我国航空发动机制造业从引进斯贝发动机开始,并随着上世纪90年代投入了一些型号攻关项目,逐步引进了一些精铸、精锻方面的全套设备,各类金属切削机床,焊接和热处理设备,计量仪器和理化测试仪器等,尤其是后来承担了大量RR、GE、PW的外贸转包业务,引进了大量高档数控设备,学习到了很多发动机先进制造技术。经过30多年的学习和自主攻关发展,在数控加工、缓进磨削、拉削、电子束焊、等离子喷镀和各种无损探伤检验等方面的技术和装备都通过反复实践而得到巩固和发展,GE一台发动机80-90%的零件都可以在中国完成加工。但是这些零件大部分都是在国外品牌机床上加工制造的,这类机床主要集中在高档五轴立/卧式加工中心、数控坐标镗加工中心、数控坐标磨削加工中心、立式车磨复合加工中心、高速叶尖磨机床、高精度数控拉床以及各类多功能复合的专用金属切削设备。但是,外贸加工主要集中在冷加工领域,零件和组件加工的特种工艺受制于设备及相应的工艺水平,例如涡轮叶片涂层设备、压气机和高压涡轮转子组件摩擦焊设备、涡轮叶片和火焰筒小微群孔打孔设备等方面。目前,完成特种加工工艺的国产机床设备市场占有率尚待提高,而这些特种工艺恰恰是利润率最高的工序之一。特种工艺装备的提升将有利于降低我国航空发动机制造业的综合成本、提高国产航空发动机的市场竞争力。
1设备的共性技术分析
(1)高刚性、高效率
航空发动机零件大多采用难加工材料,高效加工常采用强力切削方法,因此对数控机床的刚性要求较高。
床身和进给系统:一般要求机床基座和床身结构是整体经过动力学仿真与验证的最佳结构,具有±2μm的平面精度,机床直线轴、旋转轴热稳定性好。
切削主轴:钛合金切削的最佳线速度在200m/min左右,高温合金切削最佳线速度在120m/min,但是航空零件的多特征需要不同直径的刀具,不同阶段的加工需要设定不同的切削深度。这就要求切削主轴可以在较宽的切削速度范围内具备较大的恒扭矩输出能力,高速下主轴刚性要好。对主轴的结构设计、线圈缠绕工艺、冷却润滑系统、密封、轴承及支撑方式等都提出了很高要求,如采用动静压轴承(陶瓷球)保障最低磨损状态下实现高主轴转速,提高刚性,带有顶级的槽口润滑,防漏端面迷宫密封接头可提供良好的空气密封。
(2)高精度、高动态响应
航空发动机零件对尺寸精度、几何元素的形位精度要求高,特别是薄壁零件刚性差、加工过程易变形,加工后尺寸和位置度等难以检查,需要一次成形,并采用在机方式进行测量,对数控机床的加工精度要求较高。机床动态性能不足引起的动态误差是高速高精运动过程中影响加工精度的最主要因素之一。通过选择带有光栅尺的全闭环反馈系统和稳定的静压导轨,可保证数控机床具有较高的定位精度和重复定位精度。要求伺服进给具有高加速性和较短的定位及启动时间,对主轴振动、漂移和温度进行实时监控并调整,并具有较好的精度保持性,具有在机检测功能。同时要求一机兼备粗加工和精加工能力,可以提供粗加工、预加工、快速加工、精加工和超精加工等多种功能的最佳配置,以保证工件的高质量和高精度加工要求。
(3)高可靠性、高精度保持性
机床的可靠性涉及因素很多,是一个系统问题。从用户角度看,像Starrag(斯达拉格)等精度保持性比较好的机床,其结构设计的各个环节都有合理分配承载力和切削力分散的机构或装置。例如,为避免切削扭力集中,摆动头采用伞齿轮和蜗轮蜗杆结构,并通过增加多齿接触和增大接触面的设计,有效分散切削承载力,从而减缓磨损;主轴和立柱箱有中空的减震和水冷设计,可以衰减振动并减小重载切削变形;工作台和进给轴等装有过载切削保护传感器,在崩刃等突发情况下可以保护机床不受损。采用的主轴静压轴承(陶瓷球)可以在最低磨损状态下实现高主轴转速和高刚性。此外,控制主轴精度、基础件几何精度和各轴的运动精度,可以有效降低非正常磨损造成机床精度衰退。总体上,机床整体采用稳定的热对称结构,采用可靠性比较好的机床主轴头、主轴、回转摆动工作台,关键部件提供连续水冷功能,可以保持机床长期的高可靠性。
(4)强大的冷却与绿色加工环境
航空难加工材料在加工过程中会产生大量的切削热,从而降低刀具的使用寿命,还会使零件产生较大的加工应力,在加工后甚至在使用过程中产生较大的变形,影响发动机零件使用的可靠性。因此需要机床具有良好的切削冷却功能,如内冷和水基油基方便切换的高压外冷,带有油雾润滑、液氮冷却、干切削吸尘等功能。
(5)操作便捷且易于维护
航空发动机零件装夹复杂且易出现异常切削现象,因此要求机床上下料装夹和找正操作可达性好,采用大尺寸车门和观察窗,窗口工位姿态舒适。排屑器需有宽大的排屑口且没有死角区域,带工件喷淋功能的综合清洗系统,能够适用于湿式或干式加工。
所有需要定期维护的组件均应易于操作,如过滤器、刮水器等要能易于更换零件。同时,为维护人员提供安全工作区域,例如平台和固定点。可配置状态监控机器,预测组件的潜在故障。
(6)功能强大的控制系统
数控机床的加工运动是通过控制系统的指令实现的,因此一个稳定的、功能强大的控制系统是数控机床充分发挥作用的可靠保证,否则数控机床无异于普通机床。功能强大的控制系统可根据不同的加工工况,对各运动部位的传动参数进行实时调节,对控制行为和数控路径规划进行详细的开发和优化,以实现几何精度、表面质量和生产率的完美结合。
(7)专机化、智能化
整体叶盘、涡轮叶片、喷嘴组件、涡轮盘、机匣等零件产品附加值非常高,这类零件的加工质量要求高、加工难度很大,而且机械加工往往是最后一道工序,一旦超差将造成整个零件报废,因此针对这类典型零件的复杂结构与表面特征开发专机设备非常必要。
针对典型零件提供全面综合解决方案,除了传统的数控加工工艺方案和切削方法外,还包括专门开发CAM系统、加工系统及过程监控系统的集成;提供个性化的夹具,设计单独的适配器方案,夹爪可针对复杂表面和预加工面进行灵活操作,不同夹具之间的基准转换几何偏差可在系统中进行自动偏置补偿,并可兼容多种夹具,自动托盘交换装置夹具更换方便;通过预见性特征和动态预选提高高速加工时的轮廓精确度;甚至针对不同零件开发系列化刀具方案。
航空发动机零件加工对智能化需求的难点和亮点主要体现在工艺过程中,如加工过程的自适应控制、工艺参数自动推荐与生成系统,简化编程、操作智能系统,集成装/卸单元中的精密定位托盘(3R、Mecatool和Yerly等),智能监控、智能诊断及维修等。