航空發動機制造裝備的性能需求分析

來源:中國機床工具工業協會閱讀:

我國航空發動機制造業從引進斯貝發動機開始,并隨著上世紀90年代投入了一些型號攻關項目,逐步引進了一些精鑄、精鍛方面的全套設備,各類金屬切削機床,焊接和熱處理設備,計量儀器和理化測試儀器等,尤其是后來承擔了大量RR、GE、PW的外貿轉包業務,引進了大量高檔數控設備,學習到了很多發動機先進制造技術。經過30多年的學習和自主攻關發展,在數控加工、緩進磨削、拉削、電子束焊、等離子噴鍍和各種無損探傷檢驗等方面的技術和裝備都通過反復實踐而得到鞏固和發展,GE一臺發動機80-90%的零件都可以在中國完成加工。但是這些零件大部分都是在國外品牌機床上加工制造的,這類機床主要集中在高檔五軸立/臥式加工中心、數控坐標鏜加工中心、數控坐標磨削加工中心、立式車磨復合加工中心、高速葉尖磨機床、高精度數控拉床以及各類多功能復合的專用金屬切削設備。但是,外貿加工主要集中在冷加工領域,零件和組件加工的特種工藝受制于設備及相應的工藝水平,例如渦輪葉片涂層設備、壓氣機和高壓渦輪轉子組件摩擦焊設備、渦輪葉片和火焰筒小微群孔打孔設備等方面。目前,完成特種加工工藝的國產機床設備市場占有率尚待提高,而這些特種工藝恰恰是利潤率最高的工序之一。特種工藝裝備的提升將有利于降低我國航空發動機制造業的綜合成本、提高國產航空發動機的市場競爭力。

1設備的共性技術分析

(1)高剛性、高效率

航空發動機零件大多采用難加工材料,高效加工常采用強力切削方法,因此對數控機床的剛性要求較高。

床身和進給系統:一般要求機床基座和床身結構是整體經過動力學仿真與驗證的最佳結構,具有±2μm的平面精度,機床直線軸、旋轉軸熱穩定性好。

切削主軸:鈦合金切削的最佳線速度在200m/min左右,高溫合金切削最佳線速度在120m/min,但是航空零件的多特征需要不同直徑的刀具,不同階段的加工需要設定不同的切削深度。這就要求切削主軸可以在較寬的切削速度范圍內具備較大的恒扭矩輸出能力,高速下主軸剛性要好。對主軸的結構設計、線圈纏繞工藝、冷卻潤滑系統、密封、軸承及支撐方式等都提出了很高要求,如采用動靜壓軸承(陶瓷球)保障最低磨損狀態下實現高主軸轉速,提高剛性,帶有頂級的槽口潤滑,防漏端面迷宮密封接頭可提供良好的空氣密封。

(2)高精度、高動態響應

航空發動機零件對尺寸精度、幾何元素的形位精度要求高,特別是薄壁零件剛性差、加工過程易變形,加工后尺寸和位置度等難以檢查,需要一次成形,并采用在機方式進行測量,對數控機床的加工精度要求較高。機床動態性能不足引起的動態誤差是高速高精運動過程中影響加工精度的最主要因素之一。通過選擇帶有光柵尺的全閉環反饋系統和穩定的靜壓導軌,可保證數控機床具有較高的定位精度和重復定位精度。要求伺服進給具有高加速性和較短的定位及啟動時間,對主軸振動、漂移和溫度進行實時監控并調整,并具有較好的精度保持性,具有在機檢測功能。同時要求一機兼備粗加工和精加工能力,可以提供粗加工、預加工、快速加工、精加工和超精加工等多種功能的最佳配置,以保證工件的高質量和高精度加工要求。

(3)高可靠性、高精度保持性

機床的可靠性涉及因素很多,是一個系統問題。從用戶角度看,像Starrag(斯達拉格)等精度保持性比較好的機床,其結構設計的各個環節都有合理分配承載力和切削力分散的機構或裝置。例如,為避免切削扭力集中,擺動頭采用傘齒輪和蝸輪蝸桿結構,并通過增加多齒接觸和增大接觸面的設計,有效分散切削承載力,從而減緩磨損;主軸和立柱箱有中空的減震和水冷設計,可以衰減振動并減小重載切削變形;工作臺和進給軸等裝有過載切削保護傳感器,在崩刃等突發情況下可以保護機床不受損。采用的主軸靜壓軸承(陶瓷球)可以在最低磨損狀態下實現高主軸轉速和高剛性。此外,控制主軸精度、基礎件幾何精度和各軸的運動精度,可以有效降低非正常磨損造成機床精度衰退。總體上,機床整體采用穩定的熱對稱結構,采用可靠性比較好的機床主軸頭、主軸、回轉擺動工作臺,關鍵部件提供連續水冷功能,可以保持機床長期的高可靠性。

(4)強大的冷卻與綠色加工環境

航空難加工材料在加工過程中會產生大量的切削熱,從而降低刀具的使用壽命,還會使零件產生較大的加工應力,在加工后甚至在使用過程中產生較大的變形,影響發動機零件使用的可靠性。因此需要機床具有良好的切削冷卻功能,如內冷和水基油基方便切換的高壓外冷,帶有油霧潤滑、液氮冷卻、干切削吸塵等功能。

(5)操作便捷且易于維護

航空發動機零件裝夾復雜且易出現異常切削現象,因此要求機床上下料裝夾和找正操作可達性好,采用大尺寸車門和觀察窗,窗口工位姿態舒適。排屑器需有寬大的排屑口且沒有死角區域,帶工件噴淋功能的綜合清洗系統,能夠適用于濕式或干式加工。

所有需要定期維護的組件均應易于操作,如過濾器、刮水器等要能易于更換零件。同時,為維護人員提供安全工作區域,例如平臺和固定點。可配置狀態監控機器,預測組件的潛在故障。

(6)功能強大的控制系統

數控機床的加工運動是通過控制系統的指令實現的,因此一個穩定的、功能強大的控制系統是數控機床充分發揮作用的可靠保證,否則數控機床無異于普通機床。功能強大的控制系統可根據不同的加工工況,對各運動部位的傳動參數進行實時調節,對控制行為和數控路徑規劃進行詳細的開發和優化,以實現幾何精度、表面質量和生產率的完美結合。

(7)專機化、智能化

整體葉盤、渦輪葉片、噴嘴組件、渦輪盤、機匣等零件產品附加值非常高,這類零件的加工質量要求高、加工難度很大,而且機械加工往往是最后一道工序,一旦超差將造成整個零件報廢,因此針對這類典型零件的復雜結構與表面特征開發專機設備非常必要。

針對典型零件提供全面綜合解決方案,除了傳統的數控加工工藝方案和切削方法外,還包括專門開發CAM系統、加工系統及過程監控系統的集成;提供個性化的夾具,設計單獨的適配器方案,夾爪可針對復雜表面和預加工面進行靈活操作,不同夾具之間的基準轉換幾何偏差可在系統中進行自動偏置補償,并可兼容多種夾具,自動托盤交換裝置夾具更換方便;通過預見性特征和動態預選提高高速加工時的輪廓精確度;甚至針對不同零件開發系列化刀具方案。

航空發動機零件加工對智能化需求的難點和亮點主要體現在工藝過程中,如加工過程的自適應控制、工藝參數自動推薦與生成系統,簡化編程、操作智能系統,集成裝/卸單元中的精密定位托盤(3R、Mecatool和Yerly等),智能監控、智能診斷及維修等。

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