特种加工技术在航空发动机制造中的应用探究

张文华

（电子科技大学成都学院，四川 成都611731）

0 引言

随着我国飞机产业市场成熟度的不断提高，飞机各项性能要求进一步提高，特种加工技术在航空发动机制造过程中发挥了不可忽视的重要作用，突破了传统模式下的机械切削加工制作瓶颈，为促进航空发动机制造水平的快速提升提供了更多参考，在此背景下，本文对航空发动机制造过程中特种加工技术的探讨与研究，也就具备重要理论意义和现实价值。

1 航空发动机特点

航空发动机往往采用钛合金、复合材料、高温合金等诸多特殊材料作为基础材质，而该类材料往往具备硬度大、强度高、韧性强、熔点高和脆性大等诸多特质，难以通过传统模式下的机械切削方式进行有效分割和利用。航空发动机所需加工的型孔位置绝大部分位于复杂型面或复杂零部件结构上，涡轮、燃烧室、喷嘴等部位往往需进行菱形孔的深加工，该类位置加工一旦发生差错，很容易影响最终生产质量。此外，航空发动机中往往需要在部分薄壁零件甚至弹性零件等低刚度零件表面进行钻孔，其钻孔困难度大大提升，且航空发动机生产制造过程中，还需要在精密控制元件和细微系统零部件上进行直径小于0.1 mm的微小孔加工与生产制作，需要在火焰筒的零部件上进行大量的具备不同空间结构形态的小孔加工制作，上述孔洞加工难度较高，很容易因工艺不达标或精确度不够而造成质量不合格。

2 特种加工技术在航空发动机制造中的应用

2.1 叶片榫齿加工

叶片作为航空发动机关键的核心零部件，无论是旋转叶片还是静止叶片，其尺寸精确度要求都非常高，采用叶片榫齿加工技术，能够通过定制化的专业锉刀分别进行粗加工和精加工，在严格的工艺流程以及工艺条件的控制下，打破高合金材料、切削速度和刀具磨损等诸多因素的不良限制，从而大幅度提升其加工效率。

2.2 蜂窝组件特种复合加工

蜂窝组件特种复合加工技术是借助蜂窝点间焊接牢固可靠的基本性质，实现对蜂窝材料的高效率利用。针对蜂窝材料孔洞多、均匀分布以及受热易变形的关键特质，利用储能点将蜂窝材料固定于航空发动机的外环上用以定位，而在焊接时利用蜂窝材料的毛细管吸附作用，将其与工件进行紧密联合，最终借助电解磨特种加工技术实现航空发动机导电磨轮与蜂窝之间的压力的保持。

2.3 屏蔽金属软管火焰钎焊

屏蔽金属软管火焰钎焊技术是利用氧乙炔火焰进行高效率钎焊的重要技术，在此过程中，由于航空发动机金属软管在火焰钎焊前温度值并未固定，因此须将其固定于340℃左右，保证钎焊时软管与航空发动机待焊接处的温差值最小，使航空发动机焊接质量得到保障。同时，应将屏蔽软管加热到钎焊材料接近融化的温度，利用金属刷将加热后的软管涂抹于30 mm左右位置处，并利用外焰继续加热。

3 实际应用——以动力系统涡轮盘为例

3.1 涡轮盘的整盘精密加工技术方案

动力系统的涡轮盘作为航空发动机制造过程中的重要机械设备，是整个发动机工作条件的核心部位和最为关键的重要部件，也是发动机涡轮结构系统是否正常运转的核心标志，其性能决定发动机运行功效。因此，动力系统涡轮盘运行过程中工作叶片和轮盘在高速旋转状态下呈现出的速度参数、温度参数以及荷载力作用等，只依靠接触压力和摩擦力保证叶片在轮盘中正常运营。在此过程中，传统的航空发动机涡轮盘生产制造，为了保证其精确度符合预期要求，动力系统涡轮盘常采用拉削工艺完成加工，但由于该过程受到专业设备的极大限制，工艺方法很难在军工企业得到大范围推广与普及，绝大部分受制于外界厂家的技术而受到较大牵制，慢走丝加工技术作为当代特种加工技术的典型代表，具备加工精度高、成本低廉等诸多优势，同时由于热影响层的存在，其加工表面会产生微裂纹，该类裂纹将影响动力系统涡轮盘的工作寿命，导致其存在致命损失，因此，在利用慢走丝加工技术对动力系统涡轮盘进行加工时，应在该技术手段实现整排加工的同时，对加工参数进行精确度研究，保证其表面加工质量符合航空发动机动力系统涡轮盘制造要求。

3.2 数控程序的编制

机械动力系统涡轮盘轮廓尺寸以及公差参数基于涡轮盘基本面数值，在盘面一定方向和一定参数条件下得到，因此，动力系统基本盘的具体参数值可通过榫槽理论计算求得。而在慢走丝线切割的多轴编程计算过程中，其数控程序的编制点以及道路轨迹等往往需要通过动力系统涡轮盘的电极式上固定的点的运动来实现，也就使涡轮盘的数控程序编制不能直接引用设计尺寸。也就是说，数控程序中诸多参数值的计算，必须通过投影转换计算过程将涡轮盘设计尺寸转化为表现电极丝位移状态的编程数据。

3.3 电规准的选择

在航空发动机动力系统的涡轮盘电规准选择过程中，由于涡轮盘开槽尺寸和加工工艺在整个制造过程中所占的实际比重较大，因此，加工效率成为衡量涡轮盘电规准选择的重要参考和标准。以精加工工艺实施为例，经分析可知，该技艺使用下的电规准的选择能够满足航空动力系统涡轮盘表面粗糙程度以及重铸厚度等的基本要求。为了更好地选择航空动力系统涡轮盘的电规准参数值，本文采用正交方法对其预先选出的相关参数进行了进一步优化，确保其余涡轮盘的切割效率参数得到最大限度利用，在此过程中，正交试验法探究了放电电流因素、放电功率因素、正脉冲因素和负脉冲因素等不同参数对切割效率的影响。不同因素对动力系统涡轮盘的加工速度影响程度可表示为放电功率、负脉冲参数、放电电流和正脉冲参数，因此在进一步进行试切实验、精度检测和重铸检测的基础上，对不同因素的不同加工质量和加工精确程度进行验证和组合，得到最终电规准参数，如表1所示。

表1 电规准参数表

3.4 涡轮盘整盘加工工艺规划

航空发动机动力系统涡轮盘的整盘加工工艺根据其加工工艺过程划可分为粗加工工艺和精加工工艺，其中，粗加工工艺主要是为了最大限度释放动力系统涡轮盘的外界应力，减小涡轮盘受力变形对精加工工艺过程的影响，通过对涡轮盘周边轮廓流出的加工余量采取对称切割的方式完善粗加工工艺过程，达到粗加工工艺目的的同时，尽可能地提高动力系统涡轮盘的整体切削效率。在进行粗加工工艺后，整个涡轮盘的外部轮廓得到最大限度地简化。在进行精加工工艺流程时，由于粗加工工艺和精加工工艺在同一次装夹中完成，因此，可采用直径为0.2 mm的电极丝，从粗加工工艺的第一个槽口开始，从涡轮盘盘体外侧开始逆时针进行慢走丝切割工艺。在加工余量满足涡轮盘加工工艺要求的同时，其加工顺序可完成所有榫槽的快速、高效切割，在整盘加工工艺过程中，应严格按照涡轮盘的结构尺寸，对切割过程进行高效率量化分析，在此基础上合理分配粗加工工艺和精加工工艺余量，使粗加工工艺完成后留出足够余量实现精加工过程，也使所有轮廓精度和切割表面质量符合动力系统涡轮盘的性能要求。

4 结论

特种加工技术在航空发动机制造产业过程中有着不可比拟的重要价值，没有特种加工技术，往往难以制造出更加先进、更加具备科技特质的优质发动机。在此过程中，叶片榫齿加工技术、屏蔽金属软管火焰钎焊技术等为航空发动机生产发挥作出了不可磨灭的作用，而新结构应用、新材料应用和全新特种加工技术应用等，又进一步提高了航空发动机系统夜盘甚至晶体等特殊材料和特殊零部件的研制水平，使特种加工技术朝着更加科技化、智能化和自动化的方向发展，也使航空发动机技术朝着更加精密化的方向进步。