沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司 杨金发　李家永　杨楠

航空发动机典型零件加工技术及装备

沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司 杨金发李家永杨楠

先进的航空发动机除了先进的设计技术，其性能的提高在很大程度上通过采用新材料、新结构和新工艺来实现，而材料和制造技术的贡献将占到50%～70%。航空发动机材料与制造技术向着高温化、复合化、轻量化、整体化、高效率、低成本的方向发展。主要有以下特点：

（1）材料的耐温水平、强度水平越来越高，部件的承温承载能力越来越高，超高温合金材料和尖端制造技术不断突破，使得发动机性能不断提升（见图1）。

（2）新型整体结构、高可靠性轻量化结构和精密、高效、低成本制造技术迅速发展和应用，使得发动机部件质量越来越轻。

（3）复合材料及其构件制造技术出现重大突破，将是第五代发动机及未来先进发动机的主流技术。

（4）先进涂层技术和特种制造技术得到广泛应用，也是第五代发动机及未来先进发动机的主要发展方向。

图1　涡轮盘

先进数控机床工具

随着航空产品的不断升级，航空新材料不断快速发展，特别是目前航空领域高精尖产品如航空发动机大量采用钛合金、耐热合金等难加工材料及复合材料等难加工材料的现状，这对推动和促进航空用刀具的发展起到了重要的推动作用，迫切要求加工技术进一步提高。

1.航空发动机刀具技术需求及发展趋势

刀具作为切削加工的主体之一，在解决航空材料的加工难题中起着至关重要的作用。先进的航空产品要求航空零件具有更优异的性能、更低的成本和更高的环保性，而加工工艺要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重复精度和可再现性。

航空钛合金、高温合金零件难切削的工件材料，复杂而薄壁的形状，高精度的尺寸和表面粗糙度要求，同时大的金属去除量等特点，对切削刀具的高效、精密、安全性等提出更高的要求。传统刀具已不能满足现代先进高效加工的要求，刀具行业进入了“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的现代刀具生产新格局（见图2、图3）。

新型航空材料不断涌现，如弥散强化钛合金、粉末高温合金材料大量被应用。现代先进加工技术对高速、高效、高精度加工的要求使得硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具的应用比例大幅提高。

深入研究航空发动机零部件材料，包括各类高温合金、钛合金材料的切削机理和切削加工性能，有针对性开发系列的高性能专用刀具材料。满足航空行业典型的粉末高温合金、镍基高温合金、铸造高温合金、钛合金等难切削材料的加工需求。

针对航空发动机零部件，包括涡轮机匣、风扇机匣、涡轮盘、风扇盘、长轴、叶片、叶轮等典型零件有针对性开发一系列的高效精密刀具产品，包括车、铣、钻、拉、镗削加工等刀具产品。刀具技术创新点应着眼于建立刀具学科分析模型和多学科优化模型，开展系列刀具的精准设计研究。

刀具质量稳定，刀具精度高，可转位数控刀片各批次产品尺寸精度分散性能控制在一定范围内，成形刀具精度应能完全满足加工部位要求。

能针对涡轮机匣、风扇机匣、涡轮盘、风扇盘、长轴、叶片、叶轮等典型零部件，提供完整的刀具配套和解决方案。

2. 航空发动机加工对数控设备的需求

航空制造业对零件加工精度和效率日益提高的需求不断推动机床技术的发展，是机床产品创新的源源动力。高速高精度加工中心、复合加工和多轴联动数控机床的出现都与客户需求密切相关。机床的发展方向如下：

（1）自动化程度高，即要求设备具有数字化和前沿性的特征，软件功能强大，自动化程度高。

（2）高度集成性，附加设备少，设备高度集成，能够实现工艺复合。

（3）柔性化，设备通用程度高，生产适用性强。

（4）高精度、高效率、智能化，设备需具备精度高，技术成熟度高等特点。

（5）高稳定性，精度保持时间长，故障率低。

三、四、五轴加工中心、数控车床加工中心、各种磨削设备、各种精锻设备、各种铸造设备、特种电加工设备、复合加工中心（车铣、铣车）、叶片加工中心及磨削中心、特种电加工设备、激光加工及强化设备以及零件表面处理设备是航空制造中必须的设备。如图4、图5所示。

图2　模块式刀具系统

图3　带内冷却结构的新型高性能刀具

3.数控设备发展趋势

（1）复合机床功能强劲，成为机床门类中的重要组成部分。精度稳定性与保持性——温升的抑制与控制技术日益得到重视并取得进展。高效与自动化——双主轴、多主轴、多刀塔机床发展迅速，智能技术深入发展。复合机床以其强大的复合功能赢得了越来多客户的关注，赢得了越来越大的市场份额。市场需求成为复合机床厂新发展的强大动力，铣车复合、车铣复合、车铣磨滚齿复合、激光切割与冲剪复合等具有多工序、多工艺复合的复合机床，成为现代机床系列的重要组成部分。

（2）在现代制造业对机床加工精度提出更高要求形势下，越来越多的机床企业对机床精度的稳定性给予了高度重视。在影响机床工作精度和稳定性的多种因素中，环境和自身温升的影响是重要的一环。针对这种认知，很多机床企业采取多种技术措施，取得了很好的效果。机床制造企业对精度的追求已经不局限于出厂精度检验单上的静态精度，对机床动态精度改善的努力正成为竞争的一个非常重要的因素。

图4　车铣复合加工机床

智能技术是数控技术的前沿技术，智能技术的开发和应用，使机床改变了原有的面孔，具备有感知、会分析思考、能主动应对处理加工过程中出现的变化、能够主动对复杂问题进行处理等智能技术。使得人机关系更加融洽和友好，并推动机床自动化水平进入到更高的阶段。

智能技术的发展主要集中在两个方面：一是加工过程中对变化因素的实时处理。通过数控系统、专家系统、专用软件，提供编程、机床调整、加工、操作、维护等智能化的帮助与指导。二是具有智慧与技术的内涵。随着数控设备越来越多地被应用到航空零件的生产中来，航空零件的加工能力得到了明显的提高，航空典型零件如机匣、叶片等都能够使用数控设备加工完成，这些复杂型面采用普通设备是很难加工的。

虽然零件的加工能力有所提高，但数控设备的应用水平还有待提高，不论是编程技术还是加工技术都还有许多提升的空间。数控设备高级功能的开发，提高数控设备的加工效率，最大限度地发挥数控设备的优越性是提高加工技术水平的必由之路。机床工具企业应以典型航空发动机零部件的工件材料和加工工艺入手，深入研究各类难加工材料的切削性能、对刀具的要求及未来发展方向；掌握典型零件的结构特点、工艺方法等等。通过产、学、研、用联合开发模式，建立并完善航空发动机零部件高精、高效加工的刀具研发、加工工艺研究以及刀具应用的综合性高效研发平台。

图5　五坐标加工中心

典型零件的高效加工

典型零件的高效加工技术是一种技术复杂涉及面广泛的系统工程，我们应对毛坯状态、刀具几何参数、装卡方式、走刀路径、切削用量等工艺条件进行全面优化。采取有效减小加工变形的工艺措施，消除各种工艺条件对变形的影响。

（2）优化夹具结构，提高系统刚性的同时，还要根据对加工薄壁件所用的刀具进行切削试验。刀具试验要接近于生产现场状态，努力提高金属去除率，延长刀具寿命。选择好动平衡刀柄，减少振动源，调节刀具悬伸，实现高效加工。

（3）在刀具的选择上，合理选择与被加工零件在力学性能、化学性能、物理性能相匹配的新型高效刀具。优化刀具几何参数；优化走刀路径和刀位，通过试验优化切削用量，既要提高金属去除率，又要有合适的刀具寿命。采用刀具动平衡技术及高效冷却技术，能够有效地提高零件加工质量。通过加强对新型切削材料、新型刃具结构、新型切削技术的研究，做好刀具管理必将不断提升高效加工技术，实现精益生产。

航空发动机制造领域对机床工具发展的建议

（1）以点带面，提升基础。专项研究不但要兼顾主机和最终产品，还要夯实机床相关基础设计制造理论。对基础共性技术进行研究，提高机床工具核心竞争力。

（2）重点突出，突破。航空发动机行业的装备种类很多，可以集中在典型零件和机床上进行研究，突破这些零件加工技术，其他零件均可采用。

（3）做好售后，实现共赢。机床工具企业应积极做好售后服务，实施“交钥匙”工程。了解客户需求，听取客户反馈意见，掌握世界先进的设计理念，设计制造出精品，与客户共赢。

结 语

我们要以加快新一代信息技术与航空发动机制造业融合为主线，推进智能制造。以满足国防建设对重大技术装备需求为目标，强化航空发动机产业基础能力建设，促进航空发动机加工技术不断提升。□

作者简介：杨金发沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司技术中心，高级工程师。 主要从事高性能数控加工技术、整体叶盘加工技术，切削数据库开发等研究工作。发表科技论文10余篇。