航空發(fā)動機特種加工技術(shù)概論

1、航空發(fā)動機特種加工技術(shù)概論摘要:綜述了新型發(fā)動機上常用的幾種特種加工技術(shù), 如高能束流加工技術(shù),電加工、磨粒流加工以及特種焊接加工技術(shù)。關(guān)鍵詞: 特種加工新發(fā)動機制造技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動機設(shè)計中, 為滿足高性能航空發(fā)動機的要求, 必須大量采用新材料、新結(jié)構(gòu), 于是產(chǎn)品的可制造性就對制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn), 如難加工材料、復(fù)雜型面、精密表面的加工及特殊要求的零件加工等問題。特種加工技術(shù)的采用, 可使航空發(fā)動機零件數(shù)量減少, 結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化, 從而在性能、適用性、可靠性、維修性等方面均得到提高。特種加工技術(shù)是借助電、熱、聲、光、電化學(xué)、化學(xué)及特殊機械能等多種能量或者它們組合起來實現(xiàn)材料去除的加工方

2、法。1 高能束流加工技術(shù)高能束流加工技術(shù)被譽為“21 世紀(jì)加工技術(shù)” , 是利用高能密度束流(激光束、電子束、等離子束 作為熱源, 對材料或構(gòu)件進行特種加工的技術(shù), 包括焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性和刻蝕、精細(xì)加工等。近20 年來, 高能束流無論在加工范圍、加工種類還是在加工材料方面, 都有很大的覆蓋面。1.1 電子束加工技術(shù)利用高能密度的電子束對材料進行工藝處理的方法統(tǒng)稱為電子束加工技術(shù), 如焊接、制孔、切割、表面改性、物理氣相沉積等。其中, 焊接、制孔應(yīng)用最為普遍。為保證新型發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量減輕和結(jié)構(gòu)完整性的提高, 采用真空電子束焊接是保證重要承力構(gòu)件可靠性的重要工藝手段。電子束焊接技術(shù)

3、發(fā)展已有30 多年歷史, 廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機重要承力旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上, 如R B 1 9 9 , R B 2 1 1 , V 2 5 0 0 , PW 4 0 0 o ,F1 0, C FM 56 , A JI 一3 1 小, P幾一3 等發(fā)動機的風(fēng)扇、高低壓轉(zhuǎn)子等, 焊接零件材料主要為欽合金和高溫合金。我國電子束焊接技術(shù)已用于焊接發(fā)動機鼓筒軸、整體轉(zhuǎn)子、機匣、靜子環(huán)、燃燒室等。如某型發(fā)動機1 2 級欽合金(Ti l7 、4 9 級高溫合金(G H 4 1 6 9 壓氣機轉(zhuǎn)子、燃燒室外套、高壓渦輪機匣(異種材料G H g o 7 / G H 4 1 69 、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子及某型發(fā)動機1 一2級欽合金、4

4、 7 級高溫合金壓氣機轉(zhuǎn)子、燃燒室內(nèi)外套等部件就采用了高壓電子束焊接技術(shù), 這些都是在北京航空工藝研究所自行研制的9 m 3 真空高壓電子束焊接設(shè)備上進行的。由于航空發(fā)動機零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高、材質(zhì)多樣, 尤其是異種材質(zhì)的焊接, 要求電子束焊接技術(shù)具有多功能、數(shù)控化、精度控制、能量集中、穿透能力強等特點, 這些將是“九五”期間應(yīng)進行重點研究的主課題。利用電子束可在。.1 1Om m 厚的板材上加工出必。.1 1 .4 m m 的孔,打孔速度可達(dá)1 0 s x 1 O3 孔/ s , 孔壁再鑄層厚度為0.05 m m 。電子束適合于生產(chǎn)量大、孔密集的零件加工。南方航空動力機械公司引進了西德數(shù)

5、控電子束打孔機床, 用于研制法國阿赫耶發(fā)動機燃燒室氣膜小孔加工。1.2 激光束加工技術(shù)激光加工技術(shù)是利用高能量密度的激光束與材料相互作用時產(chǎn)生的瞬時熱效應(yīng)和方向性很強的沖擊波效應(yīng)的綜合作用來實現(xiàn)對材料的制孔、切割、焊接、雕刻及表面改性等不同目的的加工方法。激光被譽為“萬能加工工具” , 在航空、航天、電子、兵器、船舶、汽車、機械等領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位。為了提高發(fā)動機的推重比, 必須提高渦輪前溫度, 因此在渦輪葉片上采用氣膜孔冷卻是最為有效的技術(shù)之一。而激光制孔是目前加工航空發(fā)動機耐熱合金冷卻小孔的比較先進的工藝方法, 適合加工不同尺寸和角度、空間分布的小孔。如我國某型發(fā)動機的渦輪工作葉片和某型發(fā)動

6、機的渦輪外環(huán)孔板、導(dǎo)向葉片葉身及組件氣膜冷卻孔就采用了激光制孔技術(shù)。激光切割技術(shù)主要用于切割特種航空材料, 如發(fā)動機火焰筒、欽合金薄壁機匣等。某型發(fā)動機渦輪靜子環(huán)精密葉形孔的制作就采用了激光精密切割技術(shù)。激光焊接技術(shù)已用于V 2 5 o 。風(fēng)扇機匣, PW 公司JT gD ,p w Z o 3 7 , PW 4 0 0 o , F 1 0 o 一p w一2 2 0 等發(fā)動機燃燒室的激光焊接, 此外PW 公司還利用激光束對PW 4 。o 型發(fā)動機渦輪葉片的葉冠進行堆焊, G E 公司已用激光堆焊來修復(fù)高壓渦輪葉片。1. 3 等離子束加工技術(shù)為提高新型發(fā)動機熱端部件的耐高溫性能, 有賴于采用等離子

7、噴涂技術(shù)在其構(gòu)件上涂覆具有特殊功能的高溫涂層, 即高溫?zé)嵴?、高溫耐磨、高溫封?yán)等涂層。此外, 涂層可提高基體材料的使用性能并改善發(fā)動機性能, 延長零部件的壽命, 從而降低制造成本。如美國PW 公司F l lg 發(fā)動機就大量采用了先進的防護涂層, 熱端部件采用熱障涂層, 冷端部件均采用封嚴(yán)涂層、耐磨涂層和防護涂層。F 40 4 發(fā)動機導(dǎo)向葉片、加力燃燒室均采用了熱障涂層。我國某型發(fā)動機上加力筒體隔熱屏熱障涂層及高壓渦輪外環(huán)高溫封嚴(yán)涂層均采用了等離子噴涂技術(shù)。2 特種焊接技術(shù)特種焊接技術(shù)包括電子束焊接、摩擦焊、激光焊接、真空釬焊、擴散焊、等離子弧焊等技術(shù)。2 .1 摩擦焊技術(shù)G E 公司采用慣性摩

8、擦焊焊接整體壓氣機鼓筒, 轉(zhuǎn)子重量可減輕15 % , 材料節(jié)省30 % , 成本降低50 % , 獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫質(zhì)量和高的尺寸精度。F z o z , F 一2 0 , C F 6 , C FM5 6 等發(fā)動機的壓氣機轉(zhuǎn)子也廣泛采用了慣性摩擦焊技術(shù)。2.2 真空釬焊技術(shù)該技術(shù)已用于壓氣機靜子環(huán)、蜂窩封嚴(yán)環(huán)(或扇形段 、渦輪導(dǎo)向器及其外環(huán)、渦輪工作葉片的堵蓋等零組件的釬焊。如Pw 公司的JT 3 D , JT SD , JT g D 發(fā)動機高壓靜子環(huán), F 4 o 4 發(fā)動機的風(fēng)扇靜子, G E 公司的F1 01 , C FM56 發(fā)動機的4 一9 級靜子環(huán)和燃燒室均采用了真空釬焊技術(shù)。真空釬焊

9、技術(shù)在我國航空發(fā)動機試制和批量生產(chǎn)中均有一定的應(yīng)用, 特別是在發(fā)動機上大量采用金屬蜂窩封嚴(yán)技術(shù),使真空釬焊技術(shù)得到較快的提高和發(fā)展。2.3 擴散焊技術(shù)該技術(shù)已用于空心葉片和導(dǎo)向器葉片組的組合, 也為開發(fā)多孔層板結(jié)構(gòu)和組合盤結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)手段。在發(fā)動機研制中, 超塑成形和擴散連接相結(jié)合是制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的最佳工藝之一。英國R· R 公司發(fā)展的第三代寬弦無凸肩風(fēng)扇葉片, 就采用了該工藝, 此空心風(fēng)扇葉片重量較第二代夾層空心葉片減輕15 % ; 美國PW 公司于1 9 9 5 年在PW 4 o 8 4 發(fā)動機上采用了該工藝, 生產(chǎn)了2 0 0 。件欽合金空心葉片; 美國G E 公司利用該工藝

10、制造了。: 欽鋁化合物的主排氣密封裝置和尾噴管殼體試驗件(F 4 O4 發(fā)動機 。北京航空工藝研究所采用S PF / D B 工藝技術(shù)研渝了某型發(fā)動機的欽合金空心風(fēng)扇導(dǎo)流葉片, 經(jīng)過試車, 效果良好, 現(xiàn)已投入試制批生產(chǎn)。2.4 等離子弧焊接、氫弧焊等離子弧焊接技術(shù)主要用于發(fā)動機欽合金、時效硬化鎳基合金構(gòu)件及馬氏體不銹鋼等構(gòu)件。美國G E 公司將此技術(shù)用于F1 01 發(fā)動機排氣管道和加力燃燒室噴管; 英國R·R 公司將此技術(shù)用于大直徑的欽合金筒體和錐形飯金殼體結(jié)構(gòu); 我國在飛機、發(fā)動機制造上也均有一定的應(yīng)用, 特別是薄板構(gòu)件的微束等離子焊接已得到廣泛應(yīng)用, 顯示了該技術(shù)對控制薄板構(gòu)件

11、的變形、減少裂紋和提高效率的突出特點。氫弧焊(包括真空充氫電弧焊應(yīng)用更為普遍, 焊接機器人已用于焊接燃燒室、風(fēng)扇輪毅等重要部件。近年來出現(xiàn) 5 7 坐標(biāo)智能自動焊接系統(tǒng), 能按焊接條件的變化識別和控制影響焊接質(zhì)量的參數(shù), 并及時地做出響應(yīng)。3 電加工技術(shù)電加工技術(shù)包括電解(含電射流加工技術(shù)、電火花加工技術(shù)等, 是發(fā)動機研制中最常用的特種加工技術(shù)。3 .1 電解加工技術(shù)電解加工是難加工材料的高效、低成本加工技術(shù)。該技術(shù)主要用于欽合金和高溫合金的各種葉片型面、各種機匣的型面、整體葉盤結(jié)構(gòu)以及各種深小孔的加工。在80 年代, 英國R ·R 公司的渦輪葉片車間電解葉片月產(chǎn)量達(dá)2 萬多片, 機

12、匣車間電解加工品種達(dá)87 種之多。美國Pw 公司F1 01 發(fā)動機長45 7 m m 的風(fēng)扇葉片也采用了電解加工工藝。我國某型發(fā)動機欽合金風(fēng)扇葉片、高壓壓氣機 4 9 級葉片方料毛坯采用電解加工, 轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中已加工出C FM56 發(fā)動機高壓后軸上36 個曰1.45 m m 、深70 m m 的小孔, 某型發(fā)動機試制中還加工出曰sm m、深1 6 o m m 的滑油孔。照相一電解加工技術(shù)是一種高效、經(jīng)濟的加工方法, 適合于薄板零件上的群孔加工, 其特點是加工后孔無毛刺、板不變形。該技術(shù)在某型發(fā)動機研制中發(fā)揮了很大的作用, 如欽合金空氣導(dǎo)管阻尼套筒上近9 萬個小孔就應(yīng)用了該技術(shù)。該技術(shù)還在多孔層板

13、結(jié)構(gòu)中起著很重要的作用, 這種新的結(jié)構(gòu)是在高溫合金薄板上打孔、開槽, 以形成復(fù)雜、高效的冷卻通道, 然后將有冷卻通道的薄片擴散連接在一起制成多孔層板, 再利用它制成葉片、火焰筒。美國PW 公司F ll9 發(fā)動機浮壁式燃燒室和渦輪葉片已采用多孔層板結(jié)構(gòu)。另外, 電射流加工技術(shù)現(xiàn)處于預(yù)研階段, 在某型發(fā)動機渦輪工作葉片上進行了干涉孔、橫向連通孔試驗, 加工出的孔無再鑄層, 無微裂紋。3.2 電火花加工技術(shù)該技術(shù)適合于材料硬度高、難切削以及易變形的薄壁件上的各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔、小孔、盲孔、凹槽的加工, 其典型應(yīng)用是發(fā)動機熱端零件氣膜冷卻小孔、噴油嘴的小孔、燃油閥精密型孔的加工。美國C FM 56 發(fā)動機短環(huán)形燃燒室70 0 多個氣膜冷卻孔的加工就采用了組合式多頭數(shù)控電火花加工技術(shù)。我國某型發(fā)動機