以下文章來源于PME精密加工博覽會，作者提供解決全案的
航空發(fā)動機零件面臨高溫、高壓和高速挑戰(zhàn)，要求南京精密加工http://www.zjfpm.cn/技術不斷革新。相關制造商也須持續(xù)改進數(shù)控與電化學加工等工藝，并應用創(chuàng)新材料，來滿足以技術驅動為核心的高度競爭的市場需求。
——PME觀點
讓中國的飛機
用上更加強勁的中國心
2023年2月16日，我國自主研發(fā)的民用通航飛機CA42搭載國產(chǎn)AEC2.0L航空發(fā)動機成功完成試飛。
2024年1月29日，國內研制的AES100先進民用渦軸發(fā)動機也順利通過了整機結冰適航試驗。該型發(fā)動機可配裝5至6噸級別的雙發(fā)直升機或3至4噸級別的單發(fā)直升機，未來將廣泛應用于消防、醫(yī)療救援、物資運輸和觀光旅游等民用領域。
近年來，我國在提升自主研發(fā)能力和核心技術水平方面取得顯著進步，有望減少中國對國外進口航空發(fā)動機的依賴，進一步推動國家航空工業(yè)的自主發(fā)展與創(chuàng)新。
AES100發(fā)動機
航空發(fā)動機——飛機的“心臟”
航空發(fā)動機，被譽為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，代表著現(xiàn)代工業(yè)技術的前沿水平。它集合了高、精、尖技術和先進成果，其研發(fā)和制造水平在很大程度上反映了一個國家的綜合國力。
由于航空發(fā)動機的工作環(huán)境極其惡劣，需在高溫、嚴寒、高速、高壓、高轉速、高負荷、缺氧和振動等條件下持續(xù)穩(wěn)定運行，因此，研發(fā)過程中需要突破眾多關鍵技術難題，并經(jīng)過從零件到部件再到整機的多級多輪試驗驗證。
一臺現(xiàn)代航空發(fā)動機由成千上萬個零部件組成，主要包括進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管等關鍵部分。這些部件的制造過程不僅工序復雜、工藝精細、專業(yè)性強，而且對精度的要求極高，無不體現(xiàn)精密加工技術在現(xiàn)代制造業(yè)領域的卓越能力。
航空發(fā)動機——航空技術發(fā)展的動力
航空發(fā)動機的研制不僅是航空產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，更是制造業(yè)高水準的象征和工業(yè)部門中附加值最高的高端制造業(yè)務。特別是民用航空發(fā)動機，作為全球航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的"支柱"，占據(jù)了行業(yè)總產(chǎn)值的70%至80%，對整個上下游產(chǎn)業(yè)鏈具有顯著的帶動效應。
據(jù)相關數(shù)據(jù)表明，預計到2039年，隨著全球航空市場的進一步增長，航空發(fā)動機的市場規(guī)模有望翻倍，達到超過10萬臺。
航空發(fā)動機在“中國制造2025”十大重點領域
在軍用和民用飛機需求不斷增長的背景下，零部件產(chǎn)品標準化和規(guī)模化生產(chǎn)的需求日益迫切，產(chǎn)業(yè)內的專業(yè)分工也更加明確，多個細分領域已逐漸發(fā)展出成熟的產(chǎn)業(yè)化基礎。
接下來將重點介紹一下航空發(fā)動機表面精密加工解決方案，看看這些技術對確保發(fā)動機性能和可靠性做了什么~
航空發(fā)動機表面
精密加工技術解決方案
發(fā)動機精密磨削解決方案
發(fā)動機渦輪葉片：聯(lián)合磨削集團
在航空發(fā)動機關鍵部件的制造領域，特別是針對渦輪葉片等高溫構件的精密磨削加工，聯(lián)合磨削集團旗下的兩個品牌，美蓋勒和保寧瓊格，占據(jù)了全球市場約70%的份額。
為航空發(fā)動機的關鍵組件，包括渦輪葉片、導向葉片、封嚴塊、圓弧端齒與直齒端齒，以及壓縮機葉片的圓弧形葉根和輪盤榫接部位，提供從三軸到六軸的各種磨床設備解決方案，滿足不同精度和復雜性要求的加工需求。
?美蓋勒MFP51
這款磨削加工中心融合了砂輪自動換裝系統(tǒng)，具備高度的柔性，能夠應對復雜工件的加工需求。其設計緊湊，集成了一個大型刀具庫，可容納68個砂輪位置，以及一個龍門結構的刀具換裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠靈活配置不同類型的砂輪、金剛石修整滾輪和測頭等工具，實現(xiàn)高效連續(xù)加工多種工件而無需人工干預。
主軸轉速高達12000轉/分鐘，配合集成在磨頭箱中的頂置修整器，縮短了整個加工周期。MFP51特別適用于導向葉片的磨削，能夠在極短的停機時間內，通過自動換刀裝置和CD頂置修整器的組合，在一次裝夾中磨削出多種形狀，并確保尺寸的穩(wěn)定性。
?保寧PROKOS XT
該機床是一款用于磨削、鉆削和銑削工藝而設計的加工中心，它為工件質量和制造流程帶來了顯著優(yōu)勢。這款機床的換刀系統(tǒng)是為適應高效靈活的生產(chǎn)要求而定制的，結合了高度自動化與先進磨削技術，大幅提升了生產(chǎn)效率并縮短了周期時間，對于航空發(fā)動機制造行業(yè)來說尤其關鍵。
發(fā)動機葉尖：達諾巴特
C919大型客機的試飛機所搭載的發(fā)動機，得到了達諾巴特高速葉尖磨床的全線保障生產(chǎn)支持，并與中國商飛簽訂了葉尖磨床訂單。
作為在葉尖高速磨削和測量領域享有盛譽的企業(yè)，達諾巴特整合了其超過半個世紀的航空磨床開發(fā)與制造經(jīng)驗，以及世界先進發(fā)動機制造商的工藝技術。
此外，在全球航空發(fā)動機關鍵部件的加工與維修市場中，達諾巴特的航空相關磨床占據(jù)了超過95%的市場份額，可以為航空發(fā)動機關鍵部件，如轉子、機匣、壓氣機葉片和主軸，同時也包括起落架組件，提供定制化解決方案。
?DANOBAT高速葉尖磨床DANTIP
在數(shù)字工藝中，葉片尖端測量系統(tǒng)對磨削過程實施精準控制，實現(xiàn)轉子各階段尺寸的優(yōu)化。該系統(tǒng)能在轉速高達6000轉/分的條件下，以非接觸方式對每個壓縮機葉片進行測量，精度達到1微米。它是公認能實時在線測量葉片半徑的系統(tǒng)，因而受到全球主要噴氣發(fā)動機和燃氣輪機制造商的認可。這套裝置還通過編程設計，在單個工序中對每個葉片進行測量，并將數(shù)據(jù)實時傳輸至控制設備。操作人員可以即時在屏幕上查看每個葉片在一個工序中的測量結果。
葉尖磨床與達諾巴特的立式磨床結合使用，形成“匹配加工單元”，為同一個發(fā)動機轉子和機匣的匹配磨削提供了完美解決方案。利用計算機技術將轉子葉尖磨床與立式機匣磨床相連，在線交換數(shù)據(jù)，確保轉子和機匣尺寸的完美匹配，從而提升發(fā)動機的核心性能和效率。
?DANTIP R3系列機床
可以為民用及國防領域的大型航空發(fā)動機提供磨削服務，具備處理磨削直徑達1370毫米和磨削長度至2000毫米的能力。此系列機床適用于多種航空發(fā)動機的精密加工，包括GE9X、GE90、GEnx、CF6、V2500、RR Trent、PW4000等型號。
?mBTG系列機床
則適用于支線飛機、商務機和直升機的發(fā)動機轉子磨削，具備處理磨削直徑800毫米和磨削長度860毫米的能力，包括但不限于LEAP、CT7/T700、RTM322、CFM56、CF34、V2500、TP400、F404和J85等型號。
航空發(fā)動機轉子
整體葉盤是航空發(fā)動機的關鍵組件，它通過將葉片和輪盤設計為一個整體結構，替代了傳統(tǒng)的榫接方式，從而大幅減少組件數(shù)量并簡化結構。與傳統(tǒng)設計相比，整體葉盤可以減輕大約50%的重量。它在EJ200航空發(fā)動機、F414渦扇發(fā)動機、F119-PW-100發(fā)動機、BR715發(fā)動機等機型上都有所應用。
在高溫、高壓和高速的環(huán)境中長期運行，整體葉盤會受到離心力、氣動載荷和高周疲勞等多種作用，容易出現(xiàn)外物損傷、腐蝕和疲勞等失效情況。因此，使用的材料和加工技術對整體葉盤的使用壽命有著顯著影響。
常用的整體葉盤材料包括鈦合金、高溫合金、不銹鋼和復合材料等。這些材料的磨削過程對整體葉盤的性能有著不同的影響。鑒于整體葉盤的表面完整性和型面精度對于航空發(fā)動機的性能和壽命至關重要，它們需要達到極高的加工精度。
五軸聯(lián)動數(shù)控銑削加工在整體葉盤制造中得到了廣泛應用，得益于其快速響應、高可靠性、良好的加工靈活性和較短的生產(chǎn)準備周期等優(yōu)勢。這種加工方式主要包括側銑、插銑和擺線銑等方法。而針對鈦合金和高溫合金這類特殊材料，專用刀具的選擇是確保整體葉盤成功加工的關鍵因素之一。
發(fā)動機整體葉盤：ANCA
作為數(shù)控磨床制造行業(yè)的佼佼者，ANCA為精密切削工具及零部件制造行業(yè)提供了先進的解決方案。其軟件的創(chuàng)新性和靈活性始終與機床功能的持續(xù)進化保持同步，以支持更廣泛的應用需求。
ANCA的CNC磨床在航空航天、刀具制造、汽車、電子和醫(yī)療器械等關鍵領域發(fā)揮著重要作用，用于生產(chǎn)高精度的切削刀具和零部件。
?BSB Endmills-桶形球頭銑刀
主要適用于高精度精加工應用，如整體葉盤的精細制造。ANCA在其ToolRoom RN34軟件中引入了兩種新的刀具類型——桶形銑刀和透鏡形（雙圓角）銑刀，以及錐形和橢圓形銑刀（BSB）。這一新增功能使得用戶能夠高效地制造復雜的高性能銑刀，從而節(jié)省大量成本和時間。
桶形球頭銑刀（BSB），在某些行業(yè)中也稱為高進給銑刀或圓弧銑刀，主要用于航空航天、模具制造、通用加工以及發(fā)電行業(yè)，用于生產(chǎn)葉輪葉片或整體葉盤、輪胎模具、渦輪葉片等。它們常作為傳統(tǒng)球頭銑刀和角半徑銑刀的替代品。這些立銑刀具有比其他同類切削工具更大的半徑，其大半徑刃口允許使用較大的臺階增量，這意味著在預精加工和精加工操作中，可以使用更大的交叉螺距或刀軌距離。
此外，大切線半徑使得制作具有較大切削直徑的球頭或圓角銑刀成為可能，這是它們能夠比普通球頭刀更快完成循環(huán)，節(jié)省時間的原因。不僅如此，這些刀具還提高了生產(chǎn)效率，并且能夠產(chǎn)生更優(yōu)的表面光潔度。
發(fā)動機去毛刺解決方案
美國的Extrude Hone公司采用磨粒流加工技術成功解決了飛機發(fā)動機葉片及翼風和其他氣冷通道的流動阻力調諧難題，顯著提升了發(fā)動機性能，并且對已經(jīng)即將報廢的零件進行了挽救。
Dynatics公司也為一款美國航天發(fā)動機數(shù)控銑削加工后的整體葉輪實施了磨粒流加工，有效避免了葉輪在高速旋轉時因應力集中而引發(fā)的斷裂問題。
隨著航空發(fā)動機關鍵部件如葉盤和渦輪葉輪等金屬構件向高強度、高硬度、高韌性趨勢發(fā)展，精密異形零件的去毛刺和拋光工序面臨著更大的挑戰(zhàn)，需要采用更為先進和精確的加工技術以滿足這些部件的表面處理要求。
磨粒流加工示意圖
磨粒流去毛刺：易趨宏
易趨宏融合了三種表面精加工技術——AFM磨粒流、TEM熱能和ECM電化學，提供一種綜合性的去毛刺解決方案。
該公司擁有完善的技術與設備體系，專業(yè)解決去毛刺、拋光及倒圓角等工藝難題。其產(chǎn)品應用廣泛，覆蓋了航空發(fā)動機的葉輪葉片、汽車零部件、要求高潔凈度的閥門、液壓閥塊以及各類模具等關鍵機械零部件。
易趨宏公司的磨粒流加工工藝采用化學性質不活躍、無腐蝕性的柔性磨料，提高零件表面光潔度，并改善邊角狀況。這種工藝通過磨削而非切削的方式去除材料，確保表面處理的均勻性。同時在監(jiān)控每個零件的材料去除效率方面，磨粒流加工能夠精確控制，保證產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性和可靠性。
尤其在航空發(fā)動機精密零件相貫孔毛刺的去除上，磨粒流加工能夠深入小孔徹底清理，顯著提升孔內表面的質量。在航空發(fā)動機管道和整體閉式葉盤等部件的加工中，磨粒流加工同樣表現(xiàn)出色，可以對工件表面的不平整和毛刺進行改善和優(yōu)化。
與AFM適宜加工小批量或單個復雜形狀零件相比，電化學加工（ECM）更適合大批量生產(chǎn)，且能提供更加均勻的表面處理效果。
電化學去毛刺：斯托巴
德國斯托巴（Stoba）可以為飛機發(fā)動機、醫(yī)療植入物、民用工業(yè)和汽車等行業(yè)提供精密加工技術和設備的定制化解決方案。
作為電化學金屬加工領域研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及售后服務的專業(yè)企業(yè)，Stoba致力于創(chuàng)新系統(tǒng)解決方案的開發(fā)與設計。并精于制定復雜的電化學加工和精密電化學加工設備方案，涵蓋夾具、自動化與清洗工藝的集成技術，以滿足高精度、高質量和經(jīng)濟性的需求。
其ECM工藝適用于加工飛機發(fā)動機和醫(yī)療植入物等硬質材料的毛刺去除，同時確保和其他軟材料一樣的加工效果。作為一種無接觸、無應力的高效去毛刺技術，ECM利用陰極頭不直接接觸工件，便可實現(xiàn)快速去毛刺和倒圓角處理，精度和經(jīng)濟效率均優(yōu)于其他工藝，并且支持多件同時加工。
ECM適用于所有導電材料，能夠確保不同硬度材料的一致加工效果，避免傳統(tǒng)刀具因磨損而產(chǎn)生差異的問題。
發(fā)動機精密清洗解決方案
在飛機的運行過程中，航空發(fā)動機常遭遇惡劣環(huán)境，如渦輪和壓氣機葉片上積聚的灰塵、沙粒、鹽霧和昆蟲殘骸等。這些污染物不僅會改變發(fā)動機的氣動特性，降低效率（增加燃油消耗），還可能引起葉片腐蝕，威脅航空安全。同時，在航空發(fā)動機零部件的生產(chǎn)、包裝、拆卸、儲存和裝配過程中，顆粒污染物的產(chǎn)生和引入是無法完全避免的。
為了應對這些挑戰(zhàn)，中國航發(fā)制訂了一系列清潔度控制標準，推動了清潔度控制技術從以液體為主轉向對零部件本身的控制，還促進了先進清洗技術的發(fā)展和應用。
航空發(fā)動機常采用超聲波清洗技術，利用產(chǎn)生的微小氣泡滲透至傳統(tǒng)方法難以觸及的區(qū)域。該技術特別適合形狀復雜、具有盲孔、深孔、狹縫或彎曲孔道的部件，并且對于要求高精度、高光潔度和嚴格清洗質量的渦輪葉片和噴嘴導向葉片尤為適用。
渦輪葉片
此外，超聲波清洗能夠在微觀層面上對復雜零件內部進行高效清洗，符合新型材料清潔度控制的需要。超聲波技術也適用于飛機其他部件和組件的精密清洗，包括軸承、引擎組件、液壓系統(tǒng)、氣動部件、舷窗、轉子葉片等。
?巴克工業(yè)全自動超聲波清洗機系列設備
可以滿足航空發(fā)動機等高精密清洗需求。這些設備通過集成PLC和觸摸屏自動控制系統(tǒng)、單臂或多臂機械手組合以及自動上下料裝置，提供高效且一致的清洗效果。它們具備多種功能，包括旋轉、拋動、超聲、噴淋、鼓泡、風切和干燥，以適應各種復雜形狀和敏感材料的清潔需求。
單工位改性醇清洗機：巴克工業(yè)
巴克工業(yè)裝備(蘇州)有限公司深耕工業(yè)清洗領域，主要提供全自動超聲波清洗線、全自動改性醇清洗機、碳氫清洗機和CNC高壓去毛刺清洗設備等多種工業(yè)清洗解決方案。
這些設備在航空航天、壓鑄、汽車零部件制造和軌道交通等行業(yè)中得到了廣泛應用，以滿足各行業(yè)對精密清洗的嚴格要求。
?單工位改性醇清洗機
是一款節(jié)能環(huán)保的清洗設備，也適用于飛機發(fā)動機及其精密零部件的工業(yè)清洗。該設備采用靈活的清洗流程：噴淋清洗、超聲清洗、噴淋漂洗、超聲漂洗、蒸汽浴洗和真空干燥，每個步驟的參數(shù)都可以根據(jù)具體需求進行調整。
設備可配備自動上下料輸送線，實現(xiàn)高效自動化生產(chǎn)。其溶液循環(huán)系統(tǒng)采用蒸餾技術，節(jié)約資源并減少環(huán)境影響。占地面積小，功能全面，自動化程度高，并可根據(jù)需要選擇擺動或翻轉清洗模式。
磁脈沖湍流清洗臺：北京理工大學
北京理工大學研發(fā)的磁脈沖湍流清洗臺，采用精密表面磁脈沖湍流清洗技術，通過結合脈沖磁場和湍流流場，有效清洗并去除航空軸承、航空發(fā)動機滑閥等精密零件表面的毛刺。
目前，該技術已進化到第五代機型，并在烏克蘭的航空航天領域得到應用，包括“馬達西奇”公司、“伊夫琴科-進步”航空發(fā)動機設計局和盧茨克“馬達”航空修理集團等知名企業(yè)。
由Stelmakh Oleksandr教授創(chuàng)新研發(fā)的這一技術和裝備，運用高梯度脈沖磁場與水動力清洗的結合，對鐵磁性摩擦副表面的磁疇結構進行破壞，從而清除傳統(tǒng)清洗方法難以去除的磁疇壁內金屬污染物顆粒。
不僅適用于航空發(fā)動機關鍵零部件的批量生產(chǎn)和維修，還可用于內燃機和其他動力裝置的機械制造批量生產(chǎn)和維修企業(yè)。
發(fā)動機表面處理解決方案
由于航空發(fā)動機的工作環(huán)境極為苛刻，其所需材料要具備耐高溫、耐腐蝕和耐磨損能力。高溫合金作為這些材料中的關鍵組成部分，主要用于構成燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤等關鍵熱端部件，其用量通常占到發(fā)動機總質量的40%-60%。
而表面處理技術如涂層處理、熱處理和表面強化等，提升高溫合金材料部件的可靠性和耐久性，從而保障發(fā)動機的整體性能。
總的來說，高溫合金材料和表面處理技術相輔相成，共同確保了航空發(fā)動機能夠在極端的工作條件下保持高效和穩(wěn)定的性能。高溫合金提供了必要的材料基礎，而表面處理技術則進一步提升了這些材料的性能。
涂層技術主要提供防護、密封、抗磨損、抗沖擊、減震和隔熱的作用。如熱障涂層，提高發(fā)動機渦輪的進口溫度和工作效率，節(jié)省燃油；高溫抗氧化涂層，則提升高溫部件的耐用性，減少維護成本，從而增強發(fā)動機構件的可靠性并延長其使用壽命。
熱噴涂技術是表面涂層中的一種，通過將涂層材料在熔融或半熔融狀態(tài)下噴涂到基材表面，形成保護層。該技術的制備工藝包括火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂，能夠提供耐腐蝕和耐磨損的保護層，特別適用于承受高速旋轉和高溫環(huán)境的發(fā)動機部件。
涂層&熱噴涂處理：歐瑞康美科
歐瑞康美科通過提供創(chuàng)新的廣泛材料和先進的表面技術，顯著提升了零件表面質量。例如，公司運用熱噴涂等先進表面處理技術，包括大氣等離子噴涂（APS）和超音速火焰噴涂（HVOF），不僅提高產(chǎn)品性能和效率，還增強了多個行業(yè)應用的可靠性。
其創(chuàng)新材料和涂層技術，在提升發(fā)動機和飛機關鍵零件的性能方面表現(xiàn)突出，如發(fā)動機掛架、起落架、燃燒室以及過渡段等關鍵部件。
?噴氣發(fā)動機及其部件
歐瑞康美科開發(fā)了一系列針對噴氣發(fā)動機及其部件的高性能材料、涂層和設備解決方案，旨在通過精確控制部件間隙、降低熱量影響以及減少摩擦和腐蝕，從而提升發(fā)動機的工作效率。
這些定制化解決方案為保護關鍵的工作部件提供了強有力的支持，涵蓋間隙控制系統(tǒng)、氣體密封組件、壓氣機的動葉和靜葉等，有效預防由摩擦、磨損、顆粒引起的腐蝕以及其他機械性表面損傷，從而延長零件的服役壽命和維護周期。此外，它們還能減少發(fā)動機停機時間，優(yōu)化性能指標，并擴展大修間隔期，為航空業(yè)帶來可觀的運營效益。
?燃燒室專用的熱障涂層
在燃氣輪機燃燒室中，燃料的燃燒溫度可飆升至2000°C(3630°F)甚至更高。盡管許多零件通過空氣冷卻提升了其耐熱性，但航空航天用渦輪機燃燒室的金屬部件仍需承受高達1300°C(2370°F)的極端溫度。
歐瑞康美科開發(fā)的熱噴涂MCrAlY底層和氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)面層組成的熱障涂層系統(tǒng)，能有效保護關鍵渦輪機部件不受過熱影響，使其能在傳統(tǒng)制造方法無法承受的工作溫度下運行。隨著發(fā)動機工作溫度的不斷上升，對更高性能的熱障涂層(TBC)系統(tǒng)的需求也日益增加。歐瑞康美科的TBC系統(tǒng)支持更高的燃燒溫度，從而提升燃油和發(fā)動機效率，改善性能，增強安全性，并延長部件的使用壽命。
該系統(tǒng)的優(yōu)勢還包括：加快了加工速度，減少了勞動和基礎設施成本；縮短了零件處理時間，提高了熱噴涂設備的生產(chǎn)效率；提升了涂層質量的一致性，降低了返工的可能性；改進了零件質量的一致性，增強了制造過程的可靠性。
