抗疲勞制造技術(shù)與航空發(fā)動機軸承
軸承是航空發(fā)動機的關(guān)鍵核心部件之一不折不扣，它的壽命對航空發(fā)動機的總體壽命有著重要的影響支撐能力。長期以來，我國航空發(fā)動機的壽命不長高效利用，大修間隔比較短特征更加明顯，與航空發(fā)動機軸承壽命比較短有很大關(guān)系。當前我國航空發(fā)動機軸承技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到什么水平講理論？今天我們就結(jié)合近些年這一技術(shù)領(lǐng)域取得的技術(shù)進展的可能性，分別在材料、工藝服務為一體、制造理論等幾個方面問題，對國內(nèi)航空發(fā)動機軸承技術(shù)水平進行一番梳理逐漸顯現。
首先是材料，制造軸承最主要的原材料就是軸承鋼系統穩定性。軸承鋼是鋼鐵類產(chǎn)品中技術(shù)要求最嚴格的鋼種之一拓展基地，被稱為“鋼中之王”，是用來制造軸承滾珠實力增強、滾柱和軸承套圈的專用鋼材體系流動性。軸承在機械設(shè)備中通常是最核心的運轉(zhuǎn)部件，工作條件非常惡劣信息化。這就要求軸承鋼的疲勞強度要高方式之一、硬度要高、耐磨性能要好新型儲能、防銹能力要強創新能力。軸承和軸承鋼的制造能力及質(zhì)量，直接影響一個國家制造業(yè)能力和工業(yè)化發(fā)展水平領域。
好的軸承離不開好的軸承鋼溝通機製，評價軸承鋼質(zhì)量的關(guān)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註入新的動力，均勻性關(guān)系到軸承熱處理后的變形領先水平、組織均勻性。其中含氧量是一個重要指標雙重提升， 氧含量越低戰略布局，氧化物夾雜越少，純凈度越高表現明顯更佳，軸承鋼的疲勞壽命就越長狀態，軸承的使用壽命就越長。目前指導，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(nèi)廣泛認同，我國興澄特鋼生產(chǎn)的軸承鋼已經(jīng)完全可以達到這一標準。2017年11月流動性，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織對興澄特鋼的科研成果進行評價時鍛造，認為興澄特鋼高端軸承鋼的冶金質(zhì)量和性能水平達到了國際領(lǐng)先水平。
對軸承來說持續創新，使用壽命基本上是由軸承鋼的疲勞壽命所決定的改善。早在2009年，興澄軸承鋼的疲勞壽命就已超過日本同行協調機製。日本用戶也做了類似的跟蹤評價信息化，結(jié)論也是如此。興澄特鋼已經(jīng)與德國用戶進行了合作，開發(fā)純凈軸承鋼取得明顯成效，在2016年為其提供了樣品約定管轄，經(jīng)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小時設計，是歐洲軸承鋼的2.5倍業務指導。”
我國很早以前就已經(jīng)是軸承鋼生產(chǎn)大國優化程度。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示積極性，2017年我國主要軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)的粗鋼產(chǎn)量為301.46萬噸，軸承鋼產(chǎn)量前三名分別是：興澄特鋼不斷豐富、新冶鋼和本鋼特鋼實施體系，這三家公司占我國軸承鋼總產(chǎn)量的51％。我國不僅能制造高端軸承鋼各有優勢，而且已能大量出口效果較好。以興澄特鋼為例，2017年生產(chǎn)軸承鋼96.5萬噸持續，有63萬噸都供應(yīng)給瑞典SKF等多個領域、德國SCHAEFFLER、日本NSK產品和服務、NTN等世界知名軸承企業(yè)應用擴展。已連續(xù)8年位列世界軸承鋼產(chǎn)銷量第一。
材料說完我們再來看軸承的加工工藝增多。先說軸承的機械加工工藝活動上。2016年，山東華云機電與中國工程院院士趙振業(yè)聯(lián)合進一步推進，采用能技術(shù)加工的航空發(fā)動機軸承取得技術(shù)突破導向作用，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應用的選擇，是世界航空發(fā)動機軸承頂級制造商十大行動。
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(fā)動機軸承的整體性能背景下。滲碳熱處理工藝綜合措施，是大幅度提高機械零件表面硬度、疲勞強度等特點、磨損強度的關(guān)鍵技術(shù)之一建言直達，被廣泛應(yīng)用于齒輪多種、傳動軸將進一步、軸承等關(guān)鍵部件的表面硬化處理，對高端機械的升級換代和質(zhì)量提升起著重要作用。
目前成就，我國金屬滲碳熱處理存在的最突出問題是表面質(zhì)量不過關(guān)能力建設。國外雖然有先進的裝備和技術(shù)可以解決上述問題，但是價格高昂研究進展、并且技術(shù)封鎖無障礙。近日，東北大學材料加工工程專業(yè)在讀博士王昊杰快速融入，帶領(lǐng)著創(chuàng)業(yè)團隊研發(fā)出國內(nèi)領(lǐng)先的低壓真空滲碳熱處理新工藝認為，實現(xiàn)了對航空發(fā)動機軸承用鋼滲層碳化物的精確控制。這一熱處理新工藝增強，使高端航空軸承鋼獲得了更高的強度重要意義，更好的表面硬度、疲勞強度更加廣闊、磨損強度規劃、壽命以及更優(yōu)異的綜合性能。已得到中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司的認可可以使用。
王昊杰及其團隊開發(fā)出的熱處理工藝進入當下，先后用于航發(fā)軸承和齒輪、機器人RV減速器擺線輪效高化、高鐵用高端密封件卡套等關(guān)鍵部件新體系。打破了國外嚴格的技術(shù)封鎖，使這些國外壟斷的產(chǎn)品實現(xiàn)了國內(nèi)自主制造發展機遇，并大大降低了成本長效機製。目前，王昊杰團隊已經(jīng)和沈陽黎明全技術方案、東安發(fā)動機分享、哈爾濱軸承有限公司等單位建立了合作關(guān)系，將通過低壓真空滲碳技術(shù)推動第二信息化、第三代航空發(fā)動機軸承方式之一、齒輪滲碳鋼的市場化批量生產(chǎn)。
除此之外新型儲能，在新型航空發(fā)動機軸承技術(shù)領(lǐng)域創新能力，我國也取得了不少技術(shù)進展。去年央視新聞聯(lián)播報道範圍，在中科院工程熱物理研究所的輕型動力實驗基地求得平衡，采用箔片空氣軸承技術(shù)的小型渦噴發(fā)動機點火成功，這種軸承可以使小型航空發(fā)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(zhuǎn)子和定子隔離開空間廣闊，使其完全不接觸加強宣傳，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(tǒng)和冷卻系統(tǒng)完全取消，因此是一種非常理想的航空發(fā)動機軸承技術發展，非常適合中小型航空發(fā)動機集聚效應。
最后我們再來談?wù)勢S承制造技術(shù)理論取得的技術(shù)突破，這些技術(shù)理論其實適合于所有機械制造領(lǐng)域重要手段』又v？v觀世界機械制造技術(shù)發(fā)展歷史，機械制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了三代：成形制造像一棵樹、表面完整性制造過程中、抗疲勞制造。所謂成形制造就是我國普遍采用的按照設(shè)計圖紙規(guī)定要求制造零件的技術(shù)能運用，基本特征是制造與壽命無關(guān)重要部署。成形制造有兩大問題：一是導致高強度材料很難應(yīng)用，即容易誘發(fā)疲勞強度應(yīng)力集中敏感問題工具，當應(yīng)力集中系數(shù)比較高時疲勞強度會出現(xiàn)明顯下降智慧與合力，高強度材料例如：軸承鋼、齒輪鋼重要的角色、鈦合金開放要求、高溫合金、高強度鋁合金平臺建設、超高強度結(jié)構(gòu)鋼等均如此服務機製；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(xù)造成了很高的應(yīng)力集中使用，該處成為疲勞源大幅拓展，導致零件提前破壞失效，高強度材料也均如此更加堅強。因此成形制造技術(shù)必將被淘汰與時俱進。
西方發(fā)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(shù)初步建立。所謂表面完整性制造是控制表面完整性綜合運用、以疲勞為判據(jù)和提高疲勞強度的制造技術(shù)。理論基礎(chǔ)是疲勞的方法，關(guān)鍵核心技術(shù)是控制切削和表面強化實事求是、應(yīng)力集中敏感問題得到改善。相對于成形制造帶動產業發展，其最大進步在于表面完整性制造與壽命相關(guān)責任製，并取得三大成果：關(guān)鍵構(gòu)件長壽命、高可靠倍增效應、結(jié)構(gòu)減重規則製定。這就是西方發(fā)達國家制造的機械產(chǎn)品和裝備壽命更長擴大，可靠性更高的根本原因。西方發(fā)達國家依靠這一技術(shù)壟斷了高端機械裝備制造發揮效力，至今已有半個世紀，走出了一條機械制造強國道路明顯。但是安全鏈，表面完整性制造在認識上有一定局限，效果有限創新為先，應(yīng)予跨越真正做到。
趙振業(yè)院士和他的團隊花了30年時間研究創(chuàng)造出一新的抗疲勞制造理論體系撔卵诱�？蛊谥圃旒夹g(shù)強化意識，就是通過控制表面完整性和表面變質(zhì)層來保證疲勞強度的新一代先進制造技術(shù)，抗疲勞制造能夠抑制疲勞強度應(yīng)力集中敏感基本情況，可以使材料的性能發(fā)揮到極限現場，使機械零件實現(xiàn)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(zhì)層力量、以疲勞為判據(jù)我有所應，實現(xiàn)極限疲勞強度的制造技術(shù)。提出了新理論：“無應(yīng)力集中”抗疲勞理論深入實施。建立了關(guān)鍵技術(shù)體系：抗疲勞制造關(guān)鍵技術(shù)體系至關重要、極限壽命設(shè)計技術(shù)體系、極限性能材料體系等效果，形成了第三代機械制造技術(shù)有所應。前面提到的豪克能技術(shù)就是一種消除應(yīng)力集中的重要加工技術(shù)，是實現(xiàn)抗疲勞制造技術(shù)的一種重要手段合作關系。
抗疲勞制造技術(shù)的提出使得軸承鋼著力提升、齒輪鋼、鈦合金傳遞、高溫合金重要意義、高強度鋁合金、超高強度結(jié)構(gòu)鋼這類高強度材料的疲勞壽命實現(xiàn)了大幅提高更優美。按照這一技術(shù)制造的殲8飛機300M鋼起落架各方面，疲勞壽命已經(jīng)超過6000小時，高于美國F15成效與經驗、F16戰(zhàn)機起落架 5000飛行小時的世界最高壽命記錄適應性，已經(jīng)在多種飛機上裝備使用，1991年服役至今無一故障稍有不慎。采用這一技術(shù)制造的航空發(fā)動機主軸承滾珠重要作用，可以實現(xiàn)接觸疲勞壽命400萬小時等地，超過世界領(lǐng)先水平的同類軸承滾珠一個數(shù)量級也就是10倍。
如果將成形制造的產(chǎn)品壽命定義為1尤為突出，那么表面完整性制造可以達到10規定，而抗疲勞制造可以提高到100】臻g載體？蛊谥圃旄淖兞似谑Ｊ礁哔|量，因而制造的零件可以實現(xiàn)極限壽命、極限可靠性重要組成部分、極限減重流程。此項技術(shù)不僅可以用在航空發(fā)動機軸承上，也適用于幾乎所有機械制造領(lǐng)域勃勃生機，是一項提高中國機械制造業(yè)整體水平的戰(zhàn)略技術(shù)助力各業。這項世界領(lǐng)先水平的技術(shù)成果將讓中國制造的機械產(chǎn)品和裝備比西方發(fā)達國家制造的壽命更長，可靠性更高提供有力支撐，助力中國機械制造行業(yè)應用，實現(xiàn)對國際先進水平的超越。
綜上所述品率，近些年來我國在軸承制造技術(shù)上取得了巨大進步臺上與臺下。航空發(fā)動機軸承技術(shù)水平落后的局面已經(jīng)有了徹底改觀。隨著這些科研成果的逐步推廣技術發展，我國航空發(fā)動機軸承技術(shù)一定會達到世界領(lǐng)先水平集聚效應，推動我國航空發(fā)動機整體水平再上臺階。