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抗疲勞制造技術與航空發動機軸承

2019/3/29      

       軸承是航空發動機的關鍵核心部件之一,它的壽命對航空發動機的總體壽命有著重要的影響。長期以來,我國航空發動機的壽命不長,大修間隔比較短,與航空發動機軸承壽命比較短有很大關系。當前我國航空發動機軸承技術已經發展到什么水平?今天我們就結合近些年這一技術領域取得的技術進展,分別在材料、工藝、制造理論等幾個方面,對國內航空發動機軸承技術水平進行一番梳理。

       首先是材料,制造軸承最主要的原材料就是軸承鋼。軸承鋼是鋼鐵類產品中技術要求最嚴格的鋼種之一,被稱為“鋼中之王”,是用來制造軸承滾珠、滾柱和軸承套圈的專用鋼材。軸承在機械設備中通常是最核心的運轉部件,工作條件非常惡劣。這就要求軸承鋼的疲勞強度要高、硬度要高、耐磨性能要好、防銹能力要強。軸承和軸承鋼的制造能力及質量,直接影響一個國家制造業能力和工業化發展水平。

       好的軸承離不開好的軸承鋼,評價軸承鋼質量的關鍵指標是材料的均勻性和純凈度。純凈度影響軸承的疲勞壽命,均勻性關系到軸承熱處理后的變形、組織均勻性。其中含氧量是一個重要指標, 氧含量越低,氧化物夾雜越少,純凈度越高,軸承鋼的疲勞壽命就越長,軸承的使用壽命就越長。目前,軸承鋼的世界先進水平是可以將氧含量控制在≤5ppm的范圍內,我國興澄特鋼生產的軸承鋼已經完全可以達到這一標準。2017年11月,中國鋼鐵工業協會組織對興澄特鋼的科研成果進行評價時,認為興澄特鋼高端軸承鋼的冶金質量和性能水平達到了國際領先水平。

       對軸承來說,使用壽命基本上是由軸承鋼的疲勞壽命所決定的。早在2009年,興澄軸承鋼的疲勞壽命就已超過日本同行。日本用戶也做了類似的跟蹤評價,結論也是如此。興澄特鋼已經與德國用戶進行了合作,開發純凈軸承鋼,在2016年為其提供了樣品,經過為期兩年的疲勞壽命測試,興澄軸承鋼的疲勞壽命可達1150小時,是歐洲軸承鋼的2.5倍。”

       我國很早以前就已經是軸承鋼生產大國。有統計數據顯示,2017年我國主要軸承鋼生產企業的粗鋼產量為301.46萬噸,軸承鋼產量前三名分別是:興澄特鋼、新冶鋼和本鋼特鋼,這三家公司占我國軸承鋼總產量的51%。我國不僅能制造高端軸承鋼,而且已能大量出口。以興澄特鋼為例,2017年生產軸承鋼96.5萬噸,有63萬噸都供應給瑞典SKF、德國SCHAEFFLER、日本NSK、NTN等世界知名軸承企業。已連續8年位列世界軸承鋼產銷量第一。

       材料說完我們再來看軸承的加工工藝。先說軸承的機械加工工藝。2016年,山東華云機電與中國工程院院士趙振業聯合,采用能技術加工的航空發動機軸承取得技術突破,壽命達到了德國FAG航空軸承的22倍。FAG隸屬德國舍佛勒集團,是世界航空發動機軸承頂級制造商。


       說完機加工工藝再說熱處理工藝。軸承的加工工藝特別是熱處理工藝會直接影響著航空發動機軸承的整體性能。滲碳熱處理工藝,是大幅度提高機械零件表面硬度、疲勞強度、磨損強度的關鍵技術之一,被廣泛應用于齒輪、傳動軸、軸承等關鍵部件的表面硬化處理,對高端機械的升級換代和質量提升起著重要作用。

目前,我國金屬滲碳熱處理存在的最突出問題是表面質量不過關。國外雖然有先進的裝備和技術可以解決上述問題,但是價格高昂、并且技術封鎖。近日,東北大學材料加工工程專業在讀博士王昊杰,帶領著創業團隊研發出國內領先的低壓真空滲碳熱處理新工藝,實現了對航空發動機軸承用鋼滲層碳化物的精確控制。這一熱處理新工藝,使高端航空軸承鋼獲得了更高的強度,更好的表面硬度、疲勞強度、磨損強度、壽命以及更優異的綜合性能。已得到中國航發哈爾濱軸承有限公司的認可。


       王昊杰及其團隊開發出的熱處理工藝,先后用于航發軸承和齒輪、機器人RV減速器擺線輪、高鐵用高端密封件卡套等關鍵部件。打破了國外嚴格的技術封鎖,使這些國外壟斷的產品實現了國內自主制造,并大大降低了成本。目前,王昊杰團隊已經和沈陽黎明、東安發動機、哈爾濱軸承有限公司等單位建立了合作關系,將通過低壓真空滲碳技術推動第二、第三代航空發動機軸承、齒輪滲碳鋼的市場化批量生產。


       除此之外,在新型航空發動機軸承技術領域,我國也取得了不少技術進展。去年央視新聞聯播報道,在中科院工程熱物理研究所的輕型動力實驗基地,采用箔片空氣軸承技術的小型渦噴發動機點火成功,這種軸承可以使小型航空發動機重量減輕15?成本減少20?此種類型的軸承依靠空氣壓力將轉子和定子隔離開,使其完全不接觸,可以輕易獲得幾萬小時的使用壽命,甚至可以將軸承的潤滑系統和冷卻系統完全取消,因此是一種非常理想的航空發動機軸承,非常適合中小型航空發動機。

       最后我們再來談談軸承制造技術理論取得的技術突破,這些技術理論其實適合于所有機械制造領域。縱觀世界機械制造技術發展歷史,機械制造技術已經發展了三代:成形制造、表面完整性制造、抗疲勞制造。所謂成形制造就是我國普遍采用的按照設計圖紙規定要求制造零件的技術,基本特征是制造與壽命無關。成形制造有兩大問題:一是導致高強度材料很難應用,即容易誘發疲勞強度應力集中敏感問題,當應力集中系數比較高時疲勞強度會出現明顯下降,高強度材料例如:軸承鋼、齒輪鋼、鈦合金、高溫合金、高強度鋁合金、超高強度結構鋼等均如此;二是零件容易提前疲勞失效,即成形制造留下的切削加工痕跡不連續造成了很高的應力集中,該處成為疲勞源,導致零件提前破壞失效,高強度材料也均如此。因此成形制造技術必將被淘汰。

       西方發達國家在上世紀五十至七十年代,花了20多年時間研究成功表面完整性制造技術。所謂表面完整性制造是控制表面完整性、以疲勞為判據和提高疲勞強度的制造技術。理論基礎是疲勞,關鍵核心技術是控制切削和表面強化、應力集中敏感問題得到改善。相對于成形制造,其最大進步在于表面完整性制造與壽命相關,并取得三大成果:關鍵構件長壽命、高可靠、結構減重。這就是西方發達國家制造的機械產品和裝備壽命更長,可靠性更高的根本原因。西方發達國家依靠這一技術壟斷了高端機械裝備制造,至今已有半個世紀,走出了一條機械制造強國道路。但是,表面完整性制造在認識上有一定局限,效果有限,應予跨越。

趙振業院士和他的團隊花了30年時間研究創造出一新的抗疲勞制造理論體系。抗疲勞制造技術,就是通過控制表面完整性和表面變質層來保證疲勞強度的新一代先進制造技術,抗疲勞制造能夠抑制疲勞強度應力集中敏感,可以使材料的性能發揮到極限,使機械零件實現長壽命。這一體系提出了新概念:抗疲勞制造是控制表面完整性和表面變質層、以疲勞為判據,實現極限疲勞強度的制造技術。提出了新理論:“無應力集中”抗疲勞理論。建立了關鍵技術體系:抗疲勞制造關鍵技術體系、極限壽命設計技術體系、極限性能材料體系等,形成了第三代機械制造技術。前面提到的豪克能技術就是一種消除應力集中的重要加工技術,是實現抗疲勞制造技術的一種重要手段。

       抗疲勞制造技術的提出使得軸承鋼、齒輪鋼、鈦合金、高溫合金、高強度鋁合金、超高強度結構鋼這類高強度材料的疲勞壽命實現了大幅提高。按照這一技術制造的殲8飛機300M鋼起落架,疲勞壽命已經超過6000小時,高于美國F15、F16戰機起落架 5000飛行小時的世界最高壽命記錄,已經在多種飛機上裝備使用,1991年服役至今無一故障。采用這一技術制造的航空發動機主軸承滾珠,可以實現接觸疲勞壽命400萬小時,超過世界領先水平的同類軸承滾珠一個數量級也就是10倍。

       如果將成形制造的產品壽命定義為1,那么表面完整性制造可以達到10,而抗疲勞制造可以提高到100。抗疲勞制造改變了疲勞失效模式,因而制造的零件可以實現極限壽命、極限可靠性、極限減重。此項技術不僅可以用在航空發動機軸承上,也適用于幾乎所有機械制造領域,是一項提高中國機械制造業整體水平的戰略技術。這項世界領先水平的技術成果將讓中國制造的機械產品和裝備比西方發達國家制造的壽命更長,可靠性更高,助力中國機械制造行業,實現對國際先進水平的超越。

       綜上所述,近些年來我國在軸承制造技術上取得了巨大進步。航空發動機軸承技術水平落后的局面已經有了徹底改觀。隨著這些科研成果的逐步推廣,我國航空發動機軸承技術一定會達到世界領先水平,推動我國航空發動機整體水平再上臺階。

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