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WMEM|航空（kōng）發動機關（guān）鍵製造技術現狀及趨勢

2019-5-16 來源：轉載作（zuò）者：-

航（háng）空發動機關鍵製造（zào）技術是未來我國航空發動機工業發展的一（yī）個重要指標。傳統的製造工藝和（hé）生產模式已經無法滿足航空發動機製造在高精（jīng）度、高質量、高效率、高可靠性等方麵的需求，隨之而來的三軸、四軸、五軸數（shù）字化加工是未來（lái）中國（guó）航（háng）空發動機製造業發展的重要基礎。

基於航空發（fā）動機高複雜性（xìng）、高可靠性（xìng）等要求，目前航空發動機製造能力仍然按照“製造→試驗→修正製造→再試驗…”的模式，這就注定（dìng）了航空發動機研製本身不（bú）但是個高科技事業（yè），還是一個（gè）高投（tóu）入（rù）的事業。我國在航空發動機研製試驗初期走了不少彎路，幾經坎坷，“三落四起（qǐ）”，目前正處於“第四起”的階段（duàn），對我們既是機遇（yù）又是挑戰。世界上隻有少數的幾（jǐ）個國家具備航空發動（dòng）機製造（zào）技術，它代表了一個國家的科技水（shuǐ）平、工業水平和綜合國力。

通過幾代航（háng）發人的共同努力，我們實現了由噴（pēn）氣發動機向渦扇發動機的曆史（shǐ）性跨越，由小推力到中等推力向大推力轉變，由二代半向三代機、四代機轉變。目前正在開展四代（dài）機及大推力、大涵道比發動機的研發（fā）工作，發展的需求客觀上要求（qiú）我們用更先進的製造技術引領航空發動機技術的（de）提升。

主要關（guān）鍵製造技術（shù）有：整體葉盤、葉環製造技術；靜子、轉子葉片製造技術；機匣製造技術；寬弦風扇葉片製造技（jì）術；金屬基、陶（táo）瓷（cí）基及（jí）碳/碳複合材料構件等製造技術（shù）。

航空發動機需在高空、高速、高溫（wēn）、高（gāo）壓、高轉速和交變負荷的惡劣條件下長期、重複、可靠使用（yòng），與其他運載係統的動力相比，航空發動機是世界上工作（zuò）條件最苛刻，結構最複雜的物理係（xì）統。正如美國在其國家航空（kōng）發動機關鍵製（zhì）造技術推進計劃中（zhōng）寫到的：“這是一（yī）個技術（shù）精深得使新手難以進入的領域，它需要國家充分保護並利用該領域的成果，需要長（zhǎng）期數據和經驗的積累以及國家大量的投資。”

為滿（mǎn）足我國航空發動機更新換代需求，重點需建立、健全航空（kōng）發動機發展型譜。這就使得近年來（lái）發動機機種多，研製周期短，技術難度大。為了能更好地完成各個型號研製的預（yù）定目標，科學高效地開展技術（shù）創新和工（gōng）藝突破，提高技術（shù）成熟度，成為當務之急。

1.梳理（lǐ）流程

在關鍵製造技術領域，以往的技術工作（zuò）一般是圍繞型號任務開展。型號任務下達（dá）後，設計部門（mén）下達技（jì）術圖紙和標準，我們圍繞圖（tú）樣和標準去開展工藝準（zhǔn）備。在（zài）消（xiāo）化圖樣和標準的過程中，不斷發現問題（tí），發現新的工藝（yì）難點和新技（jì）術，再針對新工藝、新（xīn）材料進行立項攻關。

由於之前沒有（yǒu）技術儲備，往往導致研製周期過長，型號（hào）節點一拖再拖（tuō）。針對相關問題，我們需要重（chóng）新梳理流程，改變以往下達圖樣→工藝準備→立項攻關→工藝定型的模式，使相關工作與設計過程（MBD）並行實施。即在設計階段（MBD）開展工藝預（yù）先研究→三維圖下發→工藝準備→工藝定型。針對設計提出的要求開展新材料、新工藝的預先研究，縮短產品研發（fā）時間，提高研發效率。這樣就可以在設計階段即開（kāi）始新工（gōng）藝（yì）和新技術的攻關工作，為型號研製做好（hǎo）技術儲備。當研製任務正（zhèng）式下達（dá）時，可以立即進入生產階段，減少大量的攻關（guān）時間，大大提高研發效率。

2.知識管理

隨著科研型號的不斷增多，新材料、新工藝技術應用也越來越多。但往往（wǎng）隨著優秀專家和技術人才（cái）的（de）退休（xiū）離崗，在新（xīn）材料、新工藝應用（yòng）過程中產（chǎn）生的（de）寶貴經（jīng）驗和知識財富也不斷流失。同時，湧入（rù）的大量新生力量，缺少相關經（jīng）驗知識的支持。如此，人才（cái）隊伍建（jiàn）設能力（lì）不能滿足繁重的型（xíng）號（hào）任務要求。

因（yīn）此（cǐ），建立具有專業（yè）特色的知識工程平台（tái），全麵解決（jué）知識積累、共享瓶頸（jǐng）；打造型號研製創（chuàng）新平台，提高研發效率，提升工廠綜合創（chuàng）新能（néng）力，成為（wéi）當務之急。將知識工（gōng）程與工廠（chǎng）型號研發實際結合（hé）起來，針（zhēn）對型號產品研發過程中（zhōng）的工裝設計、材料、製造過程模擬、工藝（yì）改進、產品檢測（cè）等進行知識積累、存儲、共享、應用和創新，建設全麵的知識工程（chéng）支撐平台和計算機輔助創新工（gōng）具，實現知識的快速積累、深度挖掘、充分共享和（hé）高效應（yīng）用，全麵係統地提高型號研製的科研水平，以利經驗（yàn）傳承和創新驅動（dòng），最終形成基於知識工程的產（chǎn）品（pǐn）創新、研發和生產體係。

3.薄壁難（nán）加（jiā）工材料製造

圖1 為某發動機機匣構件，材料為（wéi）奧氏體不鏽鋼難加工材料，牌號0Cr17Ni4Cu4Nb，最小壁厚為1.1mm，外弧麵要求輪廓度≯0.08mm，受變形因素影響，輪廓度（dù）超差，嚴重製約機匣（xiá）組（zǔ）件的裝配質量（liàng），造成安裝應力，影響到機匣組合件裝配及發動（dòng）機的效能。改善和控製薄壁環塊變形不單（dān）是生（shēng）產合格零件的需要，更是提升航空製造能力，提高航（háng）空發動機性能的先決條件。

圖1 某發動機機匣構件（jiàn）模型

可通過以下工序滿足構件結構形狀要求：

（1）調整加工餘量。

（2）采用數控機床（chuáng）加工（gōng），調整、固化加工。

（3）改進零件裝夾方式。

（4）采取對（duì）稱銑槽加工。

（5）在銑加工型（xíng）槽之後增加穩定處理工序，改善二次加工應力。

4.先進的複合材料成型製造技術（shù）

樹脂傳遞模（mó）塑，即將幹態的（de）複合材料經過預（yù）定型，放入特定的模具中夾（jiá）緊，從設置的適當（dāng）注膠口在一（yī）定溫度、壓力下將配好的樹脂注入模具中，使（shǐ）之與增強材（cái）料一起固化成型的工藝方法。這是樹脂基（jī）複合材料應用較廣的工藝技術，起源（yuán）於20世（shì）紀50年代的冷模（mó）澆注，其發展（zhǎn）動力是為了使飛機雷達罩（zhào）的成型技術發展（zhǎn）起來。該工藝具有成本低、尺寸精度高的特點，對（duì）技術要求高，特別是對原材料和模具要求較高。

由於（yú）當時未能解決排除氣泡難、纖維浸潤性差、樹脂流動出現死角等製造技術問題（tí），限製了廣泛應用（yòng）。直至（zhì）20世紀90年代（dài），隨著對樹脂（zhī）傳遞模塑工藝及理論的研究，設備、樹脂和模具技術日臻完善，該工藝發展（zhǎn）成了複合材料（liào）行業低成（chéng）本成形工藝之一。與傳統（tǒng）的模壓工藝相比，可（kě）提高纖維（wéi）體含量，有助於樹脂對纖維（wéi）的浸漬，降低（dī）孔隙率，提高產品內在質量。

其工藝特點是（shì）：

（1）分為增強材料預成型體成型和樹（shù）脂注射（shè）固化兩個步驟，具有高度靈（líng）活（huó）性和組合（hé）性。

（2）采用與製（zhì）品相（xiàng）近的增強材料預成型技術，纖維樹脂浸潤一經（jīng）完成即固化（huà），可用低（dī）粘度快速固化的（de）樹脂，並可對模具進行加熱而進一步提高生（shēng）產（chǎn）效率及（jí）產品質量。

（3）閉模注入樹脂的方式可極（jí）大減少樹脂有害成分對人體及環境的毒害。

（4）該技術采（cǎi）取低壓（注射壓力≯4kg/cm2）注射技術（shù），適宜大尺寸、外形複雜，表麵粗（cū）糙度低的製件。

（5）模具可根據生產（chǎn）規模要求選擇（zé）不同的材料，從而降低製造（zào）成本。樹脂傳遞模塑隨在國內（nèi）有許多單（dān）位在研製，但一直應用於等厚（hòu）度（dù）、等致密度的產品中去，其膠（jiāo）液的流動狀態和流速易保持一致，產品穩定性好。但對於各截麵（miàn）纖維厚度、致密度、密度變（biàn）化的諸（zhū）如複合材料葉片來說，複雜的內部結構應用樹脂（zhī）傳（chuán）遞模塑技術會造成膠液流動狀態和速率不一致，從而導致其生產工藝更為複雜，工藝難度（dù）增大（dà）。其關鍵製造技術：預成型體（tǐ）製造技術。

預成型體製造技術即預定型（xíng）是樹脂傳遞模塑前工序，其好（hǎo）壞（huài）影響（xiǎng）樹（shù）脂傳遞模塑注（zhù）射效果。大致可分為五種類（lèi）型：手工鋪層、紡織法、針織法、熱成型原絲（sī）氈法和預成型定向氈法。根據產品使用（yòng）要求，可使用不同的預（yù）製體。紡織體做成的預製體不（bú）存在層（céng）與層之間的界麵問題（tí），力學性能和熱學性能優良。該預製體要求具有疏鬆的組織結構，以便液態成型（xíng）時液態樹脂能夠順利地浸潤和浸透結（jié）構預製體。要使幹態複（fù）合（hé）材料結構預製體具有基本的自支撐性和形狀保持能力，利（lì）於預製體反複的鋪放和（hé）定（dìng）位要求，還要有反複變形的性質，製件見圖2。

圖2 某複合材料製件

5.先進（jìn）的五軸行寬數控成型製造技術（shù）

航空發動機靜子葉片（piàn）為複雜異型（xíng）麵。起初，考慮加工變形影響，通過多次調整粗、半精、精加工方案，增加工藝過程中校形、人工時效等工序，試加工效果有所改（gǎi）善，但仍不能滿足設計要求。後通過五軸拋銑數控加工實現對其行寬最大化加工，優化加工路線，實現免拋光加工。

6.結語

航空發動機關鍵製造技術的應用，減少了人工幹預、人（rén）為出錯（cuò）的概率，克服了技術瓶頸。同時（shí），為（wéi）我國航空發動機發展提供了堅實（shí）的技術保障，實現了製造（zào）流程的規範化（huà）、自（zì）動化，提高了生（shēng）產效率及產品質量，勢必對（duì）我國未來航空發動機產業的發展起到推動作用。

來源：世界（jiè）製造技術（shù）與裝（zhuāng）備市場

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