《航空发动机关键构件制造可靠性技术研究》
西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 张定华 黄新春
在广泛的加工领域，尤其是上述航空难加工材料复 杂构件的制造领域，高可靠性制造技术是航空发动机关 键构件加工过程中的重要的技术保障，其先进性对相应 工业领域的发展及产品的竞争优势起着举足轻重的作用。
长寿命、高可靠性是航空航天产 品的基本要求 , 长寿命、高可靠性制 造是我国航空航天制造业急需突破 的关键技术。据统计，航空事故中疲 劳失效占 80% 以上 [1]，造成疲劳失 效的主要原因是制造表面缺陷和质量一致性差。长寿命、高可靠性制造以使用性能为判据，以设计、材料、 工艺三位一体紧密耦合、综合优化为 特征的制造新方法，对于解决我国飞机、发动机关键构件寿命短和可靠性差的问题具有重要意义。
航空发动机关键构件制造中存在的问题
我国发动机制造工艺与国外差距在20年以上，其存在的问题主要包括：
（1）“三新”问题：航空发动机 大量采用新材料、新结构和新工艺， 其相关的许多制造工艺技术尚处于初始研究阶段，制约行业技术创新与产品质量提升。
（2）“品质问题”：发动机研制和生产中的部分关键工艺仍不成熟、 工艺过程波动大，导致关键构件合格率低、可靠性差，性能不达标，技术风险难以预测。
（3）“集成问题”：工艺基础研究力量薄弱，缺少先进研究平台支撑，生产过程中质量管控手段落后， 手工工序 / 人工干预环节多，质量不稳定，生产自动化程度和设备利用率 低。
以上问题正是“中国制造 2025” 战略国策下建设智能制造领域的 3 大研究方向：先进基础工艺、高品质 制造技术和过程智能化集成。
为此， 我国航空发动机制造企业必须由面 向产品结构的制造转向面向产品性 能的高品质制造，实现工艺过程关键 因素可监测、可控制、可优化，减少对 人的经验的依赖，实现知识显性化、 自学习和自进化；同时由工艺流水 来配置装备，发展智能装备柔性匹配 产品，通过设备联网组建智能化装备 集群，逐步推进自适应加工，人和机 器的融合；实现信息系统实施和集 成的传统信息化到信息物理融合的 一体化软硬集成体系。
可靠性制造技术
可靠性的定义从广义上指 :“产品在规定条件下和规定时间内 , 完成规定功能的能力。”
对航空发动机 而言 , 其可靠性是指：在规定的飞行包线、环境和使用条件下，在规定的寿命期内，无故障工作的能力。针对航空发动机制造过程，其可靠性制造技术是指：采用先进的工艺过程控制方法，提高制造工艺过程质量特征的稳定性和一致性，从而保障构件的疲劳寿命和可靠性。
可靠性制造技术内涵
可靠性制造技术的内涵就是要获得稳定的表面完整性，表面完整性决定了高强度合金构件的疲劳性能。
国内外关于表面完整性的研究已经经历了4个发展阶段，如下图所示：
表面完整性是指以疲劳性能为判据， 通过控制工艺方法形成的无损伤或强化的表面状态和表层特性，是制造过程中构件加工后表面几何特征和物理性质及表层特性对构件服役性能影响的总描述和控制。其内涵在于：
（1）充分肯定了疲劳性能在表面完整性内涵中的重要性，并以此为判据，通过控制机械加工工艺方法，实现表面完整性切削加工。
（2）体现了构件表面状态和表面变质层特征与疲劳性能的一种内在的关联关系。
（3）体现了表面完整性的评价指标，即当疲劳性能满足一定条件时的表面状态和表层特性。
可靠性制造技术意义
表面完整性制造技术是实现构件质量可靠性的保障，是一项先进制造领域的全新技术，它是以实现表面粗糙度、组织结构及应力分布状态等表面完整性关键参量的自主控制为核心技术思想，将表面完整性优化在能够使构件获取最佳疲劳性能及高可靠性的状态，实现高加工效率和产 品可靠性的有效结合。
可靠性制造技术实现方法
1 高强度合金应力集中敏感规律
2 表面完整性制造工艺参数控制域
可靠性制造技术实现途径
航空发动机关键和重要结构件等均对结构减重、增效、可靠性和耐 高温性能提出了更高要求，这就需要 解决高效率、高精度、高品质和高稳 定性的制造难题，从而满足航空发动 机极端环境下提高构件比性能的要 求。
首先，需要发展先进的切削工艺与工具，包括工艺过程控制、工艺优化方法、先进刀具、夹具等，实现高性能和高效率切削；需要研究精密加工工艺与装备，包括优选工艺参数控 制域和对应的高精密加工设备，实现高精度和精量化制造。
其次，需要发展工艺过程自适应控制技术，实现智能化的高稳定性制造。
最后，需要严格控制构件表面完整性，实现抗疲劳的高品质制造。
对航空发动机关键构件材料 - 结构 - 工艺一体化发展趋势，通过控制切削热力耦合发展高效工艺 技术，控制形位偏差发展精确控形制造技术，控制附加应力集中发展精确 控性技术，构筑抗疲劳变质层发展强化改性技术，从而实现绿色低成本、 形位精确性、表面完整性、质量一致 性和精度保持性，进而实现长寿命、 低成本、高可靠性的制造。