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航空发动机为什么采用整体叶盘,我的知识弧又膨胀了

时间:2021-07-21 来源:eisar.com.cn 作者:月夜星空文库网

  

  ? 这是金属加工(mw1950pub)发布的第9805篇文章

  

  导读

  航空发动机是飞机的“心脏”,也被誉为“工业皇冠上的明珠”,其制造集成了现代工业中的很多尖端技术,涉及材料、机械加工、热力学等多个领域。有人说,如果把工科学科统统算上,大部分都要把最高成就献给航发。而随着各个国家对发动机性能的要求越来越高,处于研发、应用中的新结构、新技术、新工艺等依然在不断挑战现代工业的高峰。而其中一个对提高航空发动机推重比起到重要作用的,就是整体叶盘。

  整体叶盘的优势

  在整体叶盘出现之前,发动机的转子叶片需要通过榫头、榫槽及锁紧装置等连接到轮盘上,但这种结构逐渐无法满足高性能航空发动机的需求。发动机转子叶片和轮盘一体的整体叶盘随之被设计出来,目前已成为高推重比发动机的必选结构,在军用、民用航空发动机上都得到了广泛应用,主要有以下优点:

  1.减重:由于轮盘的轮缘处不需要加工出安装叶片的榫槽,轮缘的径向尺寸可大大减少,从而显著减轻转子质量。

  2.减少零件数目:除了因为轮盘和叶片成为一体,锁紧装置的减少也是重要原因。航空发动机对可靠性的要求极为严苛,简化的转子结构对提高可靠性有很大作用。

  3.减少气流损失:消除了传统连接方式中的间隙会造成的逸流损失,提高了发动机工作效率,增加了推力。

  既减轻了重量又提高了推力,如此有利于提高推重比的整体叶盘自然也不是容易摘得的“明珠”。一方面,整体叶盘多使用钛合金、高温合金等难加工材料;另一方面,其叶片薄且叶型复杂,这都对制造技术提出了极高的要求。另外转子叶片出现损伤时无法单独更换,可能导致整体叶盘报废,修复技术又是另一个难题。

  整体叶盘的制造

  目前,整体叶盘的制造主要有三大技术。

  五轴联动数控铣削加工

  五轴联动数控铣削加工由于其具有快速反应性、可靠性高、加工柔性好及生产准备周期短等优点,在整体叶盘制造领域得到广泛的应用,主要有侧铣、插铣和摆线铣等铣削方式。而确保整体叶盘加工成功的关键因素包括:

  A. 具有良好动态特性的五轴联动机床

  B.优化的专业CAM软件

  视频中展示的就是hyperMILL?通过标准化-自动化,高效加工航空件。

  首先,它具有许多功能和工具,提供了可大幅减少编程工作和缩短机床运行时间的自动化选项。可在hyperMILL? 的一个用户界面内重复利用编程专业知识和特征与宏技术。除了指派的几何形状,CAD几何形状信息中的特征还包含与生产有关的所有信息,如顶部、底部和起点。这些信息只需定义一次便可指派给加工策略。如果在工序中修改几何形状或技术参数,则只需在特征中做出更改。当执行新计算时,会将这些更改考虑在内。

  定制工序特征可为多个相似的几何形状定义共用的公司标准。这样建立的工作流程可作为技术宏保存。这些宏可用于大量的加工任务。凭借定制工序特征,可通过定义规则和筛选条件(例如颜色或层)实现几何形状选择自动化,从而将新零件与现有宏相匹配。

  结合hyperMILL? 特征技术,宏可与加工策略和加工特征使用的刀具相链接。可以保存这些宏,也可随时在宏数据库中调出,并通过单击鼠标手动指派给特征。凭借智能宏,用户可为加工过程的每个阶段保存预先定义的规则和条件。按照这些规则和几何形状信息(例如直径、深度和开放或闭合型腔)自动指派加工步骤并根据相应几何形状进行调整。这意味着宏包含可能需要的全部加工步骤,并且仅进行特定应用所需的加工。

  在最新2019.2版本中,OPEN MIND还进一步改进了新版本中的特征和宏技术,可让用户进行更安全更简单的编程。有一个对于日常工作很实用的功能,就是为重复几何形状定义宏。OPEN MIND如今在宏数据库中增加了全文本搜索。用户也可将机床和材料组定义为默认值,以便更轻松地选择宏。

  孔特征链接意味着CAD特征的模型更改可自动传输至hyperMILL?。因为CAD中的设计更改可与CAM对应链接,因此用户可快速安全地进行更新。

  CNC编程自动化的一个重要方面就是基于现有的CAD设计模型来分析可能的加工策略。对于处理大型零件的用户,还有一个不错的新功能:在hyperCAD?-S中,可通过材料定义计算工件的质量和质心并可用于实体、网格和毛坯模型。此套件CAD部分的另一亮点是新增“倒扣”功能,可快速、可靠地检测组件上的倒扣区域。此外,新增“局部曲率”分析功能,可检测组件上的曲率半径。将可立即输出通常最为重要的最小曲率半径。然后,用户可确定加工曲面等的最佳前倾角度或刀具半径。

  

  快速、可靠的倒扣分析

  hyperMILL? 提供了更多方法,可凭借转换、镜像和工单链接等综合功能通过自动化提高效率。工单链接可以将采用相同刀具的多个工单步骤整合到一次操作中进行加工,并检查碰撞。转换和镜像功能证明了其特别适合拥有对称结构的已编程部件区域。能够复制程序和/或绕所有轴对航空部件中常见的右侧和左侧部件进行镜像,轻松生成程序。

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  整体叶盘的结构复杂,叶片型面为复杂自由曲面,扭曲度大,加工精度要求高,相邻叶片之间通道深而窄、开敞性差,使整体叶盘制造困难,加工过程中叶片间加工区域狭窄,刀具可移动范围小,加工区域约束条件苛刻,使得加工过程中刀具矢量方向变化剧烈,山特维克可乐满针对整体叶盘的这些特性,提供了整体的刀具解决方案:

  粗加工开槽 - 钛合金

  粗加工时由于采用全槽铣,因此铣削深度被限定为刀具直径的一半。CoroMill? 316 可换头铣削系统的圆角刀头在生产效率和经济性之间取得了良好的平衡。

  

  CoroMill316是山特维克可乐满推出的可换头式高性能整体硬质合金铣刀,具有刀具槽型多、EH接口丰富、加工材料覆盖ISOP-ISOS等特点。

  粗加工开槽 -Inconel

  最佳方法是应用了高速加工原理的摆线铣削技术。摆线铣削– 原则上是一种在受限制的空间或狭槽中采用高速加工技术的2D粗加工(切除大余量)方法 – 这种编程实际上实现了刀具平稳地逐渐切入和逐渐切出工件:

  控制铣刀与工件的接触弧长

  由于切削力较小,可以采用较大的铣削深度

  专门用于叶片加工的CoroMill Plura整体硬质合金铣刀,加工时具有高安全性和高的表面加工质量。优化的槽型和材质可以在保证很小切削力的同时大大提高切削参数,为客户省得更多加工时间

  

  CoroMill?Plura50度螺旋角,带避空的整体硬质合金圆角立铣刀,特别适合于铣削深度约为直径两倍而铣削宽度较小时的应用场合。

  叶片仿形的精加工

  如果零件结构、CAM软件和刀具均满足要求,毫无疑问将选择加工效率最高的侧铣方式(大铣削深度)。

  标准的锥度球头立铣刀产品系列专为这类加工而设计,能够提供出色的稳定性和可达性。

  

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  厦门金鹭在航空航天加工领域投入了大量精力,针对整体叶盘的铣削加工,提出了一套涵盖粗加工、半精加工、精加工、叶根清根及轮毂面加工的刀具解决方案:

  

  流道定轴开粗刀具:SNR300波齿粗加工立铣刀

  特殊圆弧波形齿设计提高抗崩损性能

  5、6齿设计实现高效率加工

  流道摆线铣开粗刀具:SNB200摆线铣锥度立铣刀

  不等齿距设计,优异的抗振性能

  锥度设计提高刀具刚性,适合大切深摆线铣,同时减少加工时工件旋转角度,节约加工工时

  底部特殊圆弧设计,可获得优异的工件底部表面质量

  叶片精加工、叶根清根及轮毂面加工刀具:STB200锥度球头立铣刀

  采用超细晶硬质合金基体,优异的耐磨性能

  高精轮廓度,圆角半径精度±0.01mm,锥度精度±3′

  实际加工中,对材料为TC4的叶轮,冷却方式采用水基乳化液、外冷,加工方式采用摆线铣流道开粗,刀具选用D10*R10*3°*40*130*d16,在切削参数为n=2000r/min,F=900mm/min(fz=0.11mm/z),ap=20mm,ae=0.5mm的条件下,可连续稳定加工6h以上。

  

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  电化学加工

  电化学加工法是一种优秀的航空发动机整体叶盘通道加工方法,在电化学加工中主要有电解套料、仿形电解加工以及数控电解加工等几种加工技术。

  由于电化学加工主要利用的是金属在电解液中阳极溶解的特性,在应用电化学加工技术时,阴极部分并不会产生损耗,且加工中工件不会受到切削力、加工热等的影响,降低了航空发动机整体叶盘通道加工后的残余应力。

  另外,相比于五轴铣削加工,电化学加工的工时大幅减少,且在粗加工、半精加工和精加工阶段均可采用,加工后不必再进行手工抛光,因此,是航空发动机整体叶盘通道加工重要的发展方向之一。

  埃马克基于精密电化学加工(PECM)技术开发了两种机型,用于发动机生产中不同的加工工作:小型的PO100 SF用于加工单一的涡轮叶片,而大型的PO 900 BF则用于加工更大型的整体叶盘。同时采用精密的PECM技术和EMAG高性能部件,系统在加工区域大小、占地面积、发生器的容量和加工轴数上有所不同。这两种机床也向用户提供EMAG重要的技术,例如Mineralit?聚合物混凝土机座、智能软件和硬件的接口以及高效的自动化解决方案。

  

  PO 900 BF叶盘加工单元

  这两个机床在实际生产中也确实发挥了PECM技术的优势。首先在加工效率上,2014年一家知名的发动机制造商已经见证了在PO 100 SF上加工单一叶片的高效率,在供应商的工厂,机床生产开始后以异常快的速度加工。另一台机床,目前正在等待用于整体叶盘的生产。大批发动机公司的零部件目前正处于实际使用的鉴定阶段。

  在加工成本上,近期,Fraunhofer IPT的专家与WZL和EMAG ECM有限公司一起比较了七种不同的整体叶盘加工方法,得出的结果是:假定生产量为800个镍基HPC整体叶盘,如果用户采用了正确的加工策略,相对于传统机械切割的单位成本可以减少至少50%。

  此外,高精几何加工精度是技术成功的主要因素之一。PECM使用较低的峰谷值还加工出高表面质量,因此不再需要对刀片的后续精加工工序,如抛光,或者可以用更快的速度完成,这两者都使单位成本进一步降低。对于一个变得越来越重要,其体积也不断增大的部件来说,这是一个重要的加分点。

  

  PO 900 BF加工视频▼

  焊接加工

  对叶片进行单独加工,并在后期采用电子束焊、线性摩擦焊或是真空固态扩散联结等焊接技术将前期加工的叶片焊接至叶盘。其优势是可以用于叶片和轮盘材料不一致的整体叶盘制造。

  采用焊接式加工时对叶片焊接质量要求较高,直接影响着航空发动机整体叶盘的使用性能和可靠性。而且由于焊接式叶盘所用叶片实际形状不尽一致,受焊接精度限制各叶片在焊接后位置不尽一致,需要采用自适应加工技术针对各叶片进行个性化精密数控铣削。

  除此之外,整体叶盘的修复中,焊接是十分重要的技术,其中线性摩擦焊作为一种固相焊接技术,焊接接头质量高、再现性好,是焊接高推重比航空发动机转子部件较为可靠和可信赖的焊接技术之一。

  整体叶盘的应用

  1.EJ200航空发动机

  EJ200航空发动机共有3级风扇,5级高压压气机。单个叶片通过电子束焊接到轮盘上形成整体叶盘,用在第3级风扇和第1级高压压气机上。整体叶盘与其他级的转子并未焊在一起形成多级整体转子,而是使用短螺栓连接,总体来说处于整体叶盘应用的初级阶段。

  2.F414涡扇发动机

  F414涡扇发动机中,3级风扇的第2、3级和7级高压压气机的前3级采用了整体叶盘,采用电化学方法加工而成。且GE公司还发展了一套可行的修理办法,在此基础上,风扇第2、3级的整体叶盘被焊接在一起形成整体转子,压气机第1、2级也焊成一体,进一步降低了转子的重量,提高了发动机的耐久性。

  相比于EJ200,在整体叶盘的应用上,F414又前进了一大步。

  3.F119-PW-100发动机

  3级风扇、6级高压压气机全部采用了整体叶盘,且第1级风扇叶片是空心的,通过线性摩擦焊将空心叶片焊到轮盘上形成整体叶盘,使该级转子重量减少了32kg。

  4.BR715发动机

  在民用大型发动机中,整体叶盘也已经得到应用。BR715发动机采用五轴联动数控铣削技术加工整体叶盘,用在风扇后的二级增压压气机上,且前后两级整体叶盘焊接在一起形成整体转子。其在波音717上得到应用。

  我国非常重视航空发动机制造技术,整合各个领域资源,专门组建了中国航空发动机集团有限公司,于2016年正式成立,致力于航空发动机的自主研发。

  2017年北京国际航空展上,中国航发集团不仅展示了加工好的整体叶盘,还在现场播放视频,介绍了中国航发黎明如何一步步突破整体叶盘加工技术。每一项突破的背后,或许都有着千百次尝试。

  工欲善其事,必先利其器。想了解更多整体叶盘加工的相关信息,请戳阅读原文。

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