特种加工技术在航空发动机制造中的应用探究

王鹏俨

摘要：特种加工技术在航空行业发挥着关键和不可替代的作用，在克服航空制造传统机械切削的瓶颈，提高生产能力、产品质量、生产率和经济性方面取得了长足的进步，也是我国为航空发动机制造的重要技术。

关键词：特种加工技术;航空发动机

在现代航空发动机设计中，对高性能航空发动机的需求需要大量新的材料和结构，因此产品的生产能力给生产技术带来了新的挑战。例如难加工材料、型面复杂、精密表面加工和特殊零件加工。使用特殊的加工技术，发动机零件的数量可以减少，结构可以简化。这提高了性能、适用性、可靠性、可维护性等。

一、特种加工技术的特点及发展趋势

特殊加工（也称为非传统加工）是第二次世界大战后开发的类别的通用名称，不同于常规切削和研磨方法。特殊加工方法将电、磁、声、光等物理和化学能量直接施加到工件的工作部分，去除、堆积、变形或改变材料特性。特殊加工方法可用于难以制造的传统加工方法，如采用高强度、韧性、硬度、脆性、高温和工程陶瓷、磁性和复杂零件的精度、细度和加工。特种加工方法具有以下特点：

1.特种加工工艺的特点。特种加工技术广泛应用于航空航天领域，具有以柔克刚、精密细微、仿形逼真三个特点，主要有：（1）加工方法主要用电能、光能、声能、热能、化学能去除材料。（2）在传统加工方法中，刀具必须比工件坚硬，即以硬切软;（3）加工对切削力没有显着影响，一般不会引起加工硬化，因为工件变形小，发热量小，或者仅用于工件表层加工，工件的热变形小，因加工产生的应力小，质量容易达到。（4）特殊加工过程中的能量转换和控制简单，有助于保证加工的准确性和效率。（5）特种加工方法去除材料的速度通常比常规加工方法慢。这也是传统加工方法在机械加工中继续发挥重要作用的主要原因。（6）加工领域独立于材料的物理和力学特性，可以为复合材料如钛、热科不锈钢、硬钢、高强度等难以加工的材料找到解决方案。（7）具有复杂型面、易于加工且具有细微机构的零件。复杂的三维型腔、型群孔、窄槽、窄缝等。（8）适用于低刚度零件，如柔性、薄壁、弹性部件。（9）在热、残余应力、冷作硬化、热效应等条件下，很容易获得良好的表面质量。（10）各种处理方法可以结合起来，使其成为一种新的处理方法。

2.特种加工技术的发展。随着现代航空航天工业和科技的发展，特殊的加工技术不仅有效地补充了传统的机器程序，而且是新技术、方法和工艺的有效武器开发，使现代航空能够满足新的性能要求。专业化的加工技术不断发展和迅猛发展，应用目标和开发空间的结合不断扩大。为了进一步拓展和扩大航空航天领域的应用范围，现代特种技术发展的大趋势有三个主要方面。（1）采用计算机技术的专业化设备管理系统、电源系统优化、参数化适应综合控制、数据库建设等。构建专用CAD/CAM和FMS处理系统是现代专用工艺流程发展的主流。（2）为了满足产品的高技术性能要求和新材料的加工要求，必须开发一种新的复合工艺。（3）相对精密化的特殊加工工艺，使航空设备部件精度和表面粗糙度要求更加严格。

二、航空发动机特点

钛合金、复合材料和高温合金等特殊材料经常用于航空发动机，这些材料通常具有大硬度、高强度、强韧性、高熔点、大脆性等特点。因此，在常规工况下，很难用机械切削方法有效地将其分割，且飞机发动机加工孔的大部分位置都在复杂的型面和零件结构上。如涡轮、燃烧室和喷嘴等零件。菱形孔通常需要深度加工。这些加工位置中的差错更有可能影响产品的最终质量。此外，在许多情况下，必须在一些薄的或有弹性的零件的表面上钻孔，这大大增加了钻孔的难度。在航空发动机的生产过程中，还需要加工和生产精密控制元件和微型系统零件上直径小于0.1毫米的微孔。许多不同空间结构的小孔需要在火焰筒零件上加工。以上孔很难加工，由于不合格或精度不够容易引起不合格的质量。航空发动机在高温、高压和高速的极端条件下运行。同时，它需要重量轻、油耗低、可靠性高、使用寿命长和再利用。这是一种集成、多学科的高端产品。其特点是核心技术的堆集。没有核心技术，就不会有现代先进的现代先进的航空发动机对单位推力、推力比、超音速巡航、推力矢量功能、隐形性能、高可靠性、耐用性和良好维护提出了更高的要求。对材料和制造技术的更严格要求导致了从普通合金到新的高温、轻质高强合金的各种应用;从单工序到多工序研究;从数字化、自动化、信息化到智能化生产。新材料和复杂的结构发动机设计使零件加工更加困难。虽然有些不能用常规加工实现，但特殊的加工方法在某些领域不可替代，越来越多地用于常规机器加工的缺失。目前，传统的特殊加工技术，如火花、电化学、激光、电子束及离子束加工加工等。广泛用于航空发动机生产，但随着新材料和结构的出现，闭式整体叶盘的电火花多轴加工技术、精密电解加工技术、陶瓷复合材料超高速激光加工技术、激光冲击强化技术和高压水射流强化技术在新技术开发中发挥着越来越重要的作用

三、特種加工技术的应用

1.加工叶片榫齿。叶片是航空发动机重要的部件，旋转和静态叶片都需要很高的尺寸精度，并具有加工叶片榫齿技术，可以粗糙和精加工用专用锉刀，高合金、加工速度和许多因素存在薄弱的限制，如因刀具磨损导致的加工效率显着提高。

2.复合加工用于蜂窝组件。复合加工技术，通过蜂窝点间焊接可靠的焊接，可以有效利用运动材料。为了获得蜂窝孔、均匀分布和热变形等重要特性，该过程通过储能点固定在航空发动机外环上，并在焊接过程中与工件紧密连接，以保持电磨轮与蜂窝之间的电解磨特种加工压力。

3.软管火焰屏蔽金属钎焊。是氧乙炔火焰中高效钎焊的重要技术。由于航空发动机金属软管没有固定在火焰钎焊之前，钎焊配件软管和航空发动机之间的最小温差必须固定到大约340℃，以保证航空发动机的钎焊质量。此外，其料接近到熔融温度，并加热后的软管金属刷涂抹直径30毫米，外焰继续随外焰继续。

四、特种加工技术在我国航空发动机制造业中的应用

特殊加工工艺包括电火花成形、电火花线切割、激光、电化学、电子束、超声、离子束、等离子弧加工等。过去十年来，我国航空制造商一直跟上国际设备行业的步伐，在世界机床加工中为各种特殊设备引进了一系列先进的特种设备。其特种装备的支持水平与欧美等发达国家大体相同。我国航空发动机的特殊加工工艺及制造主要应用领域有：

1.电加工技术具有独特的加工特性，是加工复杂材料和精密零件的有效手段，可以解决常规加工手段不能或不能解决的生产问题。过去，涡轮机叶轮三维几何通道无法制造。它通常是用五轴联动铣床制造的，但它只能在没有打开的极端螺旋几何通道中制造。然而，现在可以加工六轴或以上的电动火花成型机。目前，电加工技术主要应用于发动机很多零件加工，我国传统电力处理技术的应用相对较发达，特别是近年来在航空部门引进了一些先进的电力处加工设备，使电力处理技术更接近国际先进制造标准。

2.20世纪70年代，电化学加工技术被应用于航空工业。对于不能加工或加工成本高的型面、型槽，电化学加工设备可以在没有复杂材料、型面和无重熔层的情况下，对好的表面进行微加工。目前，电解加工设备在国际上使用，代替了常规加工设备，一般用于实现整个盘叶片、叶轮的叶片型外部尺寸和表面粗糙度的精确设计和电气化技术要求。涡轮转子和所有经电解加工的叶轮均由高温合金零件制成，套料加工在叶盆、叶背后部成形一次，叶片精度为0.1mm，表面粗糙度值为0.8μm，这是航空航天领域的优先加工方法之一，方法是简单地对每个叶片进行一次电解加工。我国在整个发动机叶片使用电解设备的加工技术上仍然落后，现在加工成整个叶片的电解设备已经发展起来。

3.激光加工技术广泛应用于航空发动机零件的生产和维护，激光加工设备主要用于两种类型的孔加工和切割，适合于空气发动机叶片和燃烧室等零件的钻孔和切割。例如，DMG生产的五轴激光打孔机主要用于航空燃气轮机零件内部冷却空气孔的加工，具有加工精度高、效率高、适应性强的特点。目前，采用激光焊接、熔敷、强化、热处理以及3D打印新技术和设备来制造和维护发动机零件。风扇叶片已通过使用激光加固技术使用寿命增加。气体压机、燃烧室和涡轮等零件的生产主要通过激光孔、切割和焊接，可以提高零件的加工效率和加工精度。

4.电子束处理技术主要用于物理热障涂层的焊接和制造。电子束焊接技术和设备已经成为我国航空发动机生产中的重要技术和设备。由于电子束焊接变形和热影响小，它被用来焊接航天飞机发动机的装配，如主燃烧室、热气歧管、涡轮泵高低压燃油等。并且这在特别是发动机焊接转子的生产中起着重要的作用。电子束焊接技术基本上符合国际标准，我们已经掌握了一些关键技术，但仍有改进电子束焊接技术，复杂的结构，新的材料，压水平枪焊接需要提高。

5.等离子弧处理技术和设备主要用于零件领域，即。板材材料的涂覆即热喷涂和切割。特别是等离子喷涂技术，广泛应用于发动机热端涡轮叶片和导向叶片的高温防护涂层的生产。它在防止发动机主要部件隔热、耐高温、抗磨损、密封和轻微磨损和着火方面发挥了重要作用。直到20世纪90年代初，等离子喷涂技术和设备是从瑞士和美国等发达国家引进的。

6.金属表面强化技术近年来受到越来越多的关注，在改善材料表面性能、延长部件寿命、节约资源和提高性能方面发挥了重要作用。金属表面強化技术诞生于20世纪60年代的美国，80年代末应用于航空航天。20世纪90年代，我国逐步从国外采购先进的数控喷丸机，并对玻璃、铸钢及陶瓷丸等进行喷丸处理。目前，我国表面强化技术已经开发研制了超声波喷丸技术、表面光整技术等顺应国际发展趋势，以便进一步改善材料表面特性。

在过去十年里，特殊加工技术迅速发展。它在全世界引起了越来越多的关注，发挥了越来越重要的作用。特殊加工使用不同形式的能量加工零件。它与传统的切削技术相比特种加工这种加工方法通常具有以柔克刚的优点，对加工力的影响较小。为了进一步提高特殊处理技术的水平和扩大其范围，并考虑到特殊处理技术目前的发展趋势，先进的特殊处理技术对于确保航空发动机的结构完整性至关重要。它的研究、开发和应用直接关系到航空发动机的质量、寿命和可靠性，随着特种加工技术的进一步发展和掌握，即使是最深层的东西也会变得简单。随着电子学技术的发展如线切割，特种加工技术将不再罕见。作为一种普通的加工技术，广泛应用于加工行业的各个角落。

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