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航空发动机关键制造技术分析与应用

2017-03-27张耀光+宫宇+邢利君

科技创新与应用 2017年7期
关键词:制造技术航空发动机分析

张耀光+宫宇+邢利君

摘 要:航空发动机是飞机的动力之源,同时也是一个国家制造水平、军事实力的综合体现。随着科学技术的不断进步,航空发动机向着超高速、大推力、长航时的方向发展,世界各国都先后投入了大量的资金用于研制新一代高性能航空发动机。新一代的航空发动机为了获得较强的工作性能采用了大量新材料和复杂的结构设计从,而对航空发动机的加工制造带来了大的困难。文章将在分析先进航空发动机特点的基础上对航空发动机关键部件的制造技术进行了分析阐述。

关键词:航空发动机;制造技术;分析

前言

航空发动机是一个国家综合工业实力的重要体现.现今的航空发动机为了提高航空发动机的推力和推重比在其设计过程中普遍对航空发动机采用轻量化、整体化的结构设计方式,以增强航空发动机的整体性。航空发动机的这一设计方式在为航空发动机带来卓越性能的同时也对航空发动机的加工制造带来不小的挑战,应当在分析航空发动机材料及结构特点的基础上积极做好各项新制造技术、制造工艺的应用以便更好的做好航空发动机的加工制造。

1 航空发动机加工制造工艺特点分析

先进航空发动机通过对材料和发动机的结构进行合理化的布局使得航空发动机能够获得良好的性能,但是其所采用的高性能材料和复杂的结构也为航空发动机的制造带来困难。现今航空发动机的加工制造呈现出以下特点:(1)材料硬度高、去除率多,航空发动机的核心转子部件为了满足高温、高转速的恶劣工况多采用的是钛合金、高温合金等高硬度和高耐热性的材料,上述材料在切削加工的过程中具有不易加工且对加工的刀具磨损较大的特点,加之现今为了提高零部件的结构强度多采用的是整体性的加工方式,一些核心部件(如转子、叶轮)等其去除率最高达到近9成左右,加工难度极大。因此,如何在确保航空发动机加工质量的前提下提高航空发动机的加工制造效率是航空制造企业现今乃至今后一段时间研究的重点。(2)在航空发动机的设计中为提高航空发动机的性能在航空发动机零部件的设计过程中多采用的是复杂曲面和高结构效率的整体性结构,此类结构件在加工制造中普通的三轴设备无法对其进行加工多需要使用4轴、5轴设备来对其进行加工。(3)航空发动机的制造精度要求较高,在对航空发动机的加工制造过程中,对于工件的几何精度、形位精度等都有着严格的要求,从而为航空发动机的加工制造提出了新的挑战。

2 航空发动机关键制造技术的发展应用

整体化制造是航空发动机零部件加工中的一个重要的发展,采用整体化的加工制造方式使得零部件的结构强度和使用寿命都有着明显的提高。以叶盘为例,通过在叶盘制造中采用整体化的制造技术,消除了传统连接方式使用榫头、榫槽等连接所带来的重量增加、结构强度降低以及结构复杂等的不足,使得新的整体叶盘具有更轻的重量和更优异的气动特性。在叶环的加工制造中通过采用整体化的制造技术(去除叶盘中的转盘部分)将会使得叶环的结构强度和重量得到进一步的优化,从而有效的提高了零部件的性能。复合冷却层板是一种在推重比>10的航空发动机中所采用的冷却结构形式,其被主要应用于燃烧室和涡轮叶片的冷却,是一种具有复杂回路的冷却结构。在航空发动机的设计加工中,轻量化、复杂结构、新材料正成为航空发动机加工制造的新常态,为提高航空发动机的加工质量和加工效率需要注意做好新技术的应用。

3 航空发动机加工制造的新技术新工艺

3.1 新型毛坯件制造技术

在航空发动机新型毛坯件成型铸造技术中有定向凝固和单晶精铸等的技术,在航空发动机的制造中需要使用大量的精密、整体化的结构毛坯件,因此需要使用新型毛坯件制造技术来取代传统的大余量毛坯件,使得毛坯件的加工精度和加工质量都得到较大的提升。

3.2 做好先进切削成型技术的应用

切削成型是航空发动机加工制造中一直都在使用的制造方式,通过机械切削来去除毛坯件中加工量从而得到复杂、精密的航空发动机零部件,现今在航空发动机中钛合金所占的比重越来越大,其所具有的高强度、高刚度和高耐热性等特点对传统的机械切削加工带来了不小的挑战,此外,航空发动机中所具有的复杂曲面和表面光洁度也对航空发动机的机械加工提出了更高的要求,在航空发动机的加工制造中需要做好高强度新型刀具的应用并采用4轴5轴等具有复杂曲面加工能力的高性能机床。数控加工技术在航空发动机复杂曲面、高精度的结构件的机械加工中有着良好的应用。此外,在航空发动机高精度零部件的切削加工中需要注意做好变形补偿、自适应加工等先进加工技术的研究和应用以便更好的提高航空发动机的加工精度和加工效率。此外,在航空发动机的机械加工中还需要做好各类加工材料加工特性的研究分析并建立相应的材料切削数据库以便在后续加工制造中能够根据各类材料的加工特性选用合适的加工工艺。磨削也是航空发动机加工制造中一种极为重要的加工手段,在现今的磨削技术的研究中其向着精密、超精密高速磨削的方向发展,做好磨削技术的应用对于提高航空发动机零部件的表面加工特性有着极为重要的意义。

3.3 做好特种加工技术在航空发动机制造中的研究和应用

在复杂型腔、型面等复杂难切削材料的加工中高能束流加工这一特种加工制造技术有着极为明显的优势,能夠完成很多常规切削加工手段无法完成的加工难题。现今在航空发动机加工制造中所使用的特种加工技术有:激光、等离子、离子、电火花等的加工技术,做好特种加工技术的应用对于提高航空发动机中复杂型腔、型面等的加工质量和加工效率有着极为重要的意义。

4 做好先进航空发动机制造技术在我国的发展与应用

航空发动机性能的提升总是伴随着新材料、新工艺和新技术的突破而出现的。我国的航空发动机制造经历了从蹒跚起步到仿制再到自主研发的艰辛历程。在航空发动机的制造过程中我国先后突破了精密切削技术、制坯技术以及特种加工、焊接等的一系列技术难题,从而使得我国的航空发动机设计、制造进入了一个崭新的阶段,但是随着技术的进步以及国外发达国家所取得的成绩我国的航空发动机制造仍有一段漫长的路要走。做好航空发动机的设计、加工制造从而为国产飞机提供一颗强劲的“心脏”是航空发动机制造企业的重要历史使命。为更好的做好航空发动机的生产加工应当加强对于航空发动机设计、加工制造领域的研发投入,在引进吸收国外先进航空发动机制造技术的基础上结合我国工业制造的实际情况开展自主创积极突破我国在航空发动机加工制造中的原有瓶颈,紧跟国际航空发动机加工制造的动向与趋势积极开展有潜在应用价值且实现性较强的研究项目。现今在我国航空发动机的加工制造中仍有一系列的技术难题等待解决,如涡轮叶片的高效高精度精铸、整体叶盘的高效加工以及空心钛合金叶片超塑形等的技术等,做好航空发动机各项高精密、高效率技术的研究从而使得我国的航空发动机制造从传统的发展模式中走出来,提高航空发动机的加工效率和加工质量,此外,要做好PDM在航空企业制造管理中的应用,通过做好企业的信息化建设从而使得航空发动机生产各环节之间能够进行紧密、高效的协调沟通从而提升航空企业的整体工作效率,保障航空发动机生产的顺利进行。

5 结束语

航空发动机是精密加工的集大成之作,尤其是现今先进发动机中大量高新性能材料的应用和复杂的型面、型腔结构更为航空发动机的加工制造带来了不小的困难。本文对航空发动机关键制造技术进行了分析阐述。

参考文献

[1]黄春峰.现代航空发动机整体叶盘及其制造技术[J].航空制造技术,2006(4):1-8.

[2]王增强.高性能航空发动机制造技术及其发展趋势[J].航空制造技术,2007(1):50-55.

[3]黄维,黄春峰,王永明,等.先进航空发动机关键制造技术研究[J].国防制造技术,2009(3):42-48.

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