■中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 （陜西 710077） 孫莉潔 劉 勇 劉 曦

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和先進(jìn)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，特種加工在現(xiàn)代制造業(yè)中的地位日趨重要，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件方面，特種加工明顯的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械切削加工的不足，在滿足產(chǎn)品功能、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命方面體現(xiàn)了極大的優(yōu)越性，成為了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件制造中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高壓且高轉(zhuǎn)速的極端惡劣條件下工作，同時(shí)要求質(zhì)量輕、油耗低、可靠性高且壽命長(zhǎng)等，可以說(shuō)是材料、冶金、機(jī)械和檢測(cè)等多學(xué)科綜合的高端產(chǎn)品，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件的精密件，如精密活門偶件、高精度齒輪、齒條、分油盤和噴油嘴等，有些關(guān)鍵部位采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝根本無(wú)法達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求，而特種加工技術(shù)很好的彌補(bǔ)了傳動(dòng)機(jī)械加工的不足，成為不可替代的技術(shù)，并且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件的功能

精密活門偶件、噴油嘴都是發(fā)動(dòng)機(jī)控制燃油流量的關(guān)鍵零件，精密活門偶件是通過(guò)活門與襯套的相對(duì)運(yùn)動(dòng)改變節(jié)流孔的開度面積以達(dá)到對(duì)燃油流量進(jìn)行控制的目的。噴油嘴是通過(guò)小孔來(lái)控制燃油流量及壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)下，為其提供流量充足且霧化狀態(tài)良好的燃油至燃燒室進(jìn)行充分燃燒，以保證良好的燃燒效率，進(jìn)而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供可靠、穩(wěn)定動(dòng)力。

高精度齒輪、齒條是發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)及控制油壓的關(guān)鍵零件，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，通過(guò)齒輪嚙合或齒條傳動(dòng)動(dòng)力，改變軸的運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)具有油壓控制的主從動(dòng)齒輪在互相嚙合的過(guò)程中，要與側(cè)板接觸，把吸油腔和壓油腔隔開，退出嚙合時(shí)形成吸油腔，進(jìn)入嚙合時(shí)完成吸油壓油過(guò)程，在不斷的嚙合過(guò)程中給發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的油壓。

分油盤是發(fā)動(dòng)機(jī)控制燃油壓力的關(guān)鍵件，主要用于柱塞式燃油泵的油泵體。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，分油盤與轉(zhuǎn)子端面接觸，帶動(dòng)油泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)牽連柱塞隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞移動(dòng)過(guò)程中，柱塞孔內(nèi)容積空間會(huì)發(fā)生變化（從小到大，從大到?。莘e空間增大過(guò)程中，必然會(huì)造成柱塞孔內(nèi)的抽吸作用，使燃油沿分油盤的低壓進(jìn)油窗流入，以填充柱塞孔內(nèi)增大的容積空間；反之，容積空間減小過(guò)程中，原吸入的燃油會(huì)沿分油盤的高壓出油窗壓出。即油泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，柱塞在斜盤的限制下，通過(guò)分油盤的作用，完成了一個(gè)將燃油從低壓區(qū)吸入并帶到高壓區(qū)壓出的完整工作過(guò)程。

2.特種加工技術(shù)的應(yīng)用

近十幾年來(lái)，我國(guó)航空制造業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量及壽命提出了更高的要求，這就需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟產(chǎn)品—燃油附件精密件進(jìn)行更深入的研究，突破傳統(tǒng)的機(jī)械制造觀念，通過(guò)特殊技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化制造工藝和表面改性，而電能、化學(xué)能及光能等能量單獨(dú)或多種能量組合的特種加工技術(shù)的出現(xiàn)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件的的深入研究指明了方向。

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件應(yīng)用的特種加工技術(shù)主要有：電火花加工技術(shù)、光整加工技術(shù)、電化學(xué)加工技術(shù)、激光技術(shù)、電子束技術(shù)、磨粒流技術(shù)和等離子技術(shù)等。同時(shí)，也從國(guó)外引進(jìn)了處于世界機(jī)床加工行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先的各類特種加工設(shè)備，主要有：數(shù)控電火花慢走絲設(shè)備、精密電火花設(shè)備、精密振動(dòng)光飾機(jī)、精密刷鍍?cè)O(shè)備、數(shù)控激光打孔機(jī)和微孔磨粒流設(shè)備等，特種加工設(shè)備的配置水平與發(fā)達(dá)國(guó)家基本持平。

（1）電火花加工在精密件加工中的應(yīng)用。電火花加工是通過(guò)工件與電極間的放電而可控地去除工件材料以及使材料變形、改變性能的一種特種加工工藝。是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件制造中應(yīng)用最廣泛的特種工藝之一，主要有電火花線切割加工、電火花成形加工等。

活門偶件的加工：精密活門偶件的型槽、型孔，一般采用電火花線切割加工、電火花成型加工的方法。如圖1所示，楔形的方槽采用電火花成形加工，使用楔形的成型電極，調(diào)整合適的放電間隙、脈沖間隔和峰值電流等參數(shù)，獲得質(zhì)量穩(wěn)定的型槽尺寸。V通槽則采用電火花線切割加工。在電火花加工技術(shù)中，電火花線切割的效率更高且不存在電極磨損的問題，所以電火花線切割技術(shù)較電火花成型技術(shù)應(yīng)用更廣泛，是電火花加工的首選。

齒輪的加工：特殊材料且模數(shù)較大的齒輪，在粗加工階段也可使用電火花線切割的方法。如圖2所示，該零件為粉末冶金材料，屬于高釩工具鋼，材料碳化物多、硬質(zhì)點(diǎn)多、含釩量高且材料耐磨，傳統(tǒng)工藝一般采用帶涂層的滾齒刀粗加工齒輪，滾齒刀磨損嚴(yán)重，一把刀具僅能加工2～3件零件，加工成本高，因此在粗加工階段可采用電火花線切割的方法割出齒形，精加工階段再磨齒，這樣，不僅保證了齒輪的最終精度要求，而且提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本。

圖1 活門偶件

圖2 齒輪

圖3 內(nèi)花鍵零件

圖4 插齒刀具

圖5 喇叭狀花鍵

以圖3所示的內(nèi)花鍵零件為例，內(nèi)花鍵距孔口距離80mm，內(nèi)花鍵前端的內(nèi)孔直徑8mm，使用傳統(tǒng)的插齒加工，插齒刀具如圖4所示，為了保證刀具能順利進(jìn)入內(nèi)孔，柄部直徑最大僅6mm且刀具長(zhǎng)度92mm，細(xì)而長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)使得刀具剛性差，在插齒切深方向進(jìn)刀過(guò)程中讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重，最終花鍵成喇叭狀，如圖5所示，導(dǎo)致在裝配過(guò)程中內(nèi)外花鍵無(wú)法安裝到位，無(wú)法保證產(chǎn)品質(zhì)量要求。采用電火花成型方法加工，使用成型電極，如圖6所示，調(diào)整合適的放電間隙并及時(shí)清除電極頭部的磨損部分，可以保證產(chǎn)品質(zhì)量要求。

齒條的加工：細(xì)長(zhǎng)帶齒條的活門桿在齒條加工時(shí)，受零件結(jié)構(gòu)裝夾限制，同時(shí)為防止零件變形，也可使用電火花線切割的方法割齒條，如圖7所示，該零件齒條已過(guò)軸的回轉(zhuǎn)中心，且零件細(xì)長(zhǎng)，長(zhǎng)徑比＞10，若采用銑齒條的方式加工，勢(shì)必會(huì)造成細(xì)長(zhǎng)桿扭轉(zhuǎn)變形，且去除余量較多，殘余應(yīng)力大，若采用電火花線切割方法加工，高溫使得放電附件的金屬瞬間熔化，零件本身不用承受過(guò)大的切削力，可以有效控制零件變形。

傳動(dòng)軸的加工：傳動(dòng)軸表面經(jīng)過(guò)滲層處理，硬度很高，其表面的小孔或槽可采用電火花成形加工。如圖8所示，該零件表面滲碳，硬度≥58HRC，滲碳前調(diào)質(zhì)硬度35～45HRC，若小孔在滲碳前鉆削加工，滲碳時(shí)為防止零件彎曲變形，采用垂直吊掛的方式裝爐，零件在高溫下，長(zhǎng)度方向尺寸會(huì)發(fā)生變化，無(wú)法保證小孔中心距端面的尺寸101±0.15mm，因此將小孔安排在滲碳后加工，但因孔尺寸僅為φ2mm且硬度高，無(wú)法鉆削加工，這時(shí)就采用電火花成形加工的方法，使用圓柱電極加工小孔，可以可靠的保證小孔距端面的尺寸要求。

（2）光整加工在精密件加工中的應(yīng)用。隨著對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的提升，要從成形制造轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嫱暾灾圃?，并逐步提升到抗疲勞制造，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件的表面質(zhì)量提升是未來(lái)的制造趨勢(shì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件常見的失效形式有彎曲疲勞、磨損和斷裂等，這些失效形式影響著燃油流量控制的精度，直徑影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

光整加工是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件中應(yīng)用比較廣泛的一種表面改性的方法，通過(guò)磨料和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在工件和磨料間產(chǎn)生一定的擠壓力和強(qiáng)制流動(dòng)力，在振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)力的作用下，使工件表面產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，改善表面微觀幾何形狀，達(dá)到去除微觀毛刺、均勻銳邊倒圓、減小表面粗糙度值和改善殘余應(yīng)力的效果，大大提高了耐磨性，降低了斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)。

齒輪是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件中關(guān)鍵的傳動(dòng)部件，其表面質(zhì)量直接影響著油壓準(zhǔn)確性及零件壽命，以圖9所示的一對(duì)齒輪為例，進(jìn)行光整加工試驗(yàn)，分別從表面壓應(yīng)力、表面粗糙度和表面紋理進(jìn)行試驗(yàn)。

光整加工過(guò)程中，在撞擊力、擠壓力的作用下工件表層的金屬發(fā)生塑變，使機(jī)械加工產(chǎn)生的表面殘余拉應(yīng)力被消除，獲得較大的壓應(yīng)力，改變了表面應(yīng)力的狀態(tài)，提高了零件的抗疲勞性能，改善情況如圖10所示。

光整加工過(guò)程中，磨粒在工件表面進(jìn)行微量磨削和擠壓，使表面上的微觀毛刺、銳邊和微觀高峰被磨削、壓平，表面的微觀幾何形狀被改變，達(dá)到較徹底的去除毛刺、均勻的銳邊倒圓效果，同時(shí)細(xì)化了表面加工紋理，改善了表面質(zhì)量，降低零件配合表面的咬合傾向，提高了耐磨性。圖11是光整前后表面粗糙度對(duì)比圖，可以看出光整后表面粗糙度有明顯改善，可提高一個(gè)等級(jí)。圖12是電子顯微鏡（放大200倍）下試件表面光整前后的加工紋理，可以看出光整前表面紋理連續(xù)方向性明顯，光整后表面加工紋理不連續(xù)且方向性淡化。

圖6 成型電極

圖7 齒條

圖8 傳動(dòng)軸

圖9 齒輪

當(dāng)精磨活門偶件的尖邊位于槽邊且槽寬較窄時(shí)，磨粒對(duì)光潔銳邊的作用有限，光整加工對(duì)于光潔銳邊的影響是微量的。但當(dāng)尖邊位于零件外圓端面時(shí)，大量磨粒對(duì)尖邊進(jìn)行滾磨、劃擦，光整加工會(huì)使尖邊R值增大，光整的時(shí)間越長(zhǎng)，R越大。

（3）電化學(xué)加工在精密件加工中的應(yīng)用。電化學(xué)加工是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)去除工件材料或在其表面鍍金屬材料等的特種加工，幾乎應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件的各類精密件，常見的有鍍鎘、鍍鋅、鈍化、陽(yáng)極化、電化學(xué)拋光和表面涂覆等。

活門偶件的應(yīng)用：精密活門偶件一般不具有螺紋特征，在工作中不承受沖擊載荷，但要求具有良好的耐磨性、耐熱性和耐蝕性，鋁制活門偶件多進(jìn)行陽(yáng)極化處理，鋼制活門襯套多進(jìn)行化學(xué)鈍化或鍍鎘、鍍鋅鈍化處理。

齒輪的應(yīng)用：高精度齒輪在工作過(guò)程中，要承受較大的沖擊載荷，同時(shí)齒輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件的關(guān)鍵件，其抗疲勞、耐磨損等特性直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，因此，一般齒輪均要求滲碳（氮）或碳氮共滲，以提高齒輪的表面硬度、耐磨性，同時(shí)又要確保心部硬度較低，保證良好的韌性及抗疲勞、抗沖擊能力，在工藝安排方面，滲碳（氮）、碳氮共滲之前，對(duì)無(wú)需滲層的表面，利用銅層的防滲特性，進(jìn)行鍍銅保護(hù)。

分油盤的應(yīng)用：分油盤在工作過(guò)程中要經(jīng)受高頻次的摩擦，因此其工作面質(zhì)量及表面粗糙度要求極高，傳統(tǒng)的機(jī)械拋光及其他精加工技術(shù)只是宏觀的處理，微觀上均存在不同程度的不足，而電化學(xué)拋光很好的彌補(bǔ)了這些不足，體現(xiàn)了高效率、表面無(wú)加工硬化層和耐蝕等一系列優(yōu)勢(shì)。電化學(xué)拋光是在一定的條件下溶解零件表面，使表面不平處變的平滑，在溶解最少且最均勻的條件下，盡可能得到光滑的表面，大大改善了表面的性能，降低了表面的摩擦系數(shù)，延長(zhǎng)了磨損時(shí)間，微觀上表面生成的致密鈍化膜可以有效抑制表面的結(jié)晶腐蝕，顯著提高了表面的耐蝕性，同時(shí)可提高零件的導(dǎo)磁率，降低磁滯損失，有效防止分油盤在工作過(guò)程中磁力粘連?；瘜W(xué)鈍化適用于海洋氣候，是艦載機(jī)配裝發(fā)動(dòng)機(jī)的首選。

圖10 齒輪光整加工前后壓應(yīng)力分布狀態(tài)

圖11 光整加工前后對(duì)比

圖12 加工紋理

（4）激光技術(shù)在精密件加工中的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光技術(shù)已被逐漸應(yīng)用到汽車、航空等領(lǐng)域。激光具有很多優(yōu)點(diǎn)，如單色光、高度聚焦及高能量密度，可產(chǎn)生高溫，在精密微孔、微型槽加工中，優(yōu)勢(shì)明顯，其高能量可以使金屬瞬間汽化，能有效防止加工應(yīng)力及變形，但因激光的優(yōu)質(zhì)能量區(qū)域僅能達(dá)到0.2mm，所以當(dāng)孔深度＞0.2mm時(shí)，單純使用激光技術(shù)是不夠的，還需輔助其他工藝方法，常見的是激光技術(shù)與電火花技術(shù)結(jié)合。

噴油嘴的應(yīng)用：噴油嘴結(jié)構(gòu)小巧，油路孔、型槽尺寸小，最小達(dá)到0.3mm，精度要求高，一般為IT5～I(xiàn)T7，微孔、微型槽加工使用傳統(tǒng)的鉆、鉸及銑的工藝方法容易折斷刀具，產(chǎn)生加工變形，尺寸一致性差，無(wú)法滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，使用激光技術(shù)或激光技術(shù)與電火花技術(shù)的結(jié)合可以較好改善傳統(tǒng)工藝的弊端。

圖13所示零件，月牙槽寬度為0.3mm，可先使用激光穿孔，加工直徑≤0.15mm的小孔，再使用線切割的方法割出月牙槽，保證產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖13 零件示意

產(chǎn)品標(biāo)印的應(yīng)用：產(chǎn)品標(biāo)印是追溯零件的唯一標(biāo)識(shí)，像身份證一樣，傳統(tǒng)的標(biāo)印方法是鋼印或電刻筆，如圖14所示，標(biāo)印內(nèi)容單一，標(biāo)印字跡不規(guī)范，容易出錯(cuò)，辨識(shí)度不高。激光技術(shù)的出現(xiàn)使二維碼作為產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)成為了現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息全面化、復(fù)合化和準(zhǔn)確化，如圖15所示。

圖14 鋼印及電刻筆印

圖15 激光標(biāo)印二維碼

3.特種加工存在的技術(shù)難點(diǎn)及研究趨勢(shì)

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家將特種加工列為關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，我國(guó)航空制造業(yè)雖然也取得了一些成就，但研究及認(rèn)識(shí)的深度遠(yuǎn)不及世界領(lǐng)先水平，面對(duì)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求，我們的技術(shù)明顯不足，在常用的特種加工方面，技術(shù)難點(diǎn)長(zhǎng)期無(wú)法解決，這也將是我們未來(lái)需要攻克的難題，具體表現(xiàn)如下所述。

（1）電火花加工后表面會(huì)產(chǎn)生重熔層，目前只能通過(guò)調(diào)整切削余量、調(diào)整放電間隙、脈沖間隔和峰值電流等，盡可能減小重熔層的厚度，但無(wú)法消除。但因重熔層硬度高、脆性大，密布微裂紋，必然會(huì)影響到產(chǎn)品的使用壽命，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)重熔層的去除方法均沒有展開相應(yīng)的研究。為了保證產(chǎn)品壽命可靠、穩(wěn)定，未來(lái)必將對(duì)重熔層的去除方法、去除后的表面質(zhì)量及其相應(yīng)的檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行研究。

（2）光整加工后的表面質(zhì)量主要與磨粒材料、粒度、時(shí)間及零件材料有關(guān)，對(duì)于精密活門偶件、噴油嘴等表面具有型槽、微孔和尖邊等特征的零件，光整加工的技術(shù)應(yīng)用尚不成熟。但活門偶件、噴油嘴均是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其表面質(zhì)量對(duì)燃油流量的精確控制及穩(wěn)定性影響較大，未來(lái)必將對(duì)具有特殊結(jié)構(gòu)的活門偶件、噴油嘴進(jìn)行深入的光整加工技術(shù)研究。

（3）電化學(xué)加工后變形大、表面結(jié)合力差和特殊材料滲鍍技術(shù)缺乏是目前存在的幾個(gè)主要問題。草酸陽(yáng)極化影響機(jī)體尺寸、鈦合金滲碳技術(shù)、純鋁陽(yáng)極化技術(shù)和高精度軸承表面涂覆后變形大，均是目前的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)電化學(xué)加工技術(shù)的深入及專業(yè)化研究，可以提高表面硬度、脆性等的均勻性，對(duì)產(chǎn)品工作過(guò)程中的磨損進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，從而精確控制產(chǎn)品壽命。

（4）激光技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件的目前應(yīng)用相對(duì)比較少，主要是因?yàn)榧す饧夹g(shù)對(duì)孔、槽的直徑及深度均有限制，同時(shí)激光技術(shù)具有不需要工裝、加工速度快、表面變形小和可加工各類材料的優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件的精密件的新材料加工方面有較好的應(yīng)用前景。

4.結(jié)語(yǔ)

特種加工在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件的應(yīng)用越來(lái)越廣，但目前對(duì)特種加工的認(rèn)識(shí)還不夠深入，同時(shí)對(duì)特種加工的利用與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在差距，但特種加工技術(shù)的進(jìn)步必將極大地帶動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件精密件的制造技術(shù)進(jìn)步，只有不斷深入研究、攻克各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，才能使我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域迎來(lái)突破性的進(jìn)步。