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航空发动机制造中都应用到哪些特种加工技术,知识分享

发表时间:2022-11-16 17:09作者:海德小编来源:海德科技网址:https://www.hdwaterjet.cn/

摘要:先进航空发动机的高性能需要设计大量的整体结构、轻量化结构、先进冷却结构、复合材料、粉末冶金、金属间化合物等新材料,而这些部件需要通过特殊加工。本文研究了电火花、电解、激光、超声波和水射流等特种加工技术的特点及其在先进发动机中的新应用,阐述了特种加工技术的优势及其在先进发动机发展中突出的特殊作用。


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1. 航空发动机材料及技术特点

航空发动机在高温、高压、高速等极其恶劣的条件下工作,要求重量轻、油耗低、可靠性高、寿命长、可重复使用。是集多学科于一体的高端产品。它的特点是核心技术的积累,没有核心技术就没有现代先进发动机。现代先进航空发动机对单位推力、推重比、超音速巡航、推力矢量功能、隐身性能、高可靠性、长寿命和良好的可维护性等性能要求更高,对材料和制造工艺的要求也更加严格。带来:从普通合金到新型耐高温轻质高强合金的应用;从金属材料到非金属材料和复合材料的大量应用;从机械加工到特殊加工;材料制造;从几何形状保证到表面完整性控制;从测试验证到仿真验证;从单进程研究到多进程耦合规律研究;从数字化、自动化、信息化到智能制造等。

先进发动机的新材料和复杂结构使得零件加工难度越来越大,有些甚至无法通过传统机加工实现,而特种加工技术在某些领域已成为不可替代的技术,其应用也越来越广泛。弥补了传统机械加工的不足。目前,电火花加工、电化学加工、激光加工、电子束和离子束加工等传统特种加工技术已广泛应用于航空发动机制造,但随着先进发动机新材料、新结构的出现,特殊加工技术也得到了新的发展和应用。闭式叶盘多轴电火花加工技术、叶盘精密电火花加工陶瓷基复合材料加工技术、超快激光加工技术、激光冲击强化技术和高压水射流强化技术等,对开发先进发动机新材料、新型结构件以及表面完整性和可靠性要求的提高。发挥了越来越重要的作用。

2、特殊加工技术在先进发动机上的应用

(1)电火花加工技术是应用最广泛的特种加工技术,广泛应用于航空发动机制造,如电火花线切割、电火花加工、电火花磨削、电火花钻孔和电火花表面强化等。

近年来,随着先进发动机性能的提高,传统电火花加工技术的应用受到限制。单晶叶片气膜孔加工中禁止使用微裂纹和热影响区等缺陷。涡轮叶片气膜孔EDM会使用金相检测。重熔层厚度一般为0.01-0.04mm。

但与此同时,先进发动机叶盘等新型结构件的出现,促进了电火花加工技术的发展和应用。开发了高效数控电火花铣削技术,中冠封闭式叶盘因其结构难以实现机械铣削加工,开发五轴联动电火花加工技术解决该问题,工艺方法是五轴联动电火花加工,辅以磨粒流加工,去除加工表面的重熔层,从而满足使用要求。

(2)电化学加工在特殊加工对象(如难加工材料或形状复杂、尺寸小、刚度极低的零件)加工方面具有优势,特别是在航空发动机叶片中得到广泛应用机壳、机壳等形状复杂零件的制造,大大提高了生产效率,降低了制造成本。

由于先进航空发动机的性能设计要求,压气机叶片的材料一般采用选用先进的镍基高温合金、钛合金、钛铝合金等新材料,并采用折弯、扫掠等特殊三维设计。加工难度大,受切削力易变形,精度要求高。无论是传统的机械加工还是电解加工都难以满足这种高精度复杂翼型的加工要求。精密电解加工 (PECM) 就是为了满足这种特殊的加工要求而开发的。在薄型、小半径刀片加工方面发挥其独特优势。加工精度达到0.03mm,满足先进航空发动机的要求。要求。

精密电解加工也是叶盘众多制造方法中的首选方法之一,可以实现从叶盘毛坯到最终叶面成型的完整工艺。一般采用初始成型和最终成型两个步骤。初成型采用排料工艺去除大部分材料,终成型采用仿形工艺。最终叶片表面轮廓精度可达≤0.06mm,达到高温合金材料的表面粗糙度。 Ra≤0.2μm的值实现了整个整体叶盘的无余量精密制造,从而替代了CNC铣削和手工抛光,可使生产效率提高数倍,制造成本降低50%以上。

(3)电液横梁加工孔深径比达到150/1,孔径范围0.13~1.5mm,孔加工精度为±0.025mm,表面粗糙度值为Ra=1.6μm,且孔口和出口自然形成小R圆角,无尖锐棱角。电液横梁加工出的小孔。

电液束加工涡轮叶片气膜孔表面完整性好,无重熔层、微裂纹和热影响区,加工单晶合金无再结晶风险,已成为先进的发动机单晶叶片。薄膜冷却孔加工的首选工艺。

(4) 激光加工技术首先应用于发动机燃烧室的切割、加力气缸外壳和涡轮叶片的孔加工。在发动机方面应用不多。但对于一些特殊零件,激光钻孔可以取得更好的效益,例如涡轮喷气发动机涡轮叶片气膜孔的YAG激光旋切加工,然后逐渐被高速电火花钻孔代替。此外,对于高硬度、非导电材料的微孔加工和大量群孔零件的加工也非常有利,例如发动机扩散器隔热罩、内、目前用于发动机的火焰管外壁等。更宽的。

随着激光技术的发展,激光焊接、激光增材制造、激光减震强化、水导激光加工、激光清洗等新技术不断开发应用,为发动机先进制造提供了更多的技术选择。例如,激光冲击强化技术具有深金属表面强化层、表面残余压应力、可及性好、效率高等优点,可显着提高材料的抗疲劳性、耐磨性和抗应力腐蚀能力,以及残余压应力深度可达1~2mm,是超声波喷丸的3-5倍,是常规喷丸的5-10倍。具有提高疲劳强度、延长疲劳寿命、抑制裂纹的形成和扩展等优点。因此,它已成为先进航空发动机叶盘、叶环叶片表面强化的关键技术。

(5)高压水射流加工技术已广泛应用于发动机零件的切割、钻孔和清洗。此外,还在新型复合材料的切割、整体叶盘特殊结构件的加工等方面进行了探索性研究,开发了发动机叶片去除涂层的水剥离技术。

水射流强化技术利用高压水射流产生的冲击力冲击工件来强化金属材料的表面。在提高材料疲劳性能的基础上,可以获得良好的材料表面质量。先进的发动机涡轮盘等部件已经明确说明了增强水射流的必要性。

3、特种加工技术展望

特殊加工技术在先进航空发动机的制造中发挥了不可替代的作用。可以说,“先进的发动机不经过特殊加工是造不出来的”。此外,还有电解磨削、磨粒流、离子束、电子束等新型特种加工技术,不断被国内外一些高校、科研院所和企业开发应用。随着先进发动机新材料、新结构的不断出现,原有的特殊加工技术也拓展了新的应用领域,如镍铝基新材料叶片的切削加工可加工性很差,而电解加工非常适合加工,能满足精度要求。例如,传统的光电加工方法用于新型多孔叠层结构,超快激光冷加工技术的出现是单晶叶片气膜孔的加工。带来新的解决方案。

特种加工技术已广泛应用于先进发动机箱体、叶盘、单晶叶片、复合材料等各种难加工材料和特殊结构件的开发,解决了开发难题。先进发动机技术的快速发展对制造技术提出了永无止境的要求,对特种加工制造技术的发展提出了更高的要求。特种加工技术也在向精密化、自动化、智能化方向发展。


作者:中国航发沈阳黎明航空发动机朱海南。原文刊登于《金属加工(冷加工)》2016年第24期4页,版权归著作人所有,此文仅做分享。


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