西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張曉東 吳寶海 羅 明 張定華

燃油控制系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其3大核心部件——供油部件、計(jì)算部件和執(zhí)行部件，分別被譽(yù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”、“大腦”和“神經(jīng)系統(tǒng)”，其工作原理如圖1 所示。燃油控制系統(tǒng)的作用主要是通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的控制，其中包括燃油流量的計(jì)量控制與分配、風(fēng)扇與壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉的角度控制、加力泵的打開和關(guān)閉、矢量噴口方位的控制等，從而使得在整個(gè)飛行包線內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各種形式的位置控制、速度控制以及力控制等，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在服役環(huán)境和工作狀態(tài)下能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行?？梢姡加涂刂葡到y(tǒng)的工作狀態(tài)對(duì)飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能起著決定性的作用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜零部件的制造工藝特點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)通常由上千個(gè)零件組成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、加工精度要求以及裝配關(guān)系較發(fā)動(dòng)機(jī)其他零部件要求更為苛刻。隨著我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比、推重比及服役壽命的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜、材料更難加工、精度要求更高，這對(duì)制造工藝和裝備技術(shù)提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，最具代表性的兩類零件是復(fù)雜殼體和精密偶件。

1 復(fù)雜殼體零件制造特點(diǎn)

復(fù)雜殼體既是實(shí)現(xiàn)燃油系統(tǒng)高、中、低壓油路導(dǎo)引的核心部件，也是發(fā)動(dòng)機(jī)油泵、調(diào)節(jié)器以及各種控制元件的定位基準(zhǔn)和承力構(gòu)件，其制造結(jié)果直接影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役性能和壽命。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形位精度要求高且內(nèi)部型腔、孔隙和油路繁多，具有薄壁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜（型腔復(fù)雜，孔系眾多，空間、深孔多）、氣密性要求高、加工效率低、檢驗(yàn)難度大的特點(diǎn)（見圖2）。

目前，殼體鑄件主要采用金屬型和砂型重力鑄造的方法成形，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均以及常規(guī)成形工藝的局限，鑄造成形過程中極易出現(xiàn)縮孔、縮松、裂紋等缺陷。殼體零件毛坯的鑄造工藝流程如圖3所示。

在機(jī)械加工方面，由于缺乏合理的數(shù)控加工策略和最優(yōu)的切削參數(shù)，造成復(fù)雜殼體加工效率低，加工周期難以控制；同時(shí)，由于孔系種類眾多，直徑從1mm到幾十毫米不等，且孔深與直徑之比大（最高可達(dá)50：1以上），并且?guī)в懈鞣N臺(tái)階孔、環(huán)形槽等結(jié)構(gòu)，造成孔隙加工難度極大。這些問題導(dǎo)致目前復(fù)雜殼體制造中普遍存在鑄件合格率低、生產(chǎn)效率低以及油路孔加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)研制生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。機(jī)械加工階段典型流程主要包括粗加工、半精加工、精加工及清理等過程，典型工藝流程如圖4所示。復(fù)雜殼體機(jī)械加工方式主要采用型腔銑和孔系加工，加工設(shè)備主要以3軸、4軸和5軸加工中心為主。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)工作原理

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)殼體零件

圖3 殼體毛坯鑄造工藝流程

圖4 殼體零件的機(jī)械加工工藝流程

2 精密偶件制造技術(shù)特點(diǎn)

精密偶件是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中保證液壓信號(hào)準(zhǔn)確、穩(wěn)定傳遞的核心零部件，用于提供穩(wěn)壓油源、控制燃油流量壓力、實(shí)現(xiàn)液壓信號(hào)放大和邏輯轉(zhuǎn)換控制等功能。精密偶件零件包括活門和襯套兩大類（見圖5），活門類零件具有端面型槽、徑向小孔多、位置精度要求高等特點(diǎn)；襯套類零件表面存在形狀各異的節(jié)流型孔、不對(duì)稱的矩形、不同角度的型面、圓弧等組合而成的窗口，襯套類零件內(nèi)孔的尺寸精度和形狀精度要求高?；铋T和襯套需要進(jìn)行組合配套以達(dá)到精密偶件性能要求，活門偶件組合配套關(guān)系復(fù)雜，襯套與活門配合間隙要求高，要求最小為0.001～0.003mm，活門和襯套需要進(jìn)行配試才能完成組合配套，并需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反復(fù)性能測(cè)試。以某些零件為例，該零件為回轉(zhuǎn)類零件，以車削加工為主，其零件兩端面存在型槽，在左端有4個(gè)直徑2mm的小孔，在零件外圓上有4個(gè)直徑1mm的小孔，這幾個(gè)加工特征應(yīng)采用銑削的加工方式來完成。左端面的型槽對(duì)基準(zhǔn)B有0.1mm的對(duì)稱度要求，右端面兩個(gè)型槽中心連線與槽N的對(duì)稱軸線的夾角為45°±5'，該類位置度要求嚴(yán)格，車工工序與銑工工序分別完成加工時(shí)存在二次裝夾造成的誤差，難以保證位置度誤差要求。

精密偶件目前主要采用電加工的方式進(jìn)行，但由于電加工工藝與裝備相對(duì)落后，導(dǎo)致電加工后表面質(zhì)量差，難以滿足產(chǎn)品性能要求；此外，精密活門襯套存在由內(nèi)孔和環(huán)槽以及窗口形成的性能控制邊，性能控制邊要求保持光潔銳邊，目前主要采用反復(fù)研磨的工藝方式，但尖邊質(zhì)量控制不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能。在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，精密活門偶件精度等級(jí)顯著提高，同時(shí)對(duì)精密偶件的壽命和可靠性也提出了更高的要求，迫切需要采用新的制造裝備與工藝技術(shù)對(duì)該類零件進(jìn)行加工，以滿足我國(guó)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求。精密偶件的加工工藝流程如圖5所示。

圖5 精密偶件的加工工藝流程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜零件制造關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜零件的制造技術(shù)涉及的種類多、工藝過程復(fù)雜、非常規(guī)制造技術(shù)（如研磨等）比重大，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)零部件的制造相比，特點(diǎn)明確。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造水平的不斷提升，近年來對(duì)較少關(guān)注的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)的制造業(yè)提出了新的要求，各種新發(fā)展的制造技術(shù)也得到了不斷的應(yīng)用。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)的殼體和精密偶件兩類典型零件為例，涉及的關(guān)鍵制造技術(shù)及正在發(fā)展的關(guān)鍵制造技術(shù)主要包括：復(fù)雜殼體內(nèi)芯的快速原型制造技術(shù)、復(fù)雜殼體零件的高速高效加工技術(shù)、殼體深孔的加工-測(cè)量一體化技術(shù)、精密偶件的車銑復(fù)合加工技術(shù)、精密偶件的以珩代研技術(shù)等。

1 復(fù)雜殼體內(nèi)芯的快速原型制造

復(fù)雜殼體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其毛坯制造主要采用鑄造技術(shù)。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)殼體類零件種類多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同，采用快速原型制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)殼體內(nèi)芯的制造，將有助于提高復(fù)雜殼體的制造效率。采用雙光源選區(qū)激光燒結(jié)成形裝備，同時(shí)使用兩臺(tái)以上的激光器并行加工，可兼顧成形精度和制造效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的高效、高精度成形。在成形工藝上，建立激光選區(qū)燒結(jié)過程中溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)、補(bǔ)償策略，提高成形精度；采用移出式成形腔體，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的后處理工藝，提高生產(chǎn)效率。此外，隨著三維打印技術(shù)的不斷發(fā)展，直接采用三維打印方式制造復(fù)雜殼體零件在將來也成為一種可能的選擇。

2 復(fù)雜殼體的高速高效加工技術(shù)

針對(duì)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜殼體零件編程與加工效率低的問題，將高速高效加工工藝方法應(yīng)用在殼體的加工中，可以提升殼體加工的工藝水平。通過對(duì)殼體加工工藝特點(diǎn)的分析，對(duì)殼體加工的工藝過程知識(shí)進(jìn)行梳理；根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和加工工序，以加工效率最大化為目標(biāo)計(jì)算合適的刀具直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)刀具的優(yōu)化選擇；通過自動(dòng)識(shí)別殼體特征進(jìn)行模型的處理，并生成殼體零件加工的中間工序模型；在獲得殼體加工工序模型的基礎(chǔ)上，基于殼體結(jié)構(gòu)特征與工藝知識(shí)自動(dòng)生成各工序的加工軌跡；針對(duì)生成的加工軌跡，可以采用物理仿真軟件預(yù)測(cè)沿加工軌跡的刀具切削狀態(tài)和刀具負(fù)載；根據(jù)機(jī)床參數(shù)和刀具負(fù)載等進(jìn)行進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速的優(yōu)化。高速高效加工技術(shù)的應(yīng)用為復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多品種、小批量殼體零件的高品質(zhì)生產(chǎn)提供了保障。

3 復(fù)雜殼體深孔的加工-測(cè)量一體化技術(shù)

復(fù)雜殼體的孔系多、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、深度大，故加工和測(cè)量難度大。在殼體深孔加工方面，可以通過物理仿真軟件對(duì)鉆孔過程進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)不同鉆削參數(shù)、鉆頭參數(shù)等的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)殼體深孔加工過程中的鉆頭參數(shù)選擇、鉆頭壽命控制以及鉆削參數(shù)優(yōu)化。同時(shí)，通過對(duì)鉆孔過程的物理仿真與對(duì)比分析，可以對(duì)鉆孔過程中孔壁表面完整性進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)抗疲勞制造。在深孔的加工質(zhì)量檢測(cè)方面，目前檢測(cè)過程中人工干預(yù)多、中間工序檢測(cè)少、自動(dòng)化檢測(cè)措施缺乏。隨著在機(jī)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在殼體零件加工工序間實(shí)現(xiàn)孔系加工精度的檢測(cè)與質(zhì)量保證逐漸成為可能。通過在機(jī)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)孔系加工過程中質(zhì)量的保證，最終再通過三坐標(biāo)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)孔系加工質(zhì)量的最終檢測(cè)。加工-測(cè)量一體化技術(shù)的應(yīng)用大大降低了復(fù)雜殼體孔系質(zhì)量檢測(cè)中的手工工作量，為縮短復(fù)雜殼體零件的生產(chǎn)周期提供了保障。

4 精密偶件的車銑復(fù)合加工技術(shù)

目前，精密偶件的制造還主要是采用車、銑分開加工以及電加工成形的方式，車銑復(fù)合加工工藝方法的應(yīng)用相對(duì)較少。精密偶件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了車銑復(fù)合加工技術(shù)可以在其制造過程中進(jìn)行有效應(yīng)用。針對(duì)車銑復(fù)合加工工藝在精密偶件中的應(yīng)用，需要在車銑復(fù)合編程、后處理及加工過程仿真方面進(jìn)行研究。在車銑復(fù)合加工編程方面，對(duì)精密偶件的加工特征進(jìn)行自動(dòng)劃分與提取，建立面向不同加工特征的自動(dòng)編程方法。結(jié)合精密偶件車銑復(fù)合加工工藝，連接不同加工特征的數(shù)控程序，并確定加工過程中機(jī)床非運(yùn)動(dòng)部件的位置。為進(jìn)一步提高精密偶件車銑復(fù)合加工的效率，可以結(jié)合加工過程的仿真，進(jìn)行切削參數(shù)的優(yōu)化。在生成精密偶件車銑復(fù)合加工程序的基礎(chǔ)上，自動(dòng)識(shí)別車銑復(fù)合加工刀位文件中車、銑、鉆等加工工藝以及非運(yùn)動(dòng)部件的位置，開發(fā)車銑復(fù)合加工專用后置處理軟件，并實(shí)現(xiàn)與數(shù)控編程平臺(tái)的無縫集成。針對(duì)生成的車銑復(fù)合加工代碼，在現(xiàn)有商業(yè)軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工仿真，以有效檢測(cè)加工過程中可能存在的碰撞干涉等問題，保證加工過程的安全。

5 精密偶件電火花成形加工技術(shù)

精密偶件上通常分布有不規(guī)則型孔，這些孔結(jié)構(gòu)里大外小，且呈空間分布狀態(tài)。在加工精度上，這類不規(guī)則型孔的共面度及型孔尖邊要求高，主要采用電火花成形技術(shù)進(jìn)行加工。在精密偶件的電加工過程中，里大外小的型孔結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)特定形狀的電極進(jìn)行加工。在型孔尖邊質(zhì)量的保證上，需要對(duì)電極的搖動(dòng)、平動(dòng)量進(jìn)行控制，在保證加工尖邊加工質(zhì)量的同時(shí)，提高加工效率。此外，在精密偶件的電火花成形加工過程中，需要深入研究不同電極材料的電極損耗規(guī)律，降低電極損耗對(duì)加工精度的影響，找出電極損耗數(shù)控補(bǔ)償?shù)膬?nèi)在規(guī)律，在提高加工精度和工藝穩(wěn)定性的同時(shí)，降低工具電極的研制費(fèi)用。

6 精密偶件的以珩代研技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)精密偶件具有極高的尺寸精度、表面粗糙度和配合間隙的要求，目前主要采用手工研磨工藝，即采用簡(jiǎn)單的設(shè)備和工具，再配上各種研磨膏，就能得到準(zhǔn)確的形狀、較高的表面質(zhì)量和精密的配合間隙。但是手工研磨工藝效率低、人工干預(yù)較多，且在粗研階段研磨工作量大、質(zhì)量不穩(wěn)定。珩磨是用鑲嵌在珩磨頭上的油石，對(duì)精加工表面進(jìn)行精整加工的技術(shù)，可以使工件加工表面達(dá)到高精度、高表面質(zhì)量、高壽命，可有效地提高尺寸精度、形狀精度和減小Ra值。因此，可以采用珩磨工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工研磨工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)精密偶件的制造（見圖6）。精密偶件珩磨過程中需要結(jié)合精密偶件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)精密偶件的珩磨工藝參數(shù)、精密偶件的夾持位置和裝夾壓力等進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 珩磨

結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組成部分，其性能決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)是否能正常有效的工作。高效、精密地制造出發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)的復(fù)雜殼體、精密偶件等核心零部件，對(duì)于保障發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率有重要作用。隨著新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)制造技術(shù)水平的提升也逐漸得到關(guān)注。各種先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展以及不斷完善則為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)制造技術(shù)水平的提升提供了可能。