中国航发沈阳发动机研究所 辽宁 沈阳 110000
摘要：我国经济的发展、人民生活水平的提高带动了航天事业的迅速发展，航天安全受到了人们的广泛关注，其中影响航天安全的主要因素就是航天发动机。航空发动机零件制造难度很高，具有材料难加工、易变性震动、结构形状复杂以及加工标准高等特点，其加工水平会直接反应一个国家制造实力的高低。本文以航空发动机的典型零部件为研究对象，分类零部件的结构特点、加工方法等，并总结了零部件数控加工技术的性能和要求，并总结了航空发动机典型零部件数控加工技术的未来发展趋势，希望对我国零部件的数控加工技术有所帮助。
关键词：航空发动机；典型零部件；数控；加工技术
一、引言
作为航天飞机飞行的动力装置，航空发动机制造和设计技术对航天事业的发展有很大的影响，是判断一个国家制造水平、军事实力、科技实力以及综合国力的标准之一。在航天发动机零部件的加工过程中，其技术含量高、制造难度大的特点要求了加工人员需要具备较高的职业技能和专业素质，因此其数控加工技术的高低可以用来评判国家航空事业发展的好坏。数控加工技术及设备的出现最早也是为了满足航空制造的要求，并在其发展的过程中，不断满足了零部件加工高、精、尖的要求，成为了航空制造业的基础加工技术。通过调查发现，航天航空制造业一直是数控技术的最大用户，有百分之八十以上的航天制造企业都在应用数控加工技术。
二、航空发动机典型零件加工特性
现代航空发动机的典型零件主要包括了叶轮、叶片、盘类、机匣以及轴类零件等。在航空发动机零部件的加工过程中，为了提高发动机的推重比，一些高性能的发动机制造过程中应用了大量的新材料，使得零部件的结构越来越复杂，加工精度随之提高，对于零部件的制造工艺也有了更高的要求。通过调查，航空发动机典型零部件的特点主要体现在以下几个方面：
第一、形状结构复杂，这主要是由于新材料的使用加大了加工的难度，使得结构、形状也变得复杂，目前我国主要使用的是轻量化的整体薄壁结构。
第二、采用的材料加工难度大，在零部件的加工过程中，材料加工受到使用环境和条件的限制，发动机采用的材料需要具有强度高、质量轻、耐腐蚀以及耐高温的特点。目前航空发动机零部件制造过程中应用最多的材料有树脂基复合材料、镍基高温合金以及钛合金等。
第三、毛坯材料切除率高，目前我国材料切除率超过了百分之六十。锻造毛坯的整体式加工方式应用于整体毛坯件和薄壁整体框架结构零件的加工，主要包括了机匣、整体叶盘等锻件，而这些零件的轮廓和结构都十分复杂，我国目前的锻造技术还达不到精细化的水平，导致毛坯余量大且分布不均匀，材料切除率高。
第四、加工精度高、追求高效低成本加工，航空发动机零部件的制造要求十分高，包括了使用寿命高、可靠性高以及性能强等，对零件的加工精度和表面质量的要求十分严苛。通常情况下，材料成本的高低与加工精度的高低成正比关系，因此发动机新材料、新结构与高精度、高效率和低成本制造之间存在矛盾，对加工质量、效率和加工成本有很高的要求，而我国目前的制造技术还满足不了该要求。
三、航空发动机典型零部件数控加工
（一）叶片加工
航空发动机叶片的制造采用原料为钛合金、高温合金，这些材料具有尺寸的精度要求、表面质量高以及切削性能差的特点。在对叶片这一零部件加工的部位为叶片榫头和榫齿加工、叶身型面加工、阻尼台加工、安装板及叶冠加工。叶身复杂的曲面组成，造成了叶片加工复杂性。叶身的曲面可以分为直纹面和非直纹面，而直纹面又可以分为可展和不可展两种，在加工过程中通常采用常规机械加工技术的方式加工可展直纹面。
数控加工技术主要用来加工不可展的直纹面和自由曲面，例如五轴联动加工中心和五轴高速龙门铣床。采用拉床和缓进给强力磨床加工叶根榫头，同时缓进给强力磨床可以更换砂轮并具有滚轮修砂轮装置，不仅如此，缓进给强力磨床还具有程序调整、自动补偿以及在线测量的功能。叶片的机械及加工主要采用叶片高速铣设备进行铣削和磨削，通常需要使用专门的叶片加工计算机生产加工的程序，才可以进行后续的加工过程。一般情况下，数控加工抛光会端在大余量的叶片型面。切削的加工需要以锻造毛坯为基础，经过一系列加工程序后，通过铣削的手段使毛坯符合最终尺寸。
叶片的加工根据刀具和叶片的接触方式可以分为点铣法和侧铣法两种，其中点铣法能够在较大程度上保证叶片加工型面的精确性，适用于自由曲面的叶片，并且该方法的走刀方向和流线方向基本相同，这对于叶片的气动性能有较好的保护作用。但是该种方法的加工效率不高，并且刀片磨损严重，增加了零件的加工成本。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而侧铣法可以很好的避免这个问题，对于提高叶片加工效率有很大的帮助。目前国内使用最多加工叶片的方法为分片侧铣法，该种方法首先将叶片按照加工特征和工业要求分为若干片，使用刀具的侧面加工最外边的一片，然后不断加工相邻的刀片，因此分片的数量和加工的精度呈正比的关系，但是过多的分片会降低加工的效率。总而言之，叶片的加工在今后很长一段时间内都是数控加工技术需要研究的问题，需要考虑加工方式选择、刀具路径规划、以及叶片造型等各方面的变化
（二）整体叶轮加工
整体叶轮的结构主要分为开式和闭式两种，这两种结构的区别主要在于是否存在轮箍。闭式整体叶轮由于具有轮箍，需要采用两次装夹、分区域铣削的加工方式，而开式整体叶轮由于不具有轮箍因此一次装夹就可以完成所有数控铣削加工。车削和铣削加工是整体叶轮采用的主要加工方式，尤其是对于叶片、轮毂及叶根圆角等曲面的加工采用的是数控点铣和侧铣的方式。
整体叶轮的加工可分为粗、半精和精加工三个阶段，粗加工阶段通常选取有效切削面大、切除效率高的刀具，例如平底立铣刀或带有圆角的铣刀，而精加工选取的刀具为球头铣刀或高刚性的锥柄球头铣刀。加工过程中刀具是根据叶轮的几何形状选择的。
一般来说，粗加工为了提高切削的效率选择的是直径较大的刀具，而精加工加工的部位主要包括了叶片、轮毂和叶根圆角，考虑到曲面的半径会选取球头半径的刀具。叶片与轮毂之间的叶根圆角是整体叶轮加工过程中最易发生失误的部分，在对该部分进行加工时，叶根圆角曲面的最小曲率半径需要大于球头半径。为了提高加工效率，对于不同部位的加工可以选取不同直径的刀具。开式整体叶轮数控加工工艺的主要流程为，首先毛坯车削加工出基本形状，再进行整体和流道的粗加工，其次在进行叶轮的精加工，最后进行底部的清根。数控编程是叶轮加工的关键，在加工过程中，需要保证刀路的不干涉，对提高切削效率有很大的帮助。
（四）盘轴类零件加工
航空发动机盘的零部件主要有高低压压气机盘和高低压涡轮盘，盘类的零件主要由轮缘、轮毂、腹板、封严篦齿组成，这类零件采用的材料为高温合金和钛合金。一般情况下，腹板上有起平衡作用的小孔，轮缘上有安装叶片的榫槽，该种零件的加工难度、精度要求较高，对于表面质量要求也十分严格，同时零件的壁薄易变性面对加工设备和工具有较高的要求。该类零件的加工部位主要为内外圆、腹板、前后端面、篦齿和榫槽，加工内容主要为车加工、拉削和磨削。整体叶轮的加工采用整体锻造或焊接毛坯的加工方式，由于数控铣削设备加工的速度快、安全性高，因此发达国家五坐标加工中心加工整体叶盘，其中叶片的数控铣削是最为关键的一部分。
轴类零件的主要包括风扇轴、压气机轴、涡轮轴等，轴类件加工包括内外表面车削、磨削和深孔镗加工。采用的材料为耐热合金材料，是发动机转子的重要组成部分，是保证发动机安全性的前提。轴类零件在工作过程中需要达到每分钟上万次的转速，因此对于平稳性、抗疲劳强度要求较高，对于零件尺寸精度和表面质量也有较高的要求。
四、零部件数控加工的特点
从上文可知，航空发动机零部件的制造对加工设备有较高的要求，不同零件要求的设备也不相同。总体上对设备的要求为高精度、高效率以及高稳定性等，并且需要符合具备数字化制造、信息化管理的要求。零部件数控加工的特点主要包括以下几种：
第一、高刚度结构，一般来说，主轴系统、机床结构和进给系统应该具备良好的静动态刚度和热稳定性，这是保证加工后零件表面质量和高去除率的前提。
第二、大扭矩电主轴，航空零件的材料通常具有切削性差、抗切削能力强的特点，因此对于切削机床的主轴扭矩有了更高的要求。
第三、多轴联动加工，对于一些具有复杂曲面的航空发动机零部件来说，需要机床的多轴联动加工才能完成复杂曲面的加工，同时多轴联动的加工方式可以缩短工件定位的时间，对提高加工效率有很大的帮助。
第四、自适应技术，该技术指的是切削余量大时，会减慢进给的速度，切削余量小时，会增快进给的速度。不仅有利于加工效率的提高，还能起到保护机床的作用。
第五、智能化控制，机床的自动化控制使数控系统具有专家系统、自动检测及自动补偿功能，使数控机床具有机床状态监测、刀具自动管理及补偿等智能功能。
五、航空发动机零部件数控加工技术的未来发展趋势
我国科技水平的不断提高，带动了信息化技术的不断发展，航空发动机零部件的制造逐渐走向自动化、数字化和智能化的方向发展，就目前的发展趋势而言，航空发动机零部件数控加工技术未来的发展趋势主要包括以下几个方面：
第一、网络加工、高效加工技术，在保证零件精度和表面质量的基础上，通过优化加工流程和提高切除效率的方式来提高零部件的加工效率，既可以提高设备的利用率，又可以降低生产成本，对航空企业经济效益的提高有很大帮助。同时在运用网络技术了解加工设备在各个时段的动态数据，为实现资源共享、建立切削参数数据库有很大意义，也是管理者实现科学决策的主要依据。
第二、新材料、新结构、新工艺以及高速的切削技术和数控机床，目前高速率的切削技术已经成了整体构件加工的主要方式。同时在零部件的制造过程中，有大部分的发动机选用了新材料和新结构，这些改变大大降低了发动机的重量，对发动机的减重、增效有很大的帮助。
第三、虚拟制造技术和数字化管理，使用虚拟仿真技术可以缩短产品的研制周期，通过虚拟技术了解产品的稳定性和表面质量等各种基础参数，对于提高产品的合格率也有很大的帮助。同时航空发动机零部件的制造通过数字化样机、设计、加工、装配、检测及信息管理等部分的结合来实现加工过程的数字化管理，完成各个阶段的信息基础和资源共享。
参考文献
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[2]罗和平,王彪,汲军.航空发动机典型零部件数控加工技术研究[J].机械制造,2017,55(04):46-49.
论文作者:张勇,,王子,李吉伟
论文发表刊物:《科技新时代》2019年6期
论文发表时间:2019/8/14
标签：加工论文; 零部件论文; 叶片论文; 数控论文; 零件论文; 叶轮论文; 技术论文; 《科技新时代》2019年6期论文;