航空发动机限寿件边缘处理工艺分级控制方法研究.pdf
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1、 工艺材料 新技术新工艺 工艺与材料1 3 航空发动机限寿件边缘处理工艺分级控制方法研究梁永朝,秦 天,张 潇(中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 2 0 0 2 4 1)摘 要:边缘处理工艺作为航空发动机制造领域被广泛应用的一种加工工艺,对发动机零部件表面质量及发动机服役性能均有重要影响。针对航空发动机限寿件等复杂结构精密零部件因去毛刺等边缘处理工艺控制不到位而产生的刀痕、划伤等表面缺陷及表面质量问题,按照边缘处理工艺所加工部位的功能重要程度、加工尺寸精度以及工艺开展难易程度不同,采用分级控制方法,将航空发动机限寿件边缘处理加工部位划分为3个级别,开展限寿件最终加工表面倒斜角、倒圆角、
2、去毛刺等边缘处理工艺分级控制方法研究。结果表明,针对不同边缘处理方式,采用分级控制方法,限寿件表面完整性、加工质量及加工效率得到大幅提升,边缘处理工艺过程的规范化、标准化与精细化得到有效保障,为提升航空发动机限寿件边缘处理工艺加工质量和效率提供了指导方法。关键词:航空发动机;限寿件;边缘处理;分级控制;去毛刺;表面完整性中图分类号:T G 5 0 6;TH 1 6 1.1 4 文献标志码:AR e s e a r c h o n G r a d i n g C o n t r o l M e t h o d f o r E d g e T r e a t m e n t P r o c e s
3、 s o f A e r o-e n g i n e L i m i t e d-l i f e P a r t sL I ANG Y o n g c h a o,Q I N T i a n,Z HANG X i a o(A E C C C o mm e r c i a l A i r c r a f t E n g i n e C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 0 2 4 1,C h i n a)A b s t r a c t:A s a w i d e l y u s e d p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y i
4、n t h e f i e l d o f a e r o-e n g i n e m a n u f a c t u r i n g,t h e e d g e t r e a t m e n t p r o c e s s h a d a n i m p o r t a n t i m p a c t o n t h e s u r f a c e q u a l i t y o f e n g i n e p a r t s a n d e n g i n e s e r v i c e p e r f o r m a n c e.F o r t h e c o m p l e x p
5、r e c i s i o n s t r u c t u r e o f a e r o-e n g i n e l i m i t e d-l i f e p a r t s,t h e s u r f a c e d e f e c t s a n d s u r f a c e q u a l i t y p r o b l e m s s u c h a s t o o l m a r k s a n d s c r a t c h c a u s e d b y d e b u r r i n g a n d o t h e r e d g e p r o c e s s i n
6、g p r o c e s s i n a d e q u a t e c o n t r o l,a c c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n t f u n c t i o n a l i m p o r t a n c e,d i m e n s i o n a l p r e c i s i o n a n d p r o c e s s d i f f i c u l t y,b y t h e g r a d i n g c o n t r o l m e t h o d,e d g e t r e a t m e n t p r o c
7、e s s o f t h e a e r o-e n g i n e l i m i t-e d-l i f e p a r t s w e r e d i v i d e d i n t o t h r e e l e v e l s.W e c a r r i e d o u t t h e r e s e a r c h o n t h e c l a s s i f i c a t i o n c o n t r o l m e t h o d o f e d g e t r e a t-m e n t t e c h n o l o g y s u c h a s b e v e
8、l,f i l l e t a n d d e b u r r i n g o n t h e f i n a l f i n i s h e d s u r f a c e o f l i m i t e d-l i f e p a r t s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s u r f a c e i n t e g r i t y,p r o c e s s i n g q u a l i t y a n d p r o c e s s i n g e f f i c i e n c y o f l i m i t e d-
9、l i f e p a r t s w e r e g r e a t l y i m p r o v e d b y u s i n g t h e g r a d i n g c o n t r o l m e t h o d f o r d i f f e r e n t e d g e t r e a t m e n t m e t h o d s,a n d t h e s t a n d a r d i z a t i o n,n o r m a l i z a t i o n a n d r e f i n e m e n t o f t h e e d g e t r e a
10、t m e n t p r o c e s s w e r e e f f e c t i v e l y g u a r a n t e e d,w h i c h p r o v i d e d a g u i d i n g m e t h o d f o r i m p r o v i n g t h e p r o c e s s i n g q u a l-i t y a n d e f f i c i e n c y o f t h e e d g e t r e a t m e n t o f a e r o-e n g i n e l i m i t e d-l i f e
11、p a r t s.K e y w o r d s:a e r o-e n g i n e,l i m i t e d-l i f e p a r t s,e d g e t r e a t m e n t,g r a d i n g c o n t r o l,d e b u r r,s u r f a c e i n t e g r i t y 航空发动机作为一套复杂系统的结合,任何一个系统、一个部件甚至一个零件的失效都可能造成严重的航空事故。航空发动机“限寿件”作为发动机中一类“特殊零件”,几乎都是转子部件和部分低压单元体框架结构件,是保证发动机安全、可靠运行的关键件。通过对1 3 0
12、0次重大航空事故原因分析后的统计发现,至少有2 2%的事故是由于机械故障导致,比如发动机故障、液压系统失灵、防火系统问题、仪表失灵等,而导致这些机械故障的主要原因之一就是寿命限制件的失效1。航空构件中疲劳失效占8 0%以上,特别是飞机、发动机关键构件,疲劳是安全服役威胁最大的失效模式,而疲劳源绝大多数情况萌生于零件表面。图1所示为失效后的高压涡轮1级盘,2 0 0 0年9月2 2日,1架编号为N 6 5 4 U S的波音7 6 7-2 B 7客机,在费城国际机场进行地面维修性试车时,其配装的C F 6-8 0 C 2 B 2发动机在大工况下工作,突然1号发动机出现第1级高压涡轮轮盘非包容性故障
13、,甩出发动机的断片,造成飞机左翼下部着火,使飞机及1号发动机受到严重损坏2。后经调查发现,该起事故的主要原因是轮盘榫槽底部后圆角处加工尺寸不符合设计图样要求,拉削完成后榫槽底部后圆角处未进行倒圆处理,边缘毛刺未得到完全去除,即使在喷丸处理后,毛刺仍可作为起裂部位。可见开展边缘处理工艺研究对限寿件航空安全有着极其重要的现实意义。1 限寿件的适航法规要求发动机限寿件指的是其主要失效可能导致危害性发动机后果的转子和主要静子结构件。典型的发动机限寿件包括但不限于盘、隔圈、轮毂、轴、高压机 新技术新工艺 2 0 2 3年 第7期 1 4 新技术新工艺 工艺与材料 a)失效后涡轮盘残件 b)失效后涡轮盘榫
14、槽局部部位图1 失效后的高压涡轮1级盘匣和非冗余的安装部件3。在航空发动机适航规定第3 3.7 0条对发动机限寿件的管理要求进行了详细阐述,并要求通过工程计划、制造计划和使用管理计划确定每个限寿件的完整性4。从适航法规角度来看,对于限寿件的管理是一个系统性的要求,特别是在制造计划过程中要求确定专门的零件加工工艺限制计划,这就要求工艺技术文件中对于限寿件的工艺过程要有详细的过程控制要求。因此,边缘处理工艺作为航空发动机限寿件边缘处理加工过程中的一种“特种工艺”也必须强化工艺过程控制要求。典型航空发动机限寿件见表15。表1 典型发动机限寿件发动机型号限寿件总数/个限寿件清单C FM 5 61 9
15、风扇:风扇盘、增压器转子、风扇轴 压气机:前轴、12级转子、3级盘、49级转子、压气机后封严盘 涡轮:高压涡轮轴、封严盘、盘和后轴14级盘、低压涡轮轴、低压涡轮短轴和锥形支承PW 4 0 5 24 0 压气机:低压压气机毂、盘鼓转子、24级盘、高压前毂、5级盘、61 2级盘鼓转子、61 2级盘、盘鼓转子、1 31 5级盘、1 5级毂、高压压气机驱动轴、进口空气封严、扩压器空气封严 涡轮:涡轮轴、涡轮前毂、涡轮中后毂、高压1级涡轮空气封严、高压2级涡轮空气封严、高压2级涡轮叶片挡板、低压3级涡轮盘、低压4级涡轮盘、后涡轮5级毂、低压6级涡轮盘、低压3级涡轮空气封严、低压4级涡轮空气封严、低压5级
16、涡轮空气封严V 2 5 0 02 4 风扇:1级风扇盘、短轴 压气机:11 2级盘、后轴、后旋转封严 涡轮:1级涡轮毂、高压1级涡轮空气封严、高压2级涡轮空气封严、高压2级涡轮毂、高压2级涡轮叶片挡板、37级涡轮盘、35级涡轮空气封严、6级涡轮空气封严、7级涡轮空气封严和低压涡轮轴2 限寿件的典型特征分析2.1 材料特性分析由表1可知,典型航空发动机限寿件主要的零组件类型如下。1)风扇增压级:风扇盘(钛合金)、风扇轴(高强度合金钢)。2)高压压气机:压气机转子盘(钛合金/镍基高温合金)、压气机后封严盘(镍基高温合金)。3)涡轮:涡轮轴(高强度合金钢)、鼓筒轴(镍基高温合金)、高/低压涡轮盘(粉
17、末冶金高温合金/镍基高温合金)。分析可知,典型航空发动机限寿件涉及的主要材料类型有钛合金、镍基高温合金、粉末冶金高温合金、高强度合金钢等,其中钛合金和镍基高温合金材料的应用最为广泛,针对这两种材料特性分析如下。1)钛合金作为一种高强度合金材料,具有优异的高比强度、良好的抗腐蚀性、超强的断裂韧性与抗疲劳性能。由于钛合金材料的高强度、低导热系数、易粘刀以及与刀具亲和力强等特性,钛合金材料加工过程中切削力大,温度高,导致刀具磨损快,加工过程中时变性增强,虽然保证了构件的尺寸和形位精度满足设计要求,但是工件表面会出现加工刀痕、棱边损伤、加工硬化、表面微裂纹、组织损伤等表面完整性问题6。钛合金材料切削工
18、艺特征及其诱导表面完整性如图2所示7。工艺材料 新技术新工艺 工艺与材料1 5 图2 钛合金切削工艺特征及其诱导表面完整性 2)镍基高温合金(如GH 4 1 6 9)被广泛用于制造喷气发动机的涡轮盘、涡轮轴、轴颈、封严环和叶片等高温部件8。作为一种难加工材料,切削加工性较差,具体表现为切削力大、切削温度高、刀具磨损剧烈、加工硬化、粘刀现象严重、排屑困难以及加工表面质量差等问题9。I n c o n e l 7 1 8(GH 4 1 6 9)材料与其他工程材料的切削加工性指数比较如图3所示1 0,由图3可以看出,相比于其他材料,GH 4 1 6 9合金材料的切削加工性指数偏低,属于难加工材料。图
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