要求苛刻的宇航发动机部件加工问题

沈福金 摘编

要求苛刻的宇航发动机部件加工问题

沈福金 摘编

航天技术和宇航工业是一个国家综合实力的象征。我国航空工业经过多年徘徊，已经开始加速发展，国家研制大飞机的计划正在实施；我国的宇航技术取得了令世人瞩目的成就，载人飞船、太空行走等令国人欢欣鼓舞。下一步的绕月工程也在紧锣密鼓的有计划的实施中。我国的宇航技术确实取得了长足进步，也有了相当的工业基础，但我们也清醒地认识到，在这方面，与欧美发达国家相比，仍有不小的差距，尤其是高端制造技术方面。《WB》杂志有一篇报道欧洲宇航研发中心关于加工阿丽亚那5火箭发动机部件的文章，一些内容对我国有关人员也许会有所启发，特摘译、编写如下，供参考。坐落在德国慕尼黑附近Ottobrunn地区的欧洲宇航技术研发中心 （EADS Astrium）的空间运载部的动力推进装备部门，负责阿丽亚娜5（Ariane－5）火箭发动机的核心部件的完整开发和全部深加工制造工作，如图1所示的主发动机和末级发动机以及全套控制阀系统就是由该部门开发和加工制造完成的。他们深切地体会到，加工制造这些发动机部件和阀门系统是一项要求非常苛刻而严谨的工作，并不像现在人们随口所说的 “如果在制造发动机部件和阀门系统时不出任何差错，今后阿丽亚娜5火箭就能很可靠地按时发射升空”那么容易。加工制造这些发动机和阀门系统需要有经过多年艰苦工作获得的专有技术和知识。对机械加工和所应用的机床来说，要求很高的切削加工技艺是显而易见的。除了应用如电子束焊接或电镀作业等多层工艺外，用有特殊几何形状的铣刀和车刀进行切削加工占有重要位置，遵循复合加工的发展趋势，一次装卡进行铣－车复合加工具有重要意义。

图1 在欧洲宇航技术研发中心 （EADS Astrium）用最现代化的切削技术制造的阿丽亚娜5的发动机部件：主发动机 （左），铣削好的冷却管道 （中）和燃烧室 （右）

发动机部件通常所用的毛坯材料有因科镍718（Inconel 718）之类难加工的镍基合金、铁、殷钢36（Invar 36）、钴、耐蚀钢 （Hynes 188）以及钛等，铝合金因为添加了铜、银、锆等添加物，同样是高强度而且难切削的。发动机部件毛坯的这些材料特性使本来就很复杂的加工过程变得更加复杂和麻烦。由于成品零件的几何形状很复杂，有些毛坯件做成精密铸件，要用特殊的方法，例如用真空熔炼铸芯，使每件毛坯的材料成本非常高，达到几万欧元。在切削加工这种昂贵的材料时，选用刀具以及制定和优化数控加工程序等方面都需要员工的专有经验。他们每天都在验证各个发动机的启动机理、灵活性、特有的功能和本身的耐久性等。该中心还有一个有利条件，就是每年要制造6～8台火箭发动机和一台样机，这样他们就有机会能得到强制性的长期连续运行时间，以验证和完善加工工艺，如 “VulcainⅡ” 火箭发动机就是这样做的。

高要求就需要每位员工负起超常的责任。随着加工状态的进展，零部件越来越贵重，如果出现废品而影响火箭准时发射，责任重大，信誉和经济损失也会很惨重。

虽然在火箭发动机零部件的整个生产过程中要绝对保证百分之百的可靠性，但从经济性考虑，仍要提高生产率。在这方面，2000年他们有过教训。当时对两个组合在一起的零件的组合部分进行加工时，用了各不相同的、部分还是陈旧的机械设备、夹具和刀具，同时又应用新版的Goevision和Catia编程系统，结果组装时出现问题，导致维护成本暴涨。这是一个教训。实际上，火箭发动机的大、小零部件的生产，要求高度自动化的机床和高度自动化的外围设备。采用多班工作制以提高员工调用的灵活性，但由此必须统一机床、CNC、辅助设备和刀具的相关标准以及工艺规程。

考虑到要节省采用最新一代加工中心机床的可能性，他们分析了每一个阿丽亚娜5的零部件，找出现有能用的哪些机床是生产过程中的瓶颈，对新机床的具体要求进行了许多快速调研，在精度、稳定性和柔性等一般要求的基础上又附加了从五面加工到五轴联动加工和圆铣削以及编程等铣削工艺方面的要求；同样还必须满足表面质量高、刀具寿命尽可能长和用中心架精密加工长尺寸零件的特殊要求等。此外，为了减少切削过程中的工艺时间和辅助时间，托盘自动交换器、零位夹紧系统以及至少有180个刀位的刀库等自动化部件也是必不可少的；要求供给80巴压力的冷却液，会改善精密零件的表面加工质量并使深孔重切削镗孔更容易。

在EADS的大型机床上 （大型零件的尺寸为1立方米）要增加五面和五轴加工功能，还可用立式和卧式安装的刀具进行车削加工，并都是一次安装完成全部加工，这是主要优点。因为铣削区域的直径和平面的形位误差都很小，正常情况的公差都在0．01mm以内，故不能更换装卡进行加工。还采取减少现有设备及重点采用西门子的CNC系统来统一机床的控制等辅助措施，以适合将来的机械加工，使员工能轻松地操作很多不同的机床。

他们所选出的机床制造商必须试加工由航天中心指定的零件，以证明机床可用。具体做法是：首先由选出的合适的机床制造商提供详细的供货清单和技术性能参数，由航天中心负责用矩阵法逐项进行仔细比对，并根据关键项进行评价，此外还要证明新机床的经济性。

经通盘考虑后，订单给了慕尼黑附近的DMG公司。原因是Deckel Maho介绍的新的通用型铣－车加工中心 “DMC 125 FD duoBlock”可一次装卡进行五坐标铣削和车削而受到好评，接着又成功地进行了试加工对订货起了关键作用。2008年初签订了供货合同，这个合同除了DMC 125 FD duoBlock通用型铣－车中心外，还包含2台 DMU 70 eVo linear和1台CTX 500车削中心。在DMC 125 FD duoBlock铣－车中心上试切成功由因科镍718（Inconel 718） 制成的滑行环是最打动他们购买DMG机床的关键。这年初这台机床已投入运行，它宽敞的工作空间 （1250／1000／1000mm）特别适合加工欧洲宇航中心的零件。

图2 DMC 125 FD duoBlock通用型铣－车中心，不仅能五轴铣削，还能在同一次装卡中进行精密车削 （右图）

机床所有的标准参数和任选件都符合他们提出的以下要求，即：

▲ 垂直于床身的立铣头作为数控铣－车转台的补充，可负角度进行五轴联动加工；

▲ 高性能保证整体电主轴在功率44 kW和刀夹 HSK－A－100 时， 最高转速达 10000r／min；

▲ 带IKZ和40巴、80巴两级压力以及980－1冷却润滑箱等，尽可能保证在铣、车和镗孔加工时，排屑良好，表面质量高；

▲ 通过带双爪的卧式换刀装置以及可存放180把铣刀和车刀的链式刀库，实现高度的复合性和柔性；

▲ 托盘夹紧工作台带有一个用于交换两个直径为Φ1100mm托盘的快速旋转的托盘交换装置，工作台最大承重1500㎏，转速可达500r／min，功率35 kW，最大扭矩5400Nm，还外加一个独有的负荷传感器。

所有这些特点使其铣－车加工中心机床和任选件在市场上也是独具竞争力的。带有外形变换的三维（3D）轨迹控制的西门子 “840D solutionline”、“SINTDI”刀具管理和 “SINDNC”程序管理以及带摄像机的网络服务 “Netservice”和服务代理 “Service Agent”等特色软件，使数控 （CNC）成为一个在编程、管理、组织和服务等方面给以巨大支持的高技术的指令控制平台。

欧洲宇航研发中心明智地放弃了专机配置方案和单独的设备操作规程。全部都成为开放式的最实用的选件组合，这种复合加工是生产型的，也是精密加工。这种组合在别的地方还没见过。此外，Deckel－Maho的精度软件包、测头、铣刀和车刀混合测量、用于机床标定的 “3D－quickSet”三维快速设定、乳化液油雾分离器、用于排屑的冷却吹风和网络故障时的安全程序包 （对于长时间运行的数控程序来说，这很重要）等任选件，构成了一个无人化制造的软硬件环境。

图3 由DMG公司的加工中心加工的零件组装成的完整的发动机燃烧室

他们搞清楚了数控程序在复合加工方面总的适应情况，他们认为，只有用一次装卡完成全部加工的复合加工技术才能既提高生产率，又保持精度稳定甚至提高加工精度。他们认为，在他们用DMC 125 FD duoBlock机床时，就开始了复合加工新时代。以上，就是他们研制阿丽亚娜5火箭发动机的情况和体会，可供我们参考。我国航空、航天工业正需要一批高档数控机床，目前有些高端机床还不得不依赖进口，而且进口还要受到限制，这也是我们广大机床工作者的一个切肤之痛，希望我国机床行业研制机床设备的科技人员和宇航工业部门研制发动机的相关人员，能从中得到一些启发或开阔一下思路，大家紧密合作，希望对促进我国航空、航天工业的发展有所帮助。

（摘译自 《WB》 杂志 9／09）