航空发动机零部件精密制造技术

摘 要：航空发动机关键零部件的精密制造技术一直是我国高性能航空发动机研制的瓶颈。文章深入分析了航空发动机关键零部件的典型制造技术，对精密制坯、高效切削、抗疲劳制造、特种加工以及复合材料构件加工技术进行了总结，并给出了其发展方向。

关键词：航空发动机；精密制坯；高效切削；抗疲劳制造

中图分类号：V262.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0157-04

Abstract： The precision manufacturing technology of the key components of aero-engine has been the bottleneck of the development of high-performance aero-engine in our country. This paper analyzes the typical manufacturing technology of the key components of aero-engine， summarizes the technologies of precision billet making， high-efficiency cutting， anti-fatigue manufacturing， special machining and processing of composite components， and gives the development direction of these technologies.

Keywords： aero-engine； precision blanking； high efficiency cutting； anti-fatigue manufacturing

航空制造集聚了大量的高新制造技術，其制造过程对制造设备、工艺、执业人员素质等要求极高；航空发动机被誉为飞机的“心脏”，是研发制造难度最大最顶级的现代工业造物，其制造技术的进步对航空制造乃至整个制造业的发展起着决定性的作用。航空发动机的设计研发难度极大，在保证人力及资本投入的情况下，一个型号的发动机从开始研发到技术成熟大概需要三十年的时间，为此，美国将航空发动机技术定义为“一个高技术要求、高准入门槛的领域，它需要以国家的力量充分扶持，需要长时间的技术积累以及巨大的资本投入”。目前，几大航空强国都将航空发动机产业归为核心技术产业，对内在新一代航空发动机研制方面投入了大量的资金和人力，规划并实施了一系列技术研发计划，如“综合高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET）”、“先进战术战斗机发动机设计计划（ATFE）”、英法合作军用发动机技术计划（AMET）及ADVENT计划等，以此来推进航空发动机的升级换代；并对外实行技术封锁。我国目前的航空发动机技术与世界先进水平差距较大，为解决目前国内航空产业“外国心”的问题，国家新成立了“两机专项”，对航空发动机的研制投入大笔资金用于技术攻关、人才培养以及产业链的形成。

高性能航空发动机追求的是在极有限的自身重量与工作空间、极恶劣的工作条件下保证长期稳定的服役性能，其制造技术要求极高，是一种极端制造情形。为达到高的推重比性能要求，航空发动机大量采用复杂的整体轻量结构，如空心叶片、宽弦叶片、整体叶盘等，以做到最大程度的减重；同时高性能的钛合金、高温合金以及复合材料也大量应用，而这些材料都属于典型的难加工材料；另外航空发动机关重件多属于复杂型面薄壁零件，对加工精度和表面质量的要求极高。这都要求航空发动机制造企业需要有大量的、长期的技术储备才能完成航空发动机的制造任务。本文将针对航空发动机零部件的典型制造技术进行阐述和分析。

1 精密制坯技术

航空发动机设计时应用了大量复杂结构件、各种新材料，其零件的制坯方法也在不断的更新进步。“近净成形”是先进精密毛坯制造技术的发展方向。“近净成形”指零件毛坯制成之后，不再冷加工或者少量冷加工之后，就可用作最终使用零件的毛坯成形技术。它建立在材料、制造等多学科融合基础之上，使原有的粗糙毛坯成形发展为高精度、高效率、轻量化、低成本的成形技术。“近净成形”的毛坯具有较为准确的轮廓尺寸和较好的表面质量，可以很大程度上减少后期冷加工造成的材料浪费，节省制造成本。“近净成形”毛坯将取代传统的大余量毛坯。航空发动机制造中应用的精密制坯技术主要有精密铸造、锻压和粉末冶金等技术。

1.1 精密铸造制坯

精密铸造，指的是获得精准尺寸铸件工艺的总称。与传统铸造工艺相比，精密铸造获得的铸件具有更加准确的轮廓尺寸精度，更加良好的表面质量。传统的低压浇铸方法存在氧化夹渣、气孔、缩孔、裂纹等一系列弊端。精密铸造制坯是铸造领域主要的发展方向。单晶叶片精铸技术是航空发动机关键制造技术之一。目前第二代对开式空心无余量超单晶叶片已经在新一代发动机中被广泛应用，其制造工艺为定向凝固后时效处理、处理完成后再加防护涂层，不需要冷加工工艺。目前，单晶叶片精密铸造生产线已在航空企业中推广，叶片单边余量可控制在0.05-0.1mm，单晶叶片铸造合格率在75%以上。在国外航空制造企业中，第三代单晶铸造技术已成功获得应用，相关技术应用于F119的涡轮叶片上。

1.2 精密锻造制坯

目前航空发动机的零部件锻件毛坯占毛坯总重量的一半以上，精密锻造技术在航空发动机制造企业获得了重视并被广泛采用。精密锻压技术制造的发动机零部件的毛坯，具有精确的毛坯外形，可以实现小切削余量甚至无切削余量的空心涡轮叶片、整体涡轮以及其他部件的加工制造。随着等温模锻、超塑性等温模锻等先进的锻造技术的发展应用，航空发动机制造企业已经可以制造无偏析超细晶粒毛坯，并批量生产无余量精锻叶片。

1.3 快速凝固粉末冶金制坯

快速凝固是使液相材料快速凝固成固相材料的技术，它是一种非平衡的凝固过程，冷却速率大于105K/s，凝固过程中非晶、准晶、微晶和纳米晶等亚稳相的出现使材料表现出独特的性能和特殊用途。快速凝固技术可以显著改善现有合金的微观组织形态进而提高其使用性能，另外，还可以研制新型合金。目前，快速凝固技术已在航空发动机零部件制造中广泛应用，在某型叶片制造中应用表明，快速凝固技术能有效改善叶片的材料组织性能，进而显著提高涡轮前温度，极大地提升了航空发动机的使用性能。

2 高效精密数控切削技术

数控加工技术是目前发动机零部件毛坯余量去除的主要手段。数控加工技术在航空发动机机匣、叶盘、叶片等复杂构件的制造中被广泛采用。目前发动机零部件的制造流程主要是通过精密锻造制坯，然后经过多道机加工序得到成品。其关键技术为难加工材料的切削、复杂结构加工程序的编制、表面质量的控制、薄壁构件变形控制及误差补偿方法等。

航空发动机零部件切削加工的难点主要集中在以下几个方面：（1）难加工材料：目前发动机部件应用的材料多为典型难加工材料，如高温合金、钛合金等。以高温合金为例，高温合金材料因在耐热、强韧、耐腐蚀、抗疲劳方面具有较好的综合性能而在航空发动机中有极其广泛的应用，特别是用以生产耐热零部件或结构件。但是也正是由于这些优良的服役特性，造成了高温合金的切削过程会产生较大的切削力与切削热，从而导致加工质量与加工效率的下降。（2）复杂零件结构：航空发动机内零件，多为复杂型面结构件，数控编程难度较大。以整体叶盘为例，叶片间通道极为狭窄，使得刀具的刀轴控制非常困难。（3）薄壁结构：为做到最大程度减重，航空发动机部件中存在大量刚度极低的薄壁件，像叶片、机匣等，这些零件的加工需要极高的加工工艺。这些加工特点造成航空发动机零部件加工中容易出现以下几个问题：（1）难以提高加工效率，工件材料难切削、结构刚性弱、易发生变形等特点，使得工件加工只能采用较低的切削用量，耗费时间长，加工成本高；（2）难以保证尺寸精度，在航空发动机大量使用的薄壁件加工中易产生弹性让刀变形，加工后易发生残余应力变形，造成尺寸误差的出现；（3）难以控制表面质量，难加工材料加工过程中切削力热耦合现象严重，另外零件具有深腔薄壁的結构特点，这导致发动机零部件加工过程中容易发生颤振、表面灼伤等，损害工件表面质量。由于以上加工难点，高效加工技术、自适应加工技术等的研究和应用是目前的研究热点。

2.1 高效加工技术

高效加工技术是在保证零件加工精度和表面质量的前提下，优化切削工艺，提高材料去除率，从而提高机床利用率和加工效率的一种高性能加工技术。切削的本质是切除毛坯材料余量的过程，因此简单准确的装夹、快速稳定的材料切除是实现航空发动机零部件高效加工的关键。目前的高性能数控切削设备多具有功能复合化的特点，这使得工艺人员可以通过合理安排工艺路线，集中相似的加工工艺，进而减少装夹次数。这样一方面可以最大程度上保持切削稳定进行，提升工件的加工效率；另一方面也避免了装夹释放、再装夹过程引入的加工误差。对于加工过程来说，均匀的切削余量分布有利于切削效率的提高，因为面对局部的余量突变，需要降低程序段的加工速度以保证切削载荷的稳定。而针对数控编程，高效切削面临着切削参数应用水平低、刀具轨迹难以光滑连续、刀轴矢量变化剧烈的挑战。目前多通过加工方式（摆线铣、螺旋铣等）的创新、加工区域的合理规划和基于机床运动特性的运动校核等手段进行解决。

2.2 自适应加工技术

自适应加工技术指零件加工中根据工件的在位切削状态、工件-夹具系统实时状态等及时做出工艺调整，以适应当前工况，完成零件高精密加工的技术。自适应加工技术多应用在余量不均的复杂薄壁曲面加工中，如叶片、叶轮、整体叶盘的精加工过程。自适应加工在航空发动机零部件加工中主要有3种应用方式。一是面向设备，通过软硬件的技术更新实时监测加工过程中设备的状态（功率、速度或负载等），并进行调整，以适应当前的加工状态；二是面向零件，基于逆向工程，结合测量、建模与修正等技术手段，适应零件轮廓的微小变化，随其变化而做出调整；三是面向装夹，在工件-夹具系统未能精确定位的状况下，通过在位测量等技术，调整工艺适应现有装夹状态，实现工件的高精度加工。

3 抗疲劳制造技术

抗疲劳制造技术是指在原有材料和保证制造精度要求的前提下，通过工艺的改进和革新优化工件材料的组织构成和分布、控制工件的应力分布，以提高零部件疲劳寿命的制造技术。抗疲劳制造的技术的主要评价指标是表面质量，主要包括表面粗糙度，表面硬化情况，表面形貌分布，残余应力状态，表面缺陷，金相组织等。抗疲劳制造主要通过优化制造工艺控制变质层的生成，使裂纹产生在变质层内，不影响零件基体材料性能；并通过制造工艺改变变质层的材料组织分布以获得好的微力学性能和表面完整性；通过抗疲劳设计减少零件应力集中区域从源头解决应力集中的问题。目前航空发动机制造中抗疲劳制造主要是采用冷变形技术（滚压、喷丸、抛光等），使工件表层发生形变硬化，引入较高的残余压应力，进而减少了疲劳应力作用下微裂纹的萌生并抑制其早期扩展，从而显著提高航空发动机零件的抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力。

4 绿色切削技术

绿色切削技术主要指在加工过程中回收或者降解切削产生的废气、废液和废渣，达到无公害的环保要求，对生态大环境和加工小环境没有危害的切削技术。目前绿色切削主要针对的是加工过程大量使用的冷却液问题，油基或水基冷却液在企业数控加工中大量使用以降低切削温度，控制刀具磨损，减小刀具使用量。但是切削液的大量耗费增加了制造成本，会损害工人的身体健康，同时更为严重的是废液的大量排放会造成环境污染。绿色切削技术的发展可有效解决这个问题。目前，绿色制造得到了各个国家的重视，绿色切削作为绿色制造的关键技术之一，近些年发展较快。准干式切削技术是最近发展起来的近无冷却液切削技术，可有效降低冷却液使用量。准干式切削又称极微量润滑（MQL）技术，它是将极微量的切削油与压缩空气混合并雾化后，喷射到刀具-工件啮合区，对切削部位进行有效的冷却。MQL技术在缩减冷却液使用量的基础上可以有效降低切触区域的摩擦、减小切削热的生成，进而降低刀具磨损和保证加工质量。

5 特种加工技術

航空发动机零部件制造领域是特种加工技术应用最广泛的领域。特种加工技术主要是指用电能、热能、光能、化学能、声能等非传统机械能量实现材料去除或增加的加工方法，又被称作是“非传统加工技术”或者“现代加工技术”。特种加工技术主要应用于无法通过传统的机械冷加工技术实现或者加工成本极高的航空发动机复杂零部件中的加工。目前，特种加工技术已经广泛应用于航空发动机零部件制造中，大量用于复杂零部件的孔系加工、难加工槽加工、特种焊接等关键工艺上，主要包括电化学加工、电火花加工、激光加工等。

电化学加工技术将数控技术与电解技术相结合，具有加工过程具有阴极无损耗，无机械切削力等优点，对航空发动机中大量存在的复杂薄壁零件（如通道狭窄的整体叶盘、弱刚度的叶片等）非常适用。目前航空企业中已经普遍采用电化学加工设备代替传统数控加工设备来实现复杂薄壁零部件的粗精加工及最终抛光，能够较好的达到零件型面轮廓尺寸精度及表面质量要求。

电火花加工技术利用脉冲性火花在放电时产生的电腐蚀现象来去除工件-工具间多余的金属材料，以达到工件的加工精度与表面质量要求。电火花加工技术由于其无切削力、加工效率高且加工区域广等优点，被广泛应用于航空发动机结构件加工中。目前国内航空制造企业中的精密数控电火花成形机床，已经可以实现发动机整体叶盘、闭式叶轮及其他复杂型面的加工，实现对高温合金、钛合金等难加工材料的高效稳定加工。

6 复合材料结构件制造技术

新一代高性能航空发动机设计指标不断提高，大推重比、低油耗、高可靠性是其普遍要求。由于复合材料具有高的比强度、比刚度、服役温度以及好的抗疲劳性能等优点，其广泛应用成为下一代航空发动机的主要特征。复合材料是由多种不同组织结构、不同物理化学性能的材料组成多相材料（主要为基体相和增强相）。近年来，复合材料被广泛应用于航空发动机制造中，应用较多的主要是金属基、陶瓷基以及碳基复合材料等。例如碳化硅连续纤维增强钛基复合材料TiMMC叶环的应用，可使压气机的结构质量减轻70%；SiC基CMC构件也在F119机型上进行了验证；国内西北工业大学研制成功的TiB2/Al复合材料叶片，其重量相当于空心率为33%的钛合金空心叶片，若进一步采用空心设计，其重量有望达到空心率为45%以上的钛合金空心叶片，可有效减轻发动机重量，且任何损伤易于发现，并使成本下降30%以上。

目前复合材料关键制造技术有纤维涂层法、等离子喷涂法、浆料带铸造法、箔-纤维法等。一种典型的钛基复合材料叶片的加工技术如下所述：首先将SiC纤维与钛丝编织成纤维布，然后将其间隔叠放，根据叶片厚度不同采用不同的叠放层数，然后用热等静压法扩散连接制取SiC纤维预制带；进而将SiC预制带与钛合金制成TMC楔型面板，按叶片要求的叠层排序制备毛坯组件，最后采用SPF/DB工艺成形出最终的叶片。

7 结束语

新一代高性能航空发动机在很大程度上依赖于先进的材料和制造技术，为了提高我国航空发动机的制造水平，迫切需要在以下几个方面加强研究和应用。

（1）航空发动机零部件工艺知识的优化与积累。合理的工艺参数决定了零件加工的效率与加工质量。由于技术管理水平的落后，我国航空发动机行业工艺参数的选取大多是执业人员凭经验采用试错法进行，缺乏科学严谨的工艺知识积累方法和平台，这使得成品质量不均匀，提升了废品率，造成了极大的经济损失。因此，应建立工艺知识的积累机制和专用平台，建立航空发动机典型部件、常用材料的制造工艺数据库，实现工艺知识的有效积累。

（2）航空发动机专业化零件生产线建设。对于结构复杂、制造周期长、生产批量大、制造质量要求高的零件，如机匣、叶盘、叶片等，建立专业的零件生产线，以解决航空发动机制造瓶颈问题。形成标准的制造工艺规范，提高工艺人员的能力，以充分发挥现有设备的加工能力。

（3）智能制造技术的集成与应用。目前，国家正在大力倡导智能制造，作为制造业的尖端行业，在航空发动机制造过程中应进一步集成感知、处理和反馈装置，实现对加工过程的监控与优化。

（4）新工艺的研究和应用。相关科研单位和制造企业应积极研究新的制造技术，以占领制造业的尖峰领域。为此，一方面要充分利用现有设备，集成智能制造模块，升级改造现有设备，提高产品加工质量和效率；另一方面加强一些典型的难加工零件（如整体叶盘、新材料转子等）的新制造技术研发，研制新的制造工艺和设备，提高其加工质量和加工效率。

参考文献：

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