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南航何寧教授:我國航空發(fā)動機制造迎來歷史機遇期
星之球科技 來源:機電商報2017-04-18 我要評論(0 )
近些年來,中國加大了航空發(fā)動機自主研發(fā)力度,努力追趕國際頂尖水平,在諸多關鍵技術上有了顯著進步。我國航空發(fā)動機將進入快速
近些年來,中國加大了航空發(fā)動機自主研發(fā)力度,努力追趕國際頂尖水平,在諸多關鍵技術上有了顯著進步。“我國航空發(fā)動機將進入快速發(fā)展階段,制造技術也將有大的突破和提升,這是從事航空發(fā)動機制造科技人員最好的歷史機遇期,同時也將面對巨大的挑戰(zhàn)。”南京航空航天大學機電學院何寧教授如是說。
與世界先進水平差距明顯
目前,我國航空發(fā)動機從設計、制造、材料到實驗等各個環(huán)節(jié)都有很多空白需要填補,難度比較大。“樣機的制造并不是不可克服的困難,關鍵問題在于質量和精度的差距,同時還有效率和成本問題。”何寧一語道出了我國航空發(fā)動機制造的現狀,他認為當下我國航空發(fā)動機制造與世界先進水平的差距主要體現在以下五點:
一是加工機理相對缺乏。沒有理論指導,摸索做產品,問題不斷出現,不知其然,或是知其然而不知其所以然。
二是技術創(chuàng)新不夠。我國航空發(fā)動機企業(yè)過去投入少,自主設計和制造零件歷史比較短,憑經驗生產零件,跟蹤技術多,創(chuàng)新積累有限。
三是質量意識弱、工藝積累少。與德國和日本企業(yè)相比,我國企業(yè)缺乏牢固的質量意識,對工藝與質量的關系認識也不到位。工藝人員、工匠的知識、經驗和技術的傳承有限,信息化和智能化最重要的的任務是工藝知識、數據和經驗的積累、傳承、應用以及提高。
四是人才力量缺乏。目前重點大學更多強調的是通識教育,即使是航空院校,專門針對航空工藝的教學大量縮減,大學生航空企業(yè)的實踐也少,這是航空人才培養(yǎng)的缺陷。
五是夾具等輔助性工裝技術研究相對薄弱。目前國內夾具的研究不多,這也是制約工藝發(fā)展的一個短板。
要想縮短這些差距,何寧認為國家在加強重點工程建設中,也要在基礎研究上加大投入。如何促進我國航空發(fā)動機的發(fā)展?“大學的主要任務是結合國家重大需求,加強校企合作,培養(yǎng)適用于航空發(fā)動機領域高素質人才;積極參與航空發(fā)動機的基礎研究和應用基礎研究。同時,企業(yè)加大技術創(chuàng)新和聯合研發(fā),推動整體工藝系統水平的不斷提升。”何寧說道。
難度顯著的技術高門檻產業(yè)
航空發(fā)動機技術門檻之高,眾所周知。對于設備的加工能力和企業(yè)的工藝水平是非常嚴峻的考驗。“航空發(fā)動機在制造過程中不僅要求加工精度和高加工效率,還要保證加工表面質量,對加工件表面粗糙度、殘應力把控更精準。”何寧強調。
何寧指出,航空發(fā)動機制造的難點主要體現在:一是難加工材料多,除了傳統的高溫合金、鈦合金等材料,大量新型先進材料如金屬基和陶瓷基復合材料、金屬間化合物、單晶葉片等已得到普遍應用,還有表面涂層,對加工性能要求高;二是結構復雜,整體結構多、曲面大、空間小、壁??;三是加工的尺寸、形狀、精度要求高,制約了加工效率的提高;四是航空發(fā)動機要求長壽命、高可靠的性能,這就對表面加工質量提出了更高的要求,已加工表面任何損傷都有可能造成嚴重的飛行事故。
由于航空發(fā)動機越來越復雜的結構以及越來越高的質量要求,加工變形問題已成為一個嚴重的制造瓶頸。加工變形產生的主要原因有:一是夾具的影響,夾具夾緊位置和力度控制不好就會產生變形;二是加工過程中會有切削力,切削力對一些薄壁的弱剛性零件容易產生受力變形;三是熱處理變形,熱處理前的粗加工、鈑金加工是達到要求的,但熱處理完成后變形是目前比較難解決的問題;四是材料內應力的再平衡,所有的材料內部存在內應力,對于復雜結構件,本身不對稱,厚度尺寸存在變化,在加工過程中材料余量被切除掉,內應力會重新分布再平衡,導致零件產生變形。
關于零件毛坯內部的應力測試評估,何寧及他的團隊積累了多年的經驗,對飛機和航空發(fā)動機零部件內應力測試有著豐富的技術儲備,在許多航空制造企業(yè)得以應用和推廣。“原始毛坯內應力分布不均勻,加工時就會發(fā)生一些沒有規(guī)律的變形,這是目前最困擾航空企業(yè)的難題。”何寧詳細解釋道,這樣的零件在機床加工完成之后的在線測量是合格的,但是零件解除夾緊從機床上取下之后就會產生變形,且每一件零件的變形都不一樣。“這是一個很大的技術難點,也是影響航空發(fā)動機質量的重要因素之一。”
關乎制造提升的五點建議
針對上述制約航空發(fā)動機發(fā)展因素,在通過產學研合作,加強基礎研究和制造技術創(chuàng)新的基礎上,何寧給出了以下五方面建議:
第一,工藝互補,共同發(fā)展。有些零件用常規(guī)工藝加工起來特別困難,如難加工材料的整體葉盤。葉片之間的空隙太小,加工干涉就會影響加工質量和效率,但特種工藝可以解決這種問題,如激光、電火花、電解等。結合高速加工等機械加工工藝,即根據材料和結構的特點,選擇合適的工藝組合。
第二,加強工藝數據和知識的研究、試驗、優(yōu)化和積累,再利用加工數據庫、專家系統等技術進行加工系統的整體優(yōu)化。
第三,基于仿真的工藝開發(fā)優(yōu)化。在實施工藝之前,運用仿真技術預測實施結果?;谖锢硪蛩氐姆抡婕夹g,可以仿真出加工過程的受力、溫度、工件變形、表面粗糙度等。發(fā)動機的材料成本高,需要盡可能節(jié)約材料,通過仿真技術來預測驗證則可以降低成本。
第四,基于監(jiān)控的過程管理技術,這也是智能制造在航空發(fā)動機加工領域的應用。在機床上設置一些相應的傳感器來感知溫度、力、振動、功率等狀態(tài)信息,對狀況信息分析處理,對整個過程狀態(tài),如刀具突然磨損或崩刃,振動、切屑纏繞或堵塞等進行識別和管理,避免意外故障,也可根據加工狀態(tài)適時調整加工過程參數,保持最佳加工條件。通過控制系統發(fā)送各種信息傳遞給管理者,讓管理者可以隨時全面掌握生產過程狀態(tài)。
第五,刀具管理。刀具是影響加工過程的重要因素之一,航空發(fā)動機零件普遍是小批量多品種,可能一臺機床、一把刀具加工不同的零件,這就格外需要對刀具信息進行管理,對刀具質量進行監(jiān)控,既要充分發(fā)揮每把刀具的性能,又要避免刀具的破壞對零件的損害。例如某把刀具的壽命只有60分鐘,需要累計該刀具加工不同零件不同工序的總加工時間,如果60分鐘之后還用這個刀具加工,輕則會影響加工產品的精度,重則會損毀零件。
“航空發(fā)動機及其零部件在研制過程中質量是必須把控的要素,在這一過程中要注意各種數據的積累,將這些數據通過信息化手段記錄下來,以便后續(xù)改進。”何寧分析道,由于航空發(fā)動機批量并不是很大,所以柔性化生產是未來發(fā)動機制造的趨勢,對新發(fā)動機的研制進行定制化生產。相信,隨著國家加大對航空發(fā)動機事業(yè)的投入,航空發(fā)動機制造工藝和技術必將會加速發(fā)展,促進我國航空發(fā)動機性能和水平的迅速提高。
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