航空發動機關鍵轉動部件加工技術

07-21

航空發動機是飛機的心臟，是決定飛機性能的重要因素之一。發動機中盤、軸、鼓筒、軸頸等零件均是發動機的核心轉動部件和關鍵件，在高溫、高壓、高轉速的惡劣環境下工作。這類零件材料大多採用高溫合金、粉末高溫合金、鈦合金等難加工材料製造，尺寸精度要求高，技術條件嚴格，對零件表面質量、表面完整性要求高，其加工質量的高低直接影響到發動機的使用壽命和安全可靠性。

近年來，隨著航空發動機技術的不斷進步和發展，這些關鍵部件的加工技術有了大幅度的提升，從傳統的加工方式、過多依賴操作者的經驗和水平完成加工，轉向車銑複合加工、全程序無干預數控加工、各類邊緣自動成型加工和自動光整加工等自動化、集成化、精準化及抗疲勞製造的方向推進和發展。航空發動機關鍵部件加工技術的進步對提高航空發動機的可靠性，在全壽命使用周期內安全可靠的工作起到了至關重要的作用。

典型零組件結構特點

航空發動機轉動零、組件主要有盤、軸、鼓筒、軸頸等典型零件（見圖1）。圖1（a）中新結構渦輪盤不但具有輪緣、輻板、榫槽、盤心孔等傳統結構，而且帶有雙翼安裝邊，與輪盤的輻板形成了大深度半封閉深型腔，敞開性差，輪盤輻板及雙翼安裝邊處均為薄壁結構，壁厚為2.0~2.6mm，零件剛性差，加工難度大。

圖1（b）為盤軸一體結構零件，是將傳統的壓氣機盤和軸頸集成為一體的重要承力件，材料為TC17，大端是輪盤結構，具有輪緣、輻板、輪轂、盤心孔，輪緣上帶有安裝葉片的燕尾榫槽，輻板處有精密螺栓連接孔。零件軸頸端外型面帶有螺紋、篦齒、外花鍵、徑向斜孔等結構特徵。盤軸一體結構零件的另一特點是軸頸錐璧與輪盤輻板形成了半封閉深型腔結構，加工工藝性差。

圖1（c）為壓氣機後鼓筒零件，是由5個壓氣機盤通過慣性摩擦焊焊接組合而成，帶有五級環形燕尾榫槽，輻板間內腔型面空間狹小，內腔根底部徑向深度大、敞開性差、加工難度大，外型面結構複雜，尺寸精度高，技術條件要求嚴，後鼓筒材料為GH4169，硬度HB≥388N/mm2。

典型零件機械加工技術

1　高效車銑複合加工技術

盤、鼓筒、軸頸等迴轉類零件的複合加工，主要以車銑複合加工為主，其特點是以工序集中為原則，將車削、銑削、鑽鏜等加工合為一體，在一台加工設備上完成不同工序或者不同工藝方法的加工，特別適合於零件精加工階段，在完成主要型面車削加工的同時，還可同步完成定位孔、聯結孔、鍵槽、花邊、花鍵等鏜銑加工和滾齒加工，即通過一次裝夾，完成車、銑、鑽、鏜、鉸、攻絲、滾齒等多種加工要求，車銑複合加工可以減少零件定位裝夾次數和找正時間，消除重複定位誤差，減少工裝數量、實現自動化、集成化加工，大幅度提高零件加工精度和加工效率。

以圖1（b）中盤軸一體零件為例，零件除具有輪緣、輻板、軸身等迴轉表面外，還具有多處精密聯結孔、徑向斜孔、鎖片槽、球頭凹槽等特徵，不但需要車削加工，而且還需鑽、鏜、鉸加工和銑削加工。按傳統的加工模式零件不僅需要在數控車床、坐標鏜床、五坐標加工中心等多種設備上進行加工，而且需要經過多次車、銑、鑽鏜、孔邊倒圓等共18道工序才能完成加工，涉及的專用工裝數量多，需要多次重複裝夾找正。而採用車銑複合加工技術，僅用二道工序通過二次裝夾，即可完成傳統工藝需18道工序加工的內容。

車銑複合加工中心適合於加工以車削為主，鑽、鏜、銑加工為輔的迴轉類零件加工。五軸車銑型複合加工中心具有的B軸擺動車削功能，特別適用於航空發動機一些結構複雜零件的半封閉型腔加工，如渦輪盤（見圖1（a）），盤軸一體零件（圖1（b））的深型腔加工。這類零件的主要結構特點是：輻板較長，型腔空間狹小，且徑向深度大，盤心孔部位軸向開口寬度窄，加工中主要難點一方面是零件薄壁結構，加工中易受切削力影響產生加工變形，影響加工精度，另一方面深腔切削過程中刀具與零件易產生碰撞、干涉，甚至打刀，造成零件報廢。為解決上述問題，除加工前進行模擬模擬，消除加工中的干涉外，同時需要設計滿足深腔加工的非標專用刀具。半封閉深型腔在普通數控車床或車削中心上加工，需要三把非標刀具才能將整個型面全部加工完成，而應用車銑複合加工中心的B軸擺動車削功能，使銑削主軸頭帶動刀具同步擺動，刀具隨著加工部位的形狀不斷地調整切削角度和運動方位，彌補了常規車削中刀桿固定不動的不足。在上述盤軸一體零件的深腔加工中只採用了一把高壓內冷結構非標刀具，通過程序設計中應用了B軸擺動車削加工技術，實現了X、Z、B軸三軸聯動車削，滿足了半封閉深型腔加工需要，減少了接刀、換刀次數，保證了深腔型面輪廓的圓滑轉接，提高了零件加工質量。

2　全程序無干預數控加工

全程序無干預數控加工技術，是將一道工序中的所有工步加工內容整合成為一段具有「人機交互」能力的數控程序，數控機床除了在工藝設計需要的計劃停車點停車以外，工序的各個工步加工內容是按照一定的次序步驟連續不斷地完成的，加工過程不需要人工干預，實現程序整體連續運行，一次啟動完成加工，改變了傳統的數控加工由操作者手工對刀、測量、上刀這種落後方式，增強操作系統的可靠性，消除加工中的誤差，將加工、測量和補償有效地融合在同一程序段中，實現由機床為過程執行主體的連續「無干預」加工模式，大大地減少了人為出錯的機率和不必要的停車時間。

全程序無干預數控加工，需要對不同結構零件的加工工藝方案、加工步驟、走刀軌跡、切削速度、切削方式、進給量及刀具結構等工藝要素進行優化設計，確保工藝要素正確合理、完整可靠，同時必須使切削過程中充分冷卻和有效地斷屑，避免加工中斷。例如在加工圖1（b）中的盤軸一體結構零件深腔結構時，粗精車加工均採用帶有高壓內冷結構的專用刀具和車銑複合加工設備，採用機床自動對刀、換刀，模擬走刀軌跡，避免刀具與零件干涉，然後根據所編製的無干預數控加工程序，選定不同的刀板形式和機夾刀片、切削參數，按照所設計的加工步驟進行加工。首先採用垂直結構的刀板，安裝4~6mm寬的切刀，進行粗開內腔和深扎內腔的加工，去除深型腔大部分餘量，其次採用「傾斜」結構的刀板，安裝圓頭刀片，用軸向分層切削方式，完成內腔輻板的加工，然後更換為徑向分層切削方式，完成深腔根部的加工，最後應用了B軸擺動車削加工技術和恆定線速度切削，完成深腔型面的精車加工。

傳統的加工方式，零件尺寸精度依靠操作者上刀補值控制、受人為的影響因素大，尺寸公差離散度大，採用無干預數控加工規範了操作員的操作步驟和次序，最大限度地降低「人為干預」的錯誤機率，將諸多方面可能出現的問題和存在的風險進行了有效的規避，加工後的零件尺寸公差90%接近中差值，而且不同操作員加工零件的時間幾乎一致，實現了標準作業時間。

3　盤鼓零件榫槽加工

盤鼓類零件輪緣上通常都帶有安裝葉片的榫槽，按形狀可分為縱樹形榫槽和燕尾形榫槽，按榫槽方向又分為軸向榫槽和環形榫槽，軸向榫槽通常採用拉削加工，環形燕尾榫槽採用數控車削加工。

3.1　榫槽拉削加工

由於榫槽尺寸精度及位置精度的不斷提高，榫槽拉削加工已由傳統的液壓內拉削方式改進發展為數控高速側拉削，數控高速側拉床具有剛性好、速度範圍大、傳動平穩，行程長、精度高、自動化程度高等特點，並可極大地簡化夾具結構，加工效率高、勞動強度大大降低。目前已廣泛用於渦輪盤、壓氣機盤及民用透平機械的榫槽加工。

某粉末高溫合金渦輪盤縱樹形榫槽拉削，設備選擇為數控高速側拉床，最大行程7500mm。設計成套拉刀共14把，排成2排分2次拉削完成。第1~7把為開槽刀，第8把粗拉齒型，第9~11把為粗拉齒底槽刀，第12把粗拉齒頂圓弧刀，第13把精拉槽底圓弧，第14把為精拉齒形刀。其拉削方案示意圖即各把拉刀的拉削餘量如圖2所示。

拉刀材料選用了粉末高速鋼材料T15，拉刀前角為15°、后角為3°，採用的齒升量為：粗開槽刀為0.05~0.055mm；粗拉齒型刀為0.025~0.04mm；精拉槽底圓弧刀為0.02mm；精拉齒型刀為0~0.025mm，拉削方式為漸切式＋全成型，優化後的拉削速度為粗拉1m/min；精拉1~1.5m/min，取得了良好的拉削效果。

3.2　環形燕尾榫槽的數控車加工

在發動機壓氣機盤及鼓筒組件上應用環形燕尾榫槽結構的較多，榫槽開口小、內腔寬，榫槽工作面輪廓度一般在0.01mm左右，其他表面輪廓度一般在0.025mm左右，製造的精度要求高,主要加工難點為：

（1）榫槽工作面節點尺寸、軸向位置精度及基準邊直徑尺寸公差要求嚴格，尤其是榫槽輪廓度要在全型面上保證，對設備刀具要求高，GH4169材料切削性差、加工硬化現象嚴重，影響零件的加工精度與表面質量水平。

（2）榫槽結構為腔大、口小，敞開性差，使榫槽加工用刀具頭大頸小，頸部強度較弱，且加工餘量較大，排屑困難，加工過程中易出現打刀現象。

環形燕尾榫槽加工應選用設備精度較高的數控卧車或數控立車，在數控立車上加工示意圖如圖3所示。按照先粗後精的加工順序，分5個步驟完成榫槽加工。第一步使用切刀，採用階梯進刀方式，將榫槽外圓及中部餘量去除；第二步使用刀尖半徑為R0.4mm、左右偏向的菱形車刀，分別加工上下部外圓基準，將直徑尺寸加工至圖紙要求；第三步使用專用的榫槽車刀，分上下兩部分，逐層將榫槽兩側的大部分餘量去除，留0.3mm餘量；第四步選用輪廓型面較好的榫槽刀片，進行榫槽最終型面加工；第五步使用圓刀片，車修榫槽底部的接刀痕，完成整個榫槽的車削加工。編程時注意盡量採用圓弧進退刀方式，以保證輪廓軌跡平滑。

4　鼓筒組合件輻板間深腔型面加工

壓氣機盤通過摩擦焊或電子束焊形成鼓筒組合件後，各級盤輻板間深腔底部型面加工一直是加工中的難點和瓶頸，特別是內腔徑向深度尺寸H大於盤心孔直徑φA的封閉狹長內腔型面加工更是鼓筒組合件加工中的關鍵。由於各級盤輪轂之間間距C小，刀具切削時在盲視狀態下加工，無法觀察監控切削情況，加工風險大（見圖4）。常規的工藝方法及刀具無法完成此類深腔封閉型面加工，只能選用懸伸較長、厚度較薄的刀具進行加工，造成刀具剛性差、強度較低，加工過程中易出現讓刀及切削共振現象，加劇刀具磨損，加工後零件表面易出現振紋，加工難度大。

工藝方案設計中，需要從刀具及工藝方法兩方面入手，首選重複定位精度高的CAPTO結構板形刀體，採用防振裝置使刀體具備良好的剛性和穩定性，刀體內配高壓冷卻液通道，將冷卻液直接送達到切削部位，解決內腔排屑和冷卻難題。加工刀具由3部分組成，包括與設備相連的轉接刀體、與轉接刀體相連的深腔刀板及刀片。轉接刀體長度隨零件軸向高度與級數不同變化，深腔刀板通常分為上、中、下3種結構，分別加工深腔底面的上部、中部、下部型面。在工藝方法上優先選用帶有機內對刀系統的數控立車進行加工，分粗加工和精加工兩步進行，對於特深狹長型腔加工，起刀點和退刀點都設在型腔內部。刀具的切削方式採用徑向分層切削，盡量減少走刀次數。首先使用中部刀板，加工內腔底部直徑φB，其次更換上部刀板，按程序設計的刀具軌跡進行加工，加工後觀察與腹板轉接處的接刀情況，修正軸向刀補，重新運行程序完成上部型面的加工；最後使用下部刀板加工其餘表面，完成整個型面加工。

提高盤類零件表面完整性加工技術

發動機構件表面質量、表面完整性作為新型發動機的設計指標正逐漸地被提出，特別是對於盤、鼓筒等關鍵轉動部件，由於其工作環境惡劣、受力情況複雜，因此對這類零件的表面質量、表面完整性及表面精細加工提出了嚴格的要求。

1　盤件振動光飾加工

渦輪盤結構複雜，表面質量要求高，特別是安裝邊與輪盤輻板形成半封閉深型腔，敞開性極差。輪盤輻板、安裝邊外圓及端面、輻板處型腔內表面粗糙度要求嚴格，均為Ra0.80μm，傳統的光整加工是在普通車床上使用砂布條、採用手工拋光方式加工，由於渦輪盤型腔敞開性差，手工拋光幾乎不可達，粗糙度不易保證，質量不穩定。

振動光飾加工通過磨料和零件的相對運動，產生微量的磨削加工作用，去除零件表面的尖邊和微小凸起，促使零件表面產生殘餘壓應力，從而提高零件的表面完整性。旋軸式振動光飾機可以正反雙向轉動，即可繞自身自轉，同時圍繞主軸中心公轉，磨料箱周期性上下往複運動，從而使零件與磨料接觸和磨削加快，大面積多方向摩擦，實現高效光整加工。

振動光飾加工時，首先將輪盤一側表面朝下通過專用夾具，將盤件安裝在機床氣動夾盤上，通過主軸系統的升降帶動零件進入磨料中，在行星輪系、運動料箱等多方面運動系統的作用下，對輪盤零件的外表面、型腔及端面進行光整加工，使磨料與零件表面產生擠壓、劃擦等運動，實現對零件的微切削高效加工。磨料成份為剛玉或陶瓷，形狀可為多邊菱形，三角形或圓形。振動光飾加工選用的頻率通常為60±5Hz，振動光飾時間通常為30~60min。完成一側表面振動光飾後，翻轉零件，重新安裝在機床氣動夾盤上，進行另一側表面光飾加工。

對振動光飾後的輪盤進行相關指標檢測，結果如下：

（1）振動光飾前後的尺寸、技術條件變化量小，在0~0.01mm之間，通過固化工藝參數和振動光飾時間，其變化量可控，振動光飾後零件尺寸精度滿足設計圖紙要求。

（2）振動光飾後表面粗糙度值降低1~2個等級。

（3）振動光飾後輪盤表面由拉應力改變為壓應力，壓應力值在-200~-500MPa之間。說明振動光飾加工不僅可改變表面粗糙度，而且可以改變零件表面的應力狀態和表面完整性。

（4）振動光飾後的表面形貌有很大的改觀，經放大50倍金相檢驗，表面紋理均勻規整，無明顯的周向走刀痕迹，表面質量得到極大的改善，如圖5所示。

2　榫槽邊緣自動成型加工

渦輪盤榫槽與端面邊緣過渡圓角為R0.4~R0.6，表面粗糙度為Ra0.80μm，並要求沿榫槽型面倒圓並拋光，圓滑轉接（見圖6）。傳統的加工方式是採用銼刀、油石及紗布條去除毛刺並拋光的工藝方法完成榫槽邊緣加工，加工後邊緣尺寸一致性較差。

榫槽邊緣的自動成型加工是在自動到角機上，採用專用倒角銑刀與機床拋光單元的拋光刷，按預先編製好的數控程序軌跡，並以一定的切削參數實現對渦輪盤榫槽邊緣進行銑削和自動拋光的複合加工，採用組合夾具可滿足不同孔徑盤件的裝夾要求，應用硬質合金專用銑刀四軸聯動銑削圓角，銑刀轉速n=25000r/min，進給量f=600mm/min，切削深度ap= 0.1mm，去除榫槽邊緣大部分餘量，粗糙度可達Ra1.60μm，然後應用兩種標準金剛石粗、細拋光刷，對銑加工後的邊緣進行圓整與拋光，完成榫槽邊緣的複合光整加工。該工藝方法倒角、倒圓後尺寸一致性好，不接觸和影響拉削後的榫槽表面和尺寸精度，降低表面粗糙度值效果明顯。

結束語

先進的製造技術是航空發動機技術發展的基礎，高性能航空發動機的發展對製造裝備和工藝技術的要求越來越高,航空發動機性能水平的提高,不僅僅是依靠提升設計水平，而是依賴於設計、材料和加工工藝技術水平的共同提高和進步，特別是對於盤鼓、軸頸等關鍵轉動部件，其加工精度和表面質量對發動機性能和可靠性至關重要。我們必須下大力氣開展高性能航空發動機製造技術的研究，在消化吸收國際先進位造技術的基礎上，結合新材料、新結構、新工藝不斷應用的實際需要，開展工藝製造技術的創新和探索，大力提升航空發動機製造技術水平。

免責聲明：本公眾號所載文章為本公眾號原創或根據網路搜集編輯整理，文章版權歸原作者所有。如涉及作品內容、版權和其它問題，請跟我們聯繫！文章內容為作者個人觀點,並不代表本公眾號贊同或支持其觀點。本公眾號擁有對此聲明的最終解釋權。