件的机床加工性能。在图20中,直纹面A由两条准均匀三次B样条曲线定义,这两条B样条曲线分别由两组控制点即Mi(i=0-11)和Ni(i=0-11)定义。与直纹面A相似,直纹面B也由两条准均匀三次B样条曲线进行定义,两条样条线分别由两组控制点Pi(i=0-11)和Qi(i=0-11)定义[17]。


图20 S型试件(直纹面A和B)

  (2)RTCP精度检验

  随着用于检测刀具中心点空间位置误差的R-test测量仪的研究成熟,可通过三个位移传感器测量球头空间位置配合机床刀尖跟随功能(Rotation Tool Centre Point,RTCP),快速检测多轴联动时的刀具中心点空间运动误差。R-test测量装置的性能主要取决于测量范围和测量敏感度,应该选择较大测量半径和较高测量敏感度的测量仪[18]。目前,ISO10971-6国际标准中针对双摆头五轴机床的RTCP检测用AK4轨迹,操作简单,无须编写检测数控代码,但无法反映出航空发动机零件曲面突变加工时所需的机床动态性能,在RTCP 检测轨迹的规划过程中,应采用更加复杂的函数或通过选取点位进行样条拟合的方式生成检测轨迹(如S型轨迹),以提升检测性能[19]。


图21 RTCP精度检测

  (3)样件设计与检测

  航空发动机零件对于机床的刚度、特殊工位行程可达性、难加工材料切削性、使用便捷性等有苛刻要求。设计与真实零件特征相似的样件,观察样件加工过程后置处理、刀具路径规划、路径光顺、误差检测与补偿、原位测量与自适应补偿的各功能的运行状况[20],检测加工样件的精度可以有效评价机床的使用性能。

  综上,对于航空发动机零件加工的关键设备,用传统检测仪器进行几何精度和位置精度检测;对于多轴机床要进行S形试件加工和RTCP精度检查;对于精加工或难加工材料切削机床要设计专门样件进行工作精度检查。

  4 验收项目与流程

  重要的机床与设备采购要经过以下九大环节才能完成验收(见图22),机床设计人员应该在设备选型伊始就充分参与进来,并与机床使用的工艺人员充分交流,摸透用户需求;在机床使用工艺人员要选择合适的验收标准,对机床所需的性能进行充分检验。


图22 验收流程逻辑图

  结论

  综上所述,本文根据航空发动机零件结构的复杂特点和加工中的特殊要求,对所需的关键短板装备性能特点进行分析。通过总结航空发动机的设备选型、性能提升改造、验收与使用经验,得到以下结论:

  (1)对于航空发动机所需的关键与瓶颈装备,应充分发挥“用、产、学、研”机制,由用户牵头,设备企业、高校和研究机构参与,研制之初就吃透工艺需求,共同攻关,新开发的机床应经过大量机床测试,通过几轮迭代创造出符合先进航空发动机工艺需求的新装备。

  (2)航空发动机研制生产准备周期长,需要的工艺装备品种多,要求高。而且发动机还需要不断更新换代,具有典型的多品种小批量特征,尤其是特种加工设备,批量不大。对于这些难度高、投资大、批量小的工艺装备需要国家项目大力支持。

  (3)机床设计应重点关注结构功能一体化、多种工艺复合机床的研制,关注本文提出的共性技术性能提升。同时,机床设计者和机床使用者应该大胆创新,敢于提出新标准,与行业协会和各级标准化组织共同推动建立高端机床中国标准。

  (4)对于粉末冶金难加工材料高效切削、复合材料切削加工、复杂型面(如涡轮盘榫槽等)电加工和磨削加工、激光打孔(单晶叶片气膜孔)、增材制造等设备和验收标准,还有待进一步开发和研究。

来源:《世界制造技术与装备市场(WMEM)》

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