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 張定華 黃新春

長(zhǎng)壽命、高可靠性是航空航天產(chǎn)品的基本要求,長(zhǎng)壽命、高可靠性制造是我國(guó)航空航天制造業(yè)急需突破的關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空事故中疲勞失效占80%以上[1]，造成疲勞失效的主要原因是制造表面缺陷和質(zhì)量一致性差。長(zhǎng)壽命、高可靠性制造以使用性能為判據(jù)，以設(shè)計(jì)、材料、工藝三位一體緊密耦合、綜合優(yōu)化為特征的制造新方法，對(duì)于解決我國(guó)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件壽命短和可靠性差的問(wèn)題具有重要意義。

傳統(tǒng)的制造加工技術(shù)雖可獲得好的構(gòu)件精度及表面粗糙度，但實(shí)際生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在著易出現(xiàn)切削裂紋、燒傷、表面高拉應(yīng)力狀態(tài)等嚴(yán)重破壞構(gòu)件表面完整性、降低構(gòu)件疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命的突出問(wèn)題，造成構(gòu)件缺乏高可靠性[2]。近年來(lái)，在研發(fā)新一代航空結(jié)構(gòu)和功能材料時(shí)已經(jīng)采用少余量和近無(wú)余量的制備技術(shù)，以使在結(jié)構(gòu)零件的制造過(guò)程中，能將必需的機(jī)械加工作業(yè)量控制到最小。但是，就大多數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)件而言，它們所需的尺寸形狀精度、表面粗糙度和表面完整性的要求最終必需經(jīng)由機(jī)械加工提供保證[3-4]。

因此，在廣泛的加工領(lǐng)域，尤其是上述航空難加工材料復(fù)雜構(gòu)件的制造領(lǐng)域，高可靠性制造技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件加工過(guò)程中重要的技術(shù)保障，其先進(jìn)性對(duì)相應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展及產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)起著舉足輕重的作用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件制造中存在的問(wèn)題

先進(jìn)制造技術(shù)是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越依賴于材料和工藝的進(jìn)步。同時(shí)，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求和發(fā)展又促使制造技術(shù)邁向更高的水平。我們必須開(kāi)展高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)研究，在消化吸收國(guó)際先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的實(shí)際需要，開(kāi)展自主工藝創(chuàng)新，以科學(xué)的工藝管理理念為指導(dǎo)，以先進(jìn)的工藝裝備為支撐，不斷提高我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝技術(shù)水平，逐步形成自身特色，既滿足行業(yè)需求，又能帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[5-6]。

我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝領(lǐng)域與國(guó)外差距在20年以上，其存在的問(wèn)題主要包括：

（1）“三新”問(wèn)題：航空發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，其相關(guān)的許多制造工藝技術(shù)尚處于初始研究階段，制約行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品質(zhì)量提升。

（2）“品質(zhì)”問(wèn)題：發(fā)動(dòng)機(jī)研制和生產(chǎn)中的部分關(guān)鍵工藝仍不成熟、工藝過(guò)程波動(dòng)大，導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件合格率低、可靠性差，性能不達(dá)標(biāo)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)難以預(yù)測(cè)。

（3）“集成”問(wèn)題：工藝基礎(chǔ)研究力量薄弱，缺少先進(jìn)研究平臺(tái)支撐，生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量管控手段落后，手工工序/人工干預(yù)環(huán)節(jié)多，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)自動(dòng)化程度和設(shè)備利用率低。

以上問(wèn)題正是“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略國(guó)策下建設(shè)智能制造領(lǐng)域的3大研究方向：先進(jìn)基礎(chǔ)工藝、高品質(zhì)制造技術(shù)和過(guò)程智能化集成。為此，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)必須由面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的制造轉(zhuǎn)向面向產(chǎn)品性能的高品質(zhì)制造，實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程關(guān)鍵因素可監(jiān)測(cè)、可控制、可優(yōu)化，減少對(duì)人的經(jīng)驗(yàn)的依賴，實(shí)現(xiàn)知識(shí)顯性化、自學(xué)習(xí)和自進(jìn)化；同時(shí)由工藝流水來(lái)配置裝備，發(fā)展智能裝備柔性匹配產(chǎn)品，通過(guò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)組建智能化裝備集群，逐步推進(jìn)自適應(yīng)加工，人和機(jī)器的融合；實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)實(shí)施和集成的傳統(tǒng)信息化到信息物理融合的一體化軟硬集成體系。

可靠性制造技術(shù)

可靠性的定義從廣義上指：“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi), 完成規(guī)定功能的能力?！睂?duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言, 其可靠性是指：在規(guī)定的飛行包線、環(huán)境和使用條件下，在規(guī)定的壽命期內(nèi)，無(wú)故障工作的能力[7]。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程，其可靠性制造技術(shù)是指：采用先進(jìn)的工藝過(guò)程控制方法，提高制造工藝過(guò)程質(zhì)量特征的穩(wěn)定性和一致性，從而保障構(gòu)件的疲勞壽命和可靠性。

1 可靠性制造技術(shù)內(nèi)涵

可靠性制造技術(shù)的內(nèi)涵就是要獲得穩(wěn)定的表面完整性，表面完整性決定了高強(qiáng)度合金構(gòu)件的疲勞性能。為了保證構(gòu)件表面完整性，必須開(kāi)展相關(guān)的表面完整性制造技術(shù)體系的研究。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于表面完整性的研究已經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段，如圖1所示，表面完整性是指以疲勞性能為判據(jù)，通過(guò)控制工藝方法形成的無(wú)損傷或強(qiáng)化的表面狀態(tài)和表層特性，是制造過(guò)程中構(gòu)件加工后表面幾何特征和物理性質(zhì)及表層特性對(duì)構(gòu)件服役性能影響的總描述和控制。其內(nèi)涵在于：

（1）充分肯定了疲勞性能在表面完整性內(nèi)涵中的重要性，并以此為判據(jù)，通過(guò)控制機(jī)械加工工藝方法，實(shí)現(xiàn)表面完整性切削加工。

（2）體現(xiàn)了構(gòu)件表面狀態(tài)和表面變質(zhì)層特征與疲勞性能的一種內(nèi)在的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（3）體現(xiàn)了表面完整性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即當(dāng)疲勞性能滿足一定條件時(shí)的表面狀態(tài)和表層特性。

2 可靠性制造技術(shù)意義

表面完整性制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件質(zhì)量可靠性的保障，是一項(xiàng)先進(jìn)制造領(lǐng)域的全新技術(shù)，它是以實(shí)現(xiàn)表面粗糙度、組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布狀態(tài)等表面完整性關(guān)鍵參量的自主控制為核心技術(shù)思想，將表面完整性優(yōu)化在能夠使構(gòu)件獲取最佳疲勞性能及高可靠性的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高加工效率和產(chǎn)品可靠性的有效結(jié)合，關(guān)鍵技術(shù)的突破，將表現(xiàn)出以下優(yōu)勢(shì)：

（1）技術(shù)思想具有超前性，徹底改變現(xiàn)有加工工藝對(duì)產(chǎn)品表面完整性的被動(dòng)適應(yīng)狀態(tài)，可在抗疲勞加工原理、工具技術(shù)、加工冷卻技術(shù)、表面完整性控制技術(shù)方面產(chǎn)生多項(xiàng)原創(chuàng)性成果。

（2）有效改變新型超高強(qiáng)度鋼、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料為代表的，對(duì)表面完整性具有更高敏感性的超高比強(qiáng)度、比剛度和使用溫度的新型材料構(gòu)件無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效加工的尷尬局面，降低這些材料制品制造難度，提高構(gòu)件疲勞壽命和產(chǎn)品可靠性，使加工效率與加工成本與現(xiàn)役產(chǎn)品相當(dāng)。

圖1 表面完整性概念的發(fā)展

可靠性制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

1 高強(qiáng)度合金應(yīng)力集中敏感規(guī)律

高強(qiáng)度合金的突出弱點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中敏感，如圖2所示，為常見(jiàn)的幾種高強(qiáng)度合金隨著應(yīng)力集中系數(shù)Kt的增大其疲勞強(qiáng)度σf減小，當(dāng)Kt=3時(shí)已下降了固有疲勞強(qiáng)度的50%；當(dāng)Kt=5時(shí)已下降了固有疲勞強(qiáng)度的70%。

構(gòu)件在制造過(guò)程中，其綜合應(yīng)力集中系數(shù)Kt包括結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)力集中系數(shù)Kt0和制造過(guò)程影響的應(yīng)力集中系數(shù)ΔKt0，高強(qiáng)材料構(gòu)件疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中高度敏感，如圖3所示，制造過(guò)程影響的應(yīng)力集中系數(shù)ΔKt包括制造壁厚偏差應(yīng)力集中系數(shù)Kth、加工表面形貌應(yīng)力集中系數(shù)Kts、變質(zhì)層非均勻應(yīng)力集中系數(shù)Ktu。

圖2 高強(qiáng)度合金應(yīng)力集中敏感

圖3 高強(qiáng)度合金應(yīng)力集中敏感規(guī)律

材料的應(yīng)力集中敏感性可以用式（1）來(lái)表達(dá)，其中結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)力集中系數(shù)Kt0是有構(gòu)件結(jié)構(gòu)決定的，為了滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端環(huán)境下提高構(gòu)件比性能的要求，其關(guān)鍵構(gòu)件均采用高強(qiáng)合金材料和輕體構(gòu)型設(shè)計(jì)，其疲勞強(qiáng)度σf對(duì)應(yīng)力集中的敏感性更強(qiáng)。式中，m為材料應(yīng)力集中敏感指數(shù)，航空構(gòu)件采用的高強(qiáng)度合金的輕量化機(jī)構(gòu)造成Kt0較高，其負(fù)荷高也增加了對(duì)應(yīng)力集中敏感。

而對(duì)于高強(qiáng)合金材料來(lái)說(shuō)，其制造過(guò)程綜合影響的應(yīng)力集中系數(shù)ΔKt可以用式（2）表示，其中制造壁厚偏差應(yīng)力集中系數(shù)Kth是由加工過(guò)程中產(chǎn)生的構(gòu)件表面形狀尺寸與設(shè)計(jì)形狀尺寸之間的偏差造成的構(gòu)件應(yīng)力集中的附加影響，加工表面形貌應(yīng)力集中系數(shù)Kts是由加工造成的構(gòu)件加工表面形貌特征中的各個(gè)參量對(duì)構(gòu)件在服役過(guò)程中表面應(yīng)力集中的綜合效應(yīng)，變質(zhì)層非均勻應(yīng)力集中系數(shù)Ktu為用于表征加工表面變質(zhì)層特征對(duì)疲勞性能綜合影響的表征參量，是表面變質(zhì)層表面完整性特征的非均勻性分布在構(gòu)件服役環(huán)境中在構(gòu)件表面層形成的應(yīng)力突變的現(xiàn)象。

2 表面完整性制造工藝參數(shù)控制域

表面完整性切削工藝參數(shù)控制域是指以疲勞壽命為判據(jù)，在研究切削工藝參數(shù)對(duì)表面完整性特征的影響關(guān)系以及表面完整性特征對(duì)疲勞壽命的影響關(guān)系的基礎(chǔ)上，獲得保證一定疲勞壽命條件下的完整性切削表面對(duì)應(yīng)的切削工藝參數(shù)變化方向及范圍。

切削表面完整性特征的直接來(lái)源時(shí)切削力和熱，要控制表面完整性就需要控制力和熱，而力和熱的大小由切削加工過(guò)程中的制造因子決定，由此可知，要控制表面完整性，其最終可控制的目標(biāo)仍為切削過(guò)程中的制造因子。如何通過(guò)控制切削過(guò)程中的制造因子，從而來(lái)控制切削表面完整性，表面完整性切削工藝參數(shù)控制域的生成過(guò)程如圖4所示。

圖4 表面完整性工藝參數(shù)控制域的生成過(guò)程

（1）首先在切削過(guò)程制造因子的初始工藝域內(nèi)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)切削力F和溫度T、切削表面粗糙度Ra的評(píng)價(jià)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行初選獲得初選工藝參數(shù)域。

（2）在初選參數(shù)域內(nèi)進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)切削表面完整性特征（表面粗糙度Ra、表面顯微硬度HV、表面殘余應(yīng)力σ、燒傷BN）的評(píng)價(jià)和分析獲得制造因子和表面狀態(tài)的關(guān)系。

（3）在初選工藝參數(shù)域內(nèi)加工疲勞試樣，進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，獲得表面狀態(tài)與疲勞壽命的關(guān)系，進(jìn)一步獲得疲勞壽命與制造因子的關(guān)系。

（4）依據(jù)疲勞壽命與表面狀態(tài)和制造因子的關(guān)系，通過(guò)對(duì)疲勞壽命的判定，確定表面完整性特征（表面粗糙度Ra、表面顯微硬度HV、表面殘余應(yīng)力σ、燒傷BN等）的變化方向，從而確定表面完整性工藝參數(shù)域及其變化方向；最終獲得滿足一定疲勞壽命的切削工藝參數(shù)范圍。

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展可靠性的相關(guān)研究主要是面向試樣針對(duì)表面完整性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集開(kāi)展的，對(duì)切削參數(shù)域進(jìn)行選擇，當(dāng)針對(duì)構(gòu)件時(shí)必須面向擴(kuò)展數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)面向構(gòu)件加工過(guò)程的時(shí)變性開(kāi)展表面完整性控制。針對(duì)工藝過(guò)程工況的波動(dòng)和工藝系統(tǒng)的演化開(kāi)展自適應(yīng)控制與工藝模型智能化研究。

3 可靠性制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵和重要結(jié)構(gòu)件等均對(duì)結(jié)構(gòu)減重、增效、可靠性和耐高溫性能提出了更高要求，這就需要解決高效率、高精度、高品質(zhì)和高穩(wěn)定性的制造難題，從而滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端環(huán)境下提高構(gòu)件比性能的要求。

首先，需要發(fā)展先進(jìn)的切削工藝與工具，包括工藝過(guò)程控制、工藝優(yōu)化方法、先進(jìn)刀具、夾具等，實(shí)現(xiàn)高性能和高效率切削；需要研究精密加工工藝與裝備，包括優(yōu)選工藝參數(shù)控制域和對(duì)應(yīng)的高精密加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高精度和精量化制造。

其次，需要發(fā)展工藝過(guò)程自適應(yīng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化的高穩(wěn)定性制造。

最后，需要嚴(yán)格控制構(gòu)件表面完整性，實(shí)現(xiàn)抗疲勞的高品質(zhì)制造。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件材料-結(jié)構(gòu)-工藝一體化發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)控制切削熱力耦合發(fā)展高效工藝技術(shù)，控制形位偏差發(fā)展精確控形制造技術(shù)，控制附加應(yīng)力集中發(fā)展精確控性技術(shù)，構(gòu)筑抗疲勞變質(zhì)層發(fā)展強(qiáng)化改性技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)綠色低成本、形位精確性、表面完整性、質(zhì)量一致性和精度保持性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、低成本、高可靠性的制造。

結(jié) 論

通過(guò)對(duì)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件制造過(guò)程中的“三新”、“品質(zhì)”和“集成”問(wèn)題的分析，揭示了可靠性制造技術(shù)的內(nèi)涵和意義，提出進(jìn)一步其實(shí)現(xiàn)方法，具體包括以下幾點(diǎn)：

（1）表面完整性制造技術(shù)是以實(shí)現(xiàn)表面完整性關(guān)鍵參量的自主控制為核心技術(shù)思想，表面完整性的優(yōu)化是為構(gòu)件獲取最佳疲勞性能及高可靠性的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性制造。

（2）控制表面完整性的可以實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件應(yīng)力集中系數(shù)的有效控制，研究表面完整性機(jī)械加工的目的正是通過(guò)控制加工工藝，從而控制構(gòu)件制造過(guò)程影響的應(yīng)力集中系數(shù)。

（3）為了實(shí)現(xiàn)可靠性制造技術(shù)，必須針對(duì)構(gòu)件制造過(guò)程中的每個(gè)因素，不僅要控制切削過(guò)程中的機(jī)床、刀具、工藝參數(shù)和工藝方法以及切削熱力耦合、形位偏差、附加應(yīng)力集中。從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、低成本、高可靠性的制造。

[1] 趙振業(yè). 高強(qiáng)度合金應(yīng)用與抗疲勞制造技術(shù). 航空制造技術(shù),2007(10)：30-33.

[2] 黃新春,張定華, 姚倡鋒,等. 高效抗疲勞磨削加工技術(shù)研究. 航空精密制造技術(shù). 2011.47 (3)：1-7.

[3] Guo C , Shi Z , Attia H , et al. Power and wheel wear for grinding nickel alloy with plated cbnwheels . CIRP Annals -Manufacturing Technology ,2007 ,56 (1) ：343-346.

[4] 任敬心, 孟慶國(guó), 陳景蕙. 高溫合金的磨削溫度與殘余應(yīng)力. 航空工藝技術(shù),1995,(1)：3-7.

[5] 趙振業(yè). 高強(qiáng)度合金抗疲勞應(yīng)用技術(shù)研究與發(fā)展. 中國(guó)工程科學(xué)，2005,7(3)：90-94.

[6] 王增強(qiáng). 高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì).航空制造技術(shù), 2007,1：52-55.

[7] Chen M ,Li X T ,Sun F ,et al . Studies on the grinding Characteristics of Directionally so-lidified nickel based super alloy. Journal of Material Processing Technology, 2001,116 (2/ 3) ：165-169.