航空发动机导管加工设备与精度保障研究

潘宝山，杨 茜，林姚辰，周青锋，樊智涌

（1.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110041；2.浙江省航空航天金属导管塑性成形技术与装备重点实验室，浙江 缙云 321403；3.浙江金马逊机械有限公司，浙江 缙云321403）

随着航空技术的不断提高，航空制造业在我国经济组份中越发占据重要地位，并成为评价国家航天事业发展水平的重要标准之一。毋庸置疑，航空技术的核心是发动机，而导管作为航空发动机制造过程中必不可缺的部分，需重点关注其加工过程。这是由于航空发动机导管加工设备精度的高低对发动机导管的工作有着重要影响，对航空发动机导管加工、处理不当，在飞机飞行过程，极有可能造成发动机管道损坏，威胁机身、工作人员及乘客的安全。因此，必须加强对航空发动机导管加工设备精度的研究，尽可能提高发动机导管加工设备加工过程中的精度，进而，为飞机的安全飞行保驾护航。

1 航空发动机导管加工现状

在二十世纪八十年代，波音公司经过不懈的努力，通过3D 数字建模技术，成功设计出波音747 液压导管系统，为后续信息技术产业的发展奠定坚实基础。就国外而言，在航空领域，导管生产技术的应用已经是屡见不鲜，通过CATIA 等3D 曲面建模软以及CAD 绘图软件，从而实现导管压接核心平台的建立，并能对导管系统加以管理；通过发展各个管件、支管3D 模型，进而对飞机的导管进行模拟配置；除此之外，适当地对发动机导管进行检验，能让导管的分类管理变得更加方便，进而更好地服务于飞机制造业，让其变得更加高效。

2 航空发动机导管故障分析

根据调查表明，飞机所受到的压力对发动机导管造成的影响比预想中要大很多，尤其当压力超过波动振动的90%时，会出现压力负荷的情况，导致发动机导管出现压力脉动，进而使得导管产生共振现象，造成发动机导管不能正常工作。因此，要尽可能地避免航空发动 机导管发生共振、磨损，减少发动机导管故障的产生。

2.1 航空发动机燃油导管断裂

燃油的正常供给是飞机能够飞行的重要基础，发动机燃油导管断裂势必会引起漏油现象，以至于飞机不能正常飞行。通过分解发动机可知，装配工艺导致的发动机导管断裂的可能性极低，因此，航空发动机燃油导管断裂主要归因于飞行过程中燃油导管所受到的压力以及各管件之间的摩擦。通过体式显微镜观察，发现发动机燃油导管断裂处呈灰色、断口较为平坦、表面磨损严重，除此之外，观察部分并没有发现腐蚀和磕碰的痕迹。用扫描电镜对断裂处进一步进行观察，将疲劳源区再次放大，所观察到的线条呈放射状的棱线，并未出现冶金缺陷，而疲劳扩展区可以观察到疲劳弧线，因此，可得出长期磨损导致的发动机燃油导管断裂。

2.2 航空发动机液压导管破裂

航空发动机液压导管破裂可归因于以下三点：首先，是由于航空发动机液压导管工作中受到弯曲振动。航空发动机工作环境复杂，发动机液压导管容易受到飞行机体、外界环境以及液体流动的冲击，进而导致液压导管发生非线性振动，在振动过程中，液压导管受到重复压缩、拉伸应力的影响，长此以往，会发生疲劳性断裂。其次，由于航空发动机液压导管中的液压油在飞行过程中处于脉动状态，进而导致液压导管处于径向振动中。当航空发动机液压导管的径向振动超过一定限度时，发动机的液压导管就会出现纵向的疲劳裂纹，尤其是在液压导管弯曲程度较大的位置，裂纹更容易向外扩展，加快发动机液压导管的断裂。最后，由于腐蚀和外力作用导致航空发动机液压导管破裂。航空发动机液压导管工作时，导管的外壁容易与外界中的油渍、灰尘、水污染物等接触，这些污染物长期附着在航空发动机液压导管的外侧管壁，容易导致其受到腐蚀，长此以往，导致发动机液压导管的强度下降，加之在飞行过程中受外部压力的影响，发动机液压导管又遭受外部机械损伤，腐蚀与机械损伤共同“发力”，导致航空发动机液压导管更加容易发生破裂，因此，对发动机液压导管进行定期的维护、保养至关重要。

3 航空发动机导管加工设备介绍

导管加工过程中影响几何精度的设备主要有原材料的切割、管端加工、弯曲成形、测量设备、连接端口成形等，本文主要介绍发动机小规格导管加工常用设备，设备的基本性能和参数如下。

3.1 IKM 系列数控导管切割机

该类型切割机所采用的控制方式是伺服电机和气动控制，可用于切割钛合金、铝、钢制导管，用于切割管壁薄的导管效果最佳。由于IKM系列数控导管切割机选用的马达是伺服马达，因此能将切割速度控制为无极变速，更利于切割不同类型材料的导管。此外，IKM 系列数控导管切割机无论是是切割精度还是耐用程度都超过弓型锯和带状锯，因为，IKM系列数控导管切割机的机头的铣槽和斜切部分都可进行左右调整，因此切割的角度能更加精确，加之该切割机配备优良的水循环或空气冷却系统，切割面不仅不会发热，而且切割口不会出现毛边，切割过程不会产生粉尘，很大程度上提高了锯片的耐用性。

主要工作参数：IKM 系列数控导管切割机工作时所需电压为340V～420V，频率为49Hz～51Hz。以IKM-275PA 型切割机为例，机器的重量为230kg，其主轴的转速为28/126 转/min，锯片外径为275mm 或250mm，锯片小孔为2×11×PCD63mm，锯片内孔为32mm，最大切割圆导管外径为70mm，其中，所使用的冷却水泵功率为90W，所承受的空气压力为0.6～0.8MPa，机器外形尺寸105cm×75cm×125cm。

3.2 2CP 型导管端头加工机

2CP 型导管端头加工机主要用于修整导管末端，例如导管的扩口、卷边、去毛刺、平边等，针对不同的导管处理，可通过更换模具便能加以实现。2CP型导管端头加工机都具有双数轴和气缸钳位功能，在进行导管加工时，可选用不同速度进行加工处理。该加工设备通过一次装夹就能处理导管切割后存在的毛刺、内外倒角、平边，若能迅速更换模具，还能进一步实现37°或者45°导管扩口加工，能大大提高导管端头的加工效率。因此，还常用于飞机燃油系统和液压系统导管的加工。

主要工作参数：2CP 型导管端头加工机的工作电压为单相交流电，其工作电压应控制在342V～418V，工作频率为49Hz～51Hz，其外形尺寸为71cm×46cm×38cm，加工设备的重量为160kg。

3.3 CNC 型数控弯管机

CNC 型数控弯管机的弯管技术要来源于20 世纪四十年代的弯管机技术，目前已经发展成精度高、可重复生产管件的高性能弯管技术，基本上能满足航空发动机对导管弯曲度大、精度高的需求。CNC数控弯管机主要是通过工业PC 和PLC 程序的编写自己人机界面进行适当交互，进而实现对弯管机的控制。无论是弯曲角度、补偿角度，还是辅助轴运动的时间，都需要相应的技术人员对机器进行数字设定和程序编写，进一步对数控弯管机的系统进行控制。通过一次装夹，弯管机便能自行实现一个弯头和一个弯曲半径的弯曲加工，机器自带三维自动小车，弯管机通过一次装夹可以完成复杂3D 管件的弯曲加工。

主要工作参数：以A25CNC 型弯管机为例，其工作电源为三相交流电，电压大致340V～420V，工作频率为9Hz～51Hz，弯曲角度为0～190°，工作温度需控制在零下15℃～40℃，弯管的精度可以控制在0.05mm 或0.05°范围内。CNC 数控弯管机能够与三坐标测量机结合使用，不仅能实现复杂导管的精确测量和加工，提高加工的精度，还能提高工作效率，节约加工时间。

3.4 三坐标测量机

三坐标测量机是工业测量和尺寸数据获取的重要方法之一，其可以替代价格高的组合量规和多种测量工具组合成的大件测量工具，能将测量时间从以小时为计缩短至以分钟为计。并且，能将测量对象的尺寸数据准确、快速的得出，减少测量工作人员的工作量。三坐标测量机主要是由测头系统、电气控制硬件系统、测量软件、X 轴、Y 轴、Z 轴等组成。测量时，将被测对象放置于三坐标的空间中，便能得出被测物体被测点的具体坐标，根据被测点的坐标值便能计算出被测物体的尺寸。

3.5 5175/5720 型导管接头内胀压接套装

5175 或5720 型导管接头内胀压接主要是利用胶套内胀挤压的方式进行工作，主要用于外径尺寸为0.1875″～0.5″的铝合金、钢导管与接头进行连接，或者用于二槽无管套和接头的连接。其中，5175 型导管接头内胀压接套装包括手动泵和小压接头，适用的管径大小为0.25″～0.5 ″；5720 型导管接头内胀压接套装包括手动泵和大压接头，适用的管径范围为0.625″～0.5″。而外径工具包括各个尺寸导管对应的圆柱模和夹模，内径工具主要有扩张器、衬套、抽取器、防挤出环和密封环。

3.6 7776/7777 型导管接头内胀压接成型机

这两种型号的导管接头内胀压接成型机主要用于实现Harrison/Sierracin 无扩口胀接管袖和接头的连接，或铝合金、钛合金、钢等材料管材与其他内径挤压接头的连接。在工装模具的选择上，主要是根据管材直径、导管壁厚以及连接件的形状，进一步确定工装模具内外径的尺寸。加工成型主要是将扩张器组件插入管子内部，拉动扩张器的芯棒进而使得扩张胶圈膨胀，接着将导管壁材料压入导管套的凹槽中。

主要工作参数：以半自动型单头桌面型776SS和776LS 为例，工作电压为单相交流电，电压210V～230V，工作环境温度应控制在0～40℃，工作环境相对湿度应≤90%，776SSS 的加工范围是0.25″～0.625″的钛合金、铝合金、钢导管，7776LS 的加工范围是0.625″～0.5 ″的钛合金、钢、铝合金导管，此外，为保障安全，设备还配有过载保护和紧急停机按钮。

4 航空发动机导管加工设备精度保障思考

4.1 航空发动机导管切割加工设备

由于切割设备中，切割刀具、切割技术等的选用，都会影响航空发动机导管切割设备的精度。因此，为了保障甚至提高航空发动机导管切割加工设备的精度，技术人员应根据所切割发动机导管的材料，进一步选择合适的刀具，有必要的话还需对刀具进行重新设计，使该刀具为切割特定发动机导管而量身定做。此外，根据夹具和量具的特点，确定导管的切割用量，严格控制导管切割的给进速度。另外，为了进一步提高发动机导管切割设备的精度在切割前，应对切割设备进行校准、归位处理，工作人员严格按照操作流程进行切割，避免因操作不当造成切割误差。

4.2 航空发动机导管弯曲加工设备

对于航空发动机导管的弯曲加工，加工设备需根据导管弯曲程度进行数据设定，避免因弯曲角度数据设定过大或过小造成加工设备的误差。对发动机导管直径＜20mm 的硬导管进行弯曲加工时，弯曲加工设备所设定的弯曲半径的值应超过航空发动机导管外径的两倍，而针对导管直径＞20mm 的发动机导管进行弯曲加工时，弯曲半径设置的数值应该大于航空发动机导管外径的三倍，弯曲设备进行加工时，还应保证导管接头处与弯曲部位的距离，一般情况下，应保证在25mm 以上。

4.3 合理分析导管材料

航空发动机的导管材料多使用复合型材料，为了尽可能的减少复合型材料对发动机导管加工设备精度的影响，可在发动机导管切割、弯曲等过程中加入特定的原材料，方便加工设备进行加工。例如，在发动机导管的切割中加入钨能够适当地提高导管在常温或高温下的强度，添加钼能够让导管的强度和韧性有所加强，在导管弯曲加工设备加工过程中，不易发生断裂。同时，工作人员还应观察导管导热系数的变化，不能盲目向导管添加元素，加工设备使用过程中，还需结合实际情况分析导管冲击韧性和抗拉强度等方面的问题，避免因他因影响造成加工设备的精度变低。

4.4 结合工作环境选择加工设备

由于航天发动机导管加工设备工作环境、电压、加工导管管径等方面的不同，因此，在导管加工时，首先，需结合各个发动机导管加工设备的工作条件进行选择。例如，在进行发动机导管接头加工时，需根据发动机导管的加工要求选择合适型号，如果是对0.25″～0.625″的钛合金导管进行加工，并且设备的重量越小越好，这时，应该选择7776SS 半自动型单头桌面型导管接头内胀压接成型机；如果要对0.625″～0.5″之间的铝合金发动机导管进行加工，同时还需加工设备具有紧急停机控制和过载保护的功能，此时，应选择7777LS 半自动单头型导管接头内胀压接成型机。这样便能最大限度地减少因环境、加工条件造成的加工设备误差。

4.5 测量设备的选择

在众多工业设备的加工过程中，所采用的测量工具多为卷尺，卷尺虽能测量出加工对象的尺寸，但是在测量过程中，由于卷尺未拉直或者磨损，容易造成测量误差。因此，在航空发动机导管加工设备中，应选择测量精度高、误差小的测量设备，例如，三坐标测量机就能在很大成都上降低测量误差，进而提高航空发动机导管加工设备的精度。

5 总结

综上所述，通过对航空发动机导管故障分析、常用航空发动机导管加工设备的介绍，进而得出保障航空发动机导管加工设备精度的措施，这对我国发动机导管加工行业的发展具有重要意义，同时，还能促进我国在航空制造领域的发展。