近些年來，中國加大了航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)力度，努力追趕國際頂尖水平，在諸多關(guān)鍵技術(shù)上有了顯著進(jìn)步。“我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)將進(jìn)入快速發(fā)展階段，制造技術(shù)也將有大的突破和提升，這是從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造科技人員最好的歷史機(jī)遇期，同時(shí)也將面對(duì)巨大的挑戰(zhàn)。”南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院何寧教授如是說。
與世界先進(jìn)水平差距明顯
目前，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)、制造、材料到實(shí)驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)都有很多空白需要填補(bǔ)，難度比較大。“樣機(jī)的制造并不是不可克服的困難，關(guān)鍵問題在于質(zhì)量和精度的差距，同時(shí)還有效率和成本問題。”何寧一語道出了我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的現(xiàn)狀，他認(rèn)為當(dāng)下我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造與世界先進(jìn)水平的差距主要體現(xiàn)在以下五點(diǎn)：
一是加工機(jī)理相對(duì)缺乏。沒有理論指導(dǎo)，摸索做產(chǎn)品，問題不斷出現(xiàn)，不知其然，或是知其然而不知其所以然。
二是技術(shù)創(chuàng)新不夠。我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)過去投入少，自主設(shè)計(jì)和制造零件歷史比較短，憑經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)零件，跟蹤技術(shù)多，創(chuàng)新積累有限。
三是質(zhì)量意識(shí)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(zhì)量意識(shí)，對(duì)工藝與質(zhì)量的關(guān)系認(rèn)識(shí)也不到位。工藝人員、工匠的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的傳承有限，信息化和智能化最重要的的任務(wù)是工藝知識(shí)、數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累、傳承、應(yīng)用以及提高。
四是人才力量缺乏。目前重點(diǎn)大學(xué)更多強(qiáng)調(diào)的是通識(shí)教育，即使是航空院校，專門針對(duì)航空工藝的教學(xué)大量縮減，大學(xué)生航空企業(yè)的實(shí)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(shù)研究相對(duì)薄弱。目前國內(nèi)夾具的研究不多，這也是制約工藝發(fā)展的一個(gè)短板。
要想縮短這些差距，何寧認(rèn)為國家在加強(qiáng)重點(diǎn)工程建設(shè)中，也要在基礎(chǔ)研究上加大投入。如何促進(jìn)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展？“大學(xué)的主要任務(wù)是結(jié)合國家重大需求，加強(qiáng)校企合作，培養(yǎng)適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域高素質(zhì)人才；積極參與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。同時(shí)，企業(yè)加大技術(shù)創(chuàng)新和聯(lián)合研發(fā)，推動(dòng)整體工藝系統(tǒng)水平的不斷提升。”何寧說道。
難度顯著的技術(shù)高門檻產(chǎn)業(yè)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)門檻之高，眾所周知。對(duì)于設(shè)備的加工能力和企業(yè)的工藝水平是非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。“航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhì)量，對(duì)加工件表面粗糙度、殘應(yīng)力把控更精準(zhǔn)。”何寧強(qiáng)調(diào)。
何寧指出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：一是難加工材料多，除了傳統(tǒng)的高溫合金、鈦合金等材料，大量新型先進(jìn)材料如金屬基和陶瓷基復(fù)合材料、金屬間化合物、單晶葉片等已得到普遍應(yīng)用，還有表面涂層，對(duì)加工性能要求高；二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體結(jié)構(gòu)多、曲面大、空間小、壁?。蝗羌庸さ某叽?、形狀、精度要求高，制約了加工效率的提高；四是航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求長壽命、高可靠的性能，這就對(duì)表面加工質(zhì)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(yán)重的飛行事故。
由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及越來越高的質(zhì)量要求，加工變形問題已成為一個(gè)嚴(yán)重的制造瓶頸。加工變形產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生變形；二是加工過程中會(huì)有切削力，切削力對(duì)一些薄壁的弱剛性零件容易產(chǎn)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(dá)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(nèi)應(yīng)力的再平衡，所有的材料內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，本身不對(duì)稱，厚度尺寸存在變化，在加工過程中材料余量被切除掉，內(nèi)應(yīng)力會(huì)重新分布再平衡，導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形。
關(guān)于零件毛坯內(nèi)部的應(yīng)力測(cè)試評(píng)估，何寧及他的團(tuán)隊(duì)積累了多年的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件內(nèi)應(yīng)力測(cè)試有著豐富的技術(shù)儲(chǔ)備，在許多航空制造企業(yè)得以應(yīng)用和推廣。“原始毛坯內(nèi)應(yīng)力分布不均勻，加工時(shí)就會(huì)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(xì)解釋道，這樣的零件在機(jī)床加工完成之后的在線測(cè)量是合格的，但是零件解除夾緊從機(jī)床上取下之后就會(huì)產(chǎn)生變形，且每一件零件的變形都不一樣。“這是一個(gè)很大的技術(shù)難點(diǎn)，也是影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要因素之一。”
關(guān)乎制造提升的五點(diǎn)建議
針對(duì)上述制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展因素，在通過產(chǎn)學(xué)研合作，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和制造技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，何寧給出了以下五方面建議：
第一，工藝互補(bǔ)，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(huì)影響加工質(zhì)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(jié)合高速加工等機(jī)械加工工藝，即根據(jù)材料和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇合適的工藝組合。
第二，加強(qiáng)工藝數(shù)據(jù)和知識(shí)的研究、試驗(yàn)、優(yōu)化和積累，再利用加工數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)行加工系統(tǒng)的整體優(yōu)化。
第三，基于仿真的工藝開發(fā)優(yōu)化。在實(shí)施工藝之前，運(yùn)用仿真技術(shù)預(yù)測(cè)實(shí)施結(jié)果?；谖锢硪蛩氐姆抡婕夹g(shù)，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(dòng)機(jī)的材料成本高，需要盡可能節(jié)約材料，通過仿真技術(shù)來預(yù)測(cè)驗(yàn)證則可以降低成本。
第四，基于監(jiān)控的過程管理技術(shù)，這也是智能制造在航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工領(lǐng)域的應(yīng)用。在機(jī)床上設(shè)置一些相應(yīng)的傳感器來感知溫度、力、振動(dòng)、功率等狀態(tài)信息，對(duì)狀況信息分析處理，對(duì)整個(gè)過程狀態(tài)，如刀具突然磨損或崩刃，振動(dòng)、切屑纏繞或堵塞等進(jìn)行識(shí)別和管理，避免意外故障，也可根據(jù)加工狀態(tài)適時(shí)調(diào)整加工過程參數(shù)，保持最佳加工條件。通過控制系統(tǒng)發(fā)送各種信息傳遞給管理者，讓管理者可以隨時(shí)全面掌握生產(chǎn)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(dòng)機(jī)零件普遍是小批量多品種，可能一臺(tái)機(jī)床、一把刀具加工不同的零件，這就格外需要對(duì)刀具信息進(jìn)行管理，對(duì)刀具質(zhì)量進(jìn)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(duì)零件的損害。例如某把刀具的壽命只有60分鐘，需要累計(jì)該刀具加工不同零件不同工序的總加工時(shí)間，如果60分鐘之后還用這個(gè)刀具加工，輕則會(huì)影響加工產(chǎn)品的精度，重則會(huì)損毀零件。
“航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件在研制過程中質(zhì)量是必須把控的要素，在這一過程中要注意各種數(shù)據(jù)的積累，將這些數(shù)據(jù)通過信息化手段記錄下來，以便后續(xù)改進(jìn)。”何寧分析道，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)批量并不是很大，所以柔性化生產(chǎn)是未來發(fā)動(dòng)機(jī)制造的趨勢(shì)，對(duì)新發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)行定制化生產(chǎn)。相信，隨著國家加大對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)的投入，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝和技術(shù)必將會(huì)加速發(fā)展，促進(jìn)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能和水平的迅速提高。
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