摘要：先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能要求設(shè)計(jì)大量采用整體結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料、粉末冶金、金屬間化合物等新型材料，而這些零組件需要依靠特種加工成形。本文研究了電火花、電解、激光、超聲和水射流等特種加工技術(shù)的特點(diǎn)及其在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的新應(yīng)用，說(shuō)明了特種加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制中突顯的特殊作用。
1. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料和技術(shù)特點(diǎn)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高壓且高轉(zhuǎn)速的極端惡劣條件下工作，同時(shí)要求重量輕、油耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)、能重復(fù)使用，是多學(xué)科交融的高端產(chǎn)品。其特征是核心技術(shù)的堆集，沒(méi)有核心技術(shù)就沒(méi)有現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)單位推力、推重比、超聲速巡航、推力矢量功能、隱身性能、高可靠性、長(zhǎng)壽命和良好的維修性等性能要求更高，對(duì)材料和制造技術(shù)的要求更苛刻，由此帶來(lái)：從普通合金到新型耐高溫、輕質(zhì)高強(qiáng)合金的應(yīng)用；從金屬材料到大量非金屬材料、復(fù)合材料的應(yīng)用；從機(jī)械加工到特種加工的轉(zhuǎn)變；從減材制造到精密成形和增材制造；從保證幾何形態(tài)為主到表面完整性控制為主；從試驗(yàn)驗(yàn)證為主到仿真驗(yàn)證為主；從單工序研究到多工序耦合規(guī)律研究；從數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化到智能化制造等。
先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)新材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)使零件加工變得越加困難，有些甚至傳統(tǒng)機(jī)械加工根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而特種加工技術(shù)在某些領(lǐng)域成為不可替代的技術(shù)，并且應(yīng)用越來(lái)越廣泛，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械加工的不足。目前，傳統(tǒng)的電火花加工、電化學(xué)加工、激光加工、電子束及離子束加工等特種加工技術(shù)已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中大量應(yīng)用，但隨著先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)新材料、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，特種加工技術(shù)也得到了新的發(fā)展和應(yīng)用。閉式整體葉盤(pán)的多軸電火花加工技術(shù)、整體葉盤(pán)的精密電解加工技術(shù)、陶瓷基復(fù)合材料的超快激光加工技術(shù)、激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)和高壓水射流強(qiáng)化技術(shù)等，對(duì)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)新材料、新結(jié)構(gòu)零件研制，以及提高表面完整性、可靠性要求等方面都發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。
2. 特種加工技術(shù)在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用
?。?）電火花加工技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的特種加工技術(shù)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造上應(yīng)用非常普遍，如電火花線(xiàn)切割加工、電火花成形加工、電火花磨削、電火花鉆孔及電火花表面強(qiáng)化等。
近年來(lái)，隨著先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，傳統(tǒng)電火花加工技術(shù)的應(yīng)用受到了一定限制，如新型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片采用單晶葉片，而電火花鉆孔技術(shù)因其存在重熔層、微裂紋及熱影響區(qū)等缺陷，而被禁止用于單晶葉片氣膜孔加工。圖1所示為渦輪葉片氣膜孔電火花加工金相照片，重熔層厚度一般在0.01～0.04mm。
但與此同時(shí)，先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)等新結(jié)構(gòu)零件的出現(xiàn)，又促進(jìn)了電火花加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，如整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)因其加工成本高、周期長(zhǎng)，而發(fā)展了數(shù)控高效放電銑技術(shù)，又如帶冠閉式整體葉盤(pán)受其結(jié)構(gòu)影響機(jī)械銑削加工難以實(shí)現(xiàn)，而開(kāi)發(fā)五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工技術(shù)來(lái)解決這一難題,其工藝方法是五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工，再輔以磨粒流加工來(lái)去除其加工表面的重熔層，從而滿(mǎn)足了使用要求。圖2所示是采用五軸電火花成形機(jī)加工的帶冠整體葉盤(pán)的電極和試驗(yàn)件，圖3所示為磨粒流加工的帶冠整體葉盤(pán)。
（2）電解加工因其在特殊加工對(duì)象（如難加工材料或形狀復(fù)雜、尺寸微小、剛度極低的零件）的加工中所具有的優(yōu)勢(shì)，尤其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣等復(fù)雜型面零件制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，大幅提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本。
先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)因其性能設(shè)計(jì)要求， 壓氣機(jī)葉片材料一般選用先進(jìn)的鎳基高溫合金或鈦合金以及鈦鋁合金等新型材料，并且采用彎掠等三維設(shè)計(jì)的特殊葉形，加工難度大、易受切削力影響而變形，精度要求高。傳統(tǒng)的機(jī)械加工和電解加工都難以滿(mǎn)足這種高精度復(fù)雜葉型的加工要求。精密電解加工技術(shù)（PECM）就是為適應(yīng)這種特殊的加工要求而產(chǎn)生，在薄型面、小半徑的葉片葉形加工上發(fā)揮了其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)， 加工精度達(dá)到0.03mm，滿(mǎn)足了先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。
精密電解加工也是整體葉盤(pán)諸多制造方法中的優(yōu)選方法之一，它可以實(shí)現(xiàn)從整體葉盤(pán)毛坯到最終葉片型面成形的完整工藝過(guò)程。一般采用初成形和終成形兩步，初成形采用套料加工方式去除大部分材料，終成形采用仿形加工方式，最終可達(dá)葉片型面輪廓精度≤0.06mm，高溫合金材料表面粗糙度值Ra≤0.2μm，實(shí)現(xiàn)整體葉盤(pán)無(wú)余量精密制造，從而代替了數(shù)控銑削和人工拋光，可提高生產(chǎn)效率數(shù)倍，降低制造成本50％以上。
?。?3 ） 電液束加工孔深徑比達(dá)150/1 ， 孔直徑范圍為0.13 ～ 1.5 m m， 孔加工精度±0.025mm，表面粗糙度值為Ra=1.6μm，孔出入口自然形成小R 圓角、無(wú)銳邊。電液束加工的小孔如圖4所示。
電液束加工渦輪葉片氣膜孔表面完整性好，無(wú)重熔層、微裂紋及熱影響區(qū)，加工單晶合金沒(méi)有再結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)，因此已成為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片氣膜冷卻孔加工的首選工藝。
?。?）激光加工技術(shù)最早應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、加力筒體外部殼體的切割和渦輪葉片制孔等方面，但因傳統(tǒng)激光加工受加工精度、重復(fù)精度低的限制，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用不多。但對(duì)一些特殊零件，采用激光打孔，可取得較好的效益，如采用YAG激光旋切加工，用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔加工，后逐步被電火花高速鉆孔取代。另外對(duì)高硬度、非導(dǎo)體材料的微小孔及數(shù)量很大的群孔零件加工，也很有優(yōu)勢(shì)，如發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)散器隔熱屏、火焰筒內(nèi)外壁等結(jié)構(gòu)件打孔加工，目前在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較廣。
隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光焊接、激光增材制造、激光沖擊強(qiáng)化、水導(dǎo)激光加工及激光清洗等新技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)并應(yīng)用，為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造提供了更多的技術(shù)選擇。如激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，具有金屬表面強(qiáng)化層深、表面殘余壓應(yīng)力、可達(dá)性好且效率高等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高材料的抗疲勞、磨損和應(yīng)力腐蝕等性能，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力深度可達(dá)1～2mm，是超聲噴丸的3～5倍，常規(guī)噴丸的5～10倍，具有提高抗疲勞強(qiáng)度、延長(zhǎng)疲勞壽命、抑制裂紋的形成與擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，因而成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)、葉環(huán)葉片表面強(qiáng)化的關(guān)鍵技術(shù)。
（5）高壓水射流加工技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)零件切割、鉆孔及清洗等方面已廣泛應(yīng)用。此外，在新型復(fù)合材料的切割加工以及整體葉盤(pán)特殊結(jié)構(gòu)零件的加工等方面也開(kāi)展了探索性研究，并發(fā)展了用于去除發(fā)動(dòng)機(jī)葉片涂層的水剝離技術(shù)。
水射流強(qiáng)化技術(shù)是利用高壓水射流沖擊工件產(chǎn)生的沖擊力，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料表面進(jìn)行強(qiáng)化的。在提高材料疲勞性能的基礎(chǔ)上，可以獲得良好的材料表面質(zhì)量。在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)等零件上已經(jīng)明確提出了水射流強(qiáng)化需求。
3. 特種加工技術(shù)展望
特種加工技術(shù)在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中發(fā)揮了不可替代的作用，可以說(shuō)“沒(méi)有特種加工就無(wú)法制造出先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)”。此外，還有電解磨削、磨粒流、離子束和電子束等特種加工新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外的一些大學(xué)、研究所和企業(yè)被不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。隨著先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，原有特種加工技術(shù)也拓展了新的用途，如鎳鋁基新材料葉片的可切削性非常差，而電解加工非常適合加工且能夠滿(mǎn)足精度要求，又如新型多孔層板結(jié)構(gòu)就采用傳統(tǒng)的照相電解加工方法，而超快激光冷加工技術(shù)的出現(xiàn)則為單晶葉片氣膜孔加工帶來(lái)新的解決方案。
特種加工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、整體葉盤(pán)、單晶葉片及復(fù)合材料等各種難加工材料和特殊結(jié)構(gòu)零件研制中，解決了研制難題。而先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)制造技術(shù)的要求永無(wú)止境，對(duì)特種加工制造技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求，特種加工技術(shù)也正在向精密化、自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。
作者：中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)朱海南。原文刊登于《金屬加工（冷加工）》2016年第24期4頁(yè)，金屬加工版權(quán)所有。