南航何宁教授:我国航空发动机制造迎来历史机遇期

来源:机电商报 作者:刘文静

发布时间:2017年4月18日下午 12:04:08

近些年来,中国加大了航空发动机自主研发力度,努力追赶国际顶尖水平,在诸多关键技术上有了显著进步。“我国航空发动机将进入快速发展阶段,制造技术也将有大的突破和提升,这是从事航空发动机制造科技人员最好的历史机遇期,同时也将面对巨大的挑战。”南京航空航天大学机电学院何宁教授如是说。

近些年来,中国加大了航空发动机自主研发力度,努力追赶国际顶尖水平,在诸多关键技术上有了显著进步。“我国航空发动机将进入快速发展阶段,制造技术也将有大的突破和提升,这是从事航空发动机制造科技人员最好的历史机遇期,同时也将面对巨大的挑战。”南京航空航天大学机电学院何宁教授如是说。

与世界先进水平差距明显
目前,我国航空发动机从设计、制造、材料到实验等各个环节都有很多空白需要填补,难度比较大。“样机的制造并不是不可克服的困难,关键问题在于质量和精度的差距,同时还有效率和成本问题。”何宁一语道出了我国航空发动机制造的现状,他认为当下我国航空发动机制造与世界先进水平的差距主要体现在以下五点:

一是加工机理相对缺乏。没有理论指导,摸索做产品,问题不断出现,不知其然,或是知其然而不知其所以然。

二是技术创新不够。我国航空发动机企业过去投入少,自主设计和制造零件历史比较短,凭经验生产零件,跟踪技术多,创新积累有限。

三是质量意识弱、工艺积累少。与德国和日本企业相比,我国企业缺乏牢固的质量意识,对工艺与质量的关系认识也不到位。工艺人员、工匠的知识、经验和技术的传承有限,信息化和智能化最重要的的任务是工艺知识、数据和经验的积累、传承、应用以及提高。

四是人才力量缺乏。目前重点大学更多强调的是通识教育,即使是航空院校,专门针对航空工艺的教学大量缩减,大学生航空企业的实践也少,这是航空人才培养的缺陷。

五是夹具等辅助性工装技术研究相对薄弱。目前国内夹具的研究不多,这也是制约工艺发展的一个短板。

要想缩短这些差距,何宁认为国家在加强重点工程建设中,也要在基础研究上加大投入。如何促进我国航空发动机的发展?“大学的主要任务是结合国家重大需求,加强校企合作,培养适用于航空发动机领域高素质人才;积极参与航空发动机的基础研究和应用基础研究。同时,企业加大技术创新和联合研发,推动整体工艺系统水平的不断提升。”何宁说道。

难度显著的技术高门槛产业
航空发动机技术门槛之高,众所周知。对于设备的加工能力和企业的工艺水平是非常严峻的考验。“航空发动机在制造过程中不仅要求加工精度和高加工效率,还要保证加工表面质量,对加工件表面粗糙度、残应力把控更精准。”何宁强调。

何宁指出,航空发动机制造的难点主要体现在:一是难加工材料多,除了传统的高温合金、钛合金等材料,大量新型先进材料如金属基和陶瓷基复合材料、金属间化合物、单晶叶片等已得到普遍应用,还有表面涂层,对加工性能要求高;二是结构复杂,整体结构多、曲面大、空间小、壁薄;三是加工的尺寸、形状、精度要求高,制约了加工效率的提高;四是航空发动机要求长寿命、高可靠的性能,这就对表面加工质量提出了更高的要求,已加工表面任何损伤都有可能造成严重的飞行事故。

由于航空发动机越来越复杂的结构以及越来越高的质量要求,加工变形问题已成为一个严重的制造瓶颈。加工变形产生的主要原因有:一是夹具的影响,夹具夹紧位置和力度控制不好就会产生变形;二是加工过程中会有切削力,切削力对一些薄壁的弱刚性零件容易产生受力变形;三是热处理变形,热处理前的粗加工、钣金加工是达到要求的,但热处理完成后变形是目前比较难解决的问题;四是材料内应力的再平衡,所有的材料内部存在内应力,对于复杂结构件,本身不对称,厚度尺寸存在变化,在加工过程中材料余量被切除掉,内应力会重新分布再平衡,导致零件产生变形。

关于零件毛坯内部的应力测试评估,何宁及他的团队积累了多年的经验,对飞机和航空发动机零部件内应力测试有着丰富的技术储备,在许多航空制造企业得以应用和推广。“原始毛坯内应力分布不均匀,加工时就会发生一些没有规律的变形,这是目前最困扰航空企业的难题。”何宁详细解释道,这样的零件在机床加工完成之后的在线测量是合格的,但是零件解除夹紧从机床上取下之后就会产生变形,且每一件零件的变形都不一样。“这是一个很大的技术难点,也是影响航空发动机质量的重要因素之一。”

关乎制造提升的五点建议
针对上述制约航空发动机发展因素,在通过产学研合作,加强基础研究和制造技术创新的基础上,何宁给出了以下五方面建议:

第一,工艺互补,共同发展。有些零件用常规工艺加工起来特别困难,如难加工材料的整体叶盘。叶片之间的空隙太小,加工干涉就会影响加工质量和效率,但特种工艺可以解决这种问题,如激光、电火花、电解等。结合高速加工等机械加工工艺,即根据材料和结构的特点,选择合适的工艺组合。

第二,加强工艺数据和知识的研究、试验、优化和积累,再利用加工数据库、专家系统等技术进行加工系统的整体优化。

第三,基于仿真的工艺开发优化。在实施工艺之前,运用仿真技术预测实施结果。基于物理因素的仿真技术,可以仿真出加工过程的受力、温度、工件变形、表面粗糙度等。发动机的材料成本高,需要尽可能节约材料,通过仿真技术来预测验证则可以降低成本。

第四,基于监控的过程管理技术,这也是智能制造在航空发动机加工领域的应用。在机床上设置一些相应的传感器来感知温度、力、振动、功率等状态信息,对状况信息分析处理,对整个过程状态,如刀具突然磨损或崩刃,振动、切屑缠绕或堵塞等进行识别和管理,避免意外故障,也可根据加工状态适时调整加工过程参数,保持最佳加工条件。通过控制系统发送各种信息传递给管理者,让管理者可以随时全面掌握生产过程状态。

第五,刀具管理。刀具是影响加工过程的重要因素之一,航空发动机零件普遍是小批量多品种,可能一台机床、一把刀具加工不同的零件,这就格外需要对刀具信息进行管理,对刀具质量进行监控,既要充分发挥每把刀具的性能,又要避免刀具的破坏对零件的损害。例如某把刀具的寿命只有60分钟,需要累计该刀具加工不同零件不同工序的总加工时间,如果60分钟之后还用这个刀具加工,轻则会影响加工产品的精度,重则会损毁零件。

“航空发动机及其零部件在研制过程中质量是必须把控的要素,在这一过程中要注意各种数据的积累,将这些数据通过信息化手段记录下来,以便后续改进。”何宁分析道,由于航空发动机批量并不是很大,所以柔性化生产是未来发动机制造的趋势,对新发动机的研制进行定制化生产。相信,随着国家加大对航空发动机事业的投入,航空发动机制造工艺和技术必将会加速发展,促进我国航空发动机性能和水平的迅速提高。

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