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抗疲劳制造技术与航空发动机轴承

2019/3/29

轴承是航空发动机的关键核心部件之一,它的寿命对航空发动机的总体寿命有着重要的影响。长期以来,我国航空发动机的寿命不长,大修间隔比较短,与航空发动机轴承寿命比较短有很大关系。当前我国航空发动机轴承技术已经发展到什么水平?今天我们就结合近些年这一技术领域取得的技术进展,分别在材料、工艺、制造理论等几个方面,对国内航空发动机轴承技术水平进行一番梳理。

首先是材料,制造轴承最主要的原材料就是轴承钢。轴承钢是钢铁类产品中技术要求最严格的钢种之一,被称为"钢中之王",是用来制造轴承滚珠、滚柱和轴承套圈的专用钢材。轴承在机械设备中通常是最核心的运转部件,工作条件非常恶劣。这就要求轴承钢的疲劳强度要高、硬度要高、耐磨性能要好、防锈能力要强。轴承和轴承钢的制造能力及质量,直接影响一个国家制造业能力和工业化发展水平。

好的轴承离不开好的轴承钢,评价轴承钢质量的关键指标是材料的均匀性和纯净度。纯净度影响轴承的疲劳寿命,均匀性关系到轴承热处理后的变形、组织均匀性。其中含氧量是一个重要指标,氧含量越低,氧化物夹杂越少,纯净度越高,轴承钢的疲劳寿命就越长,轴承的使用寿命就越长。目前,轴承钢的世界先进水平是可以将氧含量控制在≤5ppm的范围内,我国兴澄特钢生产的轴承钢已经完全可以达到这一标准。2017年11月,中国钢铁工业协会组织对兴澄特钢的科研成果进行评价时,认为兴澄特钢高端轴承钢的冶金质量和性能水平达到了国际领先水平。

对轴承来说,使用寿命基本上是由轴承钢的疲劳寿命所决定的。早在2009年,兴澄轴承钢的疲劳寿命就已超过日本同行。日本用户也做了类似的跟踪评价,结论也是如此。兴澄特钢已经与德国用户进行了合作,开发纯净轴承钢,在2016年为其提供了样品,经过为期两年的疲劳寿命测试,兴澄轴承钢的疲劳寿命可达1150小时,是欧洲轴承钢的2.5倍。"

我国很早以前就已经是轴承钢生产大国。有统计数据显示,2017年我国主要轴承钢生产企业的粗钢产量为301.46万吨,轴承钢产量前三名分别是:兴澄特钢、新冶钢和本钢特钢,这三家公司占我国轴承钢总产量的51%。我国不仅能制造高端轴承钢,而且已能大量出口。以兴澄特钢为例,2017年生产轴承钢96.5万吨,有63万吨都供应给瑞典SKF、德国SCHAEFFLER、日本NSK、NTN等世界知名轴承企业。已连续8年位列世界轴承钢产销量第一。

材料说完我们再来看轴承的加工工艺。先说轴承的机械加工工艺。2016年,山东华云机电与中国工程院院士赵振业联合,采用能技术加工的航空发动机轴承取得技术突破,寿命达到了德国FAG航空轴承的22倍。FAG隶属德国舍佛勒集团,是世界航空发动机轴承顶级制造商。


说完机加工工艺再说热处理工艺。轴承的加工工艺特别是热处理工艺会直接影响着航空发动机轴承的整体性能。渗碳热处理工艺,是大幅度提高机械零件表面硬度、疲劳强度、磨损强度的关键技术之一,被广泛应用于齿轮、传动轴、轴承等关键部件的表面硬化处理,对高端机械的升级换代和质量提升起着重要作用。

目前,我国金属渗碳热处理存在的最突出问题是表面质量不过关。国外虽然有先进的装备和技术可以解决上述问题,但是价格高昂、并且技术封锁。近日,东北大学材料加工工程专业在读博士王昊杰,带领着创业团队研发出国内领先的低压真空渗碳热处理新工艺,实现了对航空发动机轴承用钢渗层碳化物的精确控制。这一热处理新工艺,使高端航空轴承钢获得了更高的强度,更好的表面硬度、疲劳强度、磨损强度、寿命以及更优异的综合性能。已得到中国航发哈尔滨轴承有限公司的认可。


王昊杰及其团队开发出的热处理工艺,先后用于航发轴承和齿轮、机器人RV减速器摆线轮、高铁用高端密封件卡套等关键部件。打破了国外严格的技术封锁,使这些国外垄断的产品实现了国内自主制造,并大大降低了成本。目前,王昊杰团队已经和沈阳黎明、东安发动机、哈尔滨轴承有限公司等单位建立了合作关系,将通过低压真空渗碳技术推动第二、第三代航空发动机轴承、齿轮渗碳钢的市场化批量生产。


除此之外,在新型航空发动机轴承技术领域,我国也取得了不少技术进展。去年央视新闻联播报道,在中科院工程热物理研究所的轻型动力实验基地,采用箔片空气轴承技术的小型涡喷发动机点火成功,这种轴承可以使小型航空发动机重量减轻15?成本减少20?此种类型的轴承依靠空气压力将转子和定子隔离开,使其完全不接触,可以轻易获得几万小时的使用寿命,甚至可以将轴承的润滑系统和冷却系统完全取消,因此是一种非常理想的航空发动机轴承,非常适合中小型航空发动机。

最后我们再来谈谈轴承制造技术理论取得的技术突破,这些技术理论其实适合于所有机械制造领域。纵观世界机械制造技术发展历史,机械制造技术已经发展了三代:成形制造、表面完整性制造、抗疲劳制造。所谓成形制造就是我国普遍采用的按照设计图纸规定要求制造零件的技术,基本特征是制造与寿命无关。成形制造有两大问题:一是导致高强度材料很难应用,即容易诱发疲劳强度应力集中敏感问题,当应力集中系数比较高时疲劳强度会出现明显下降,高强度材料例如:轴承钢、齿轮钢、钛合金、高温合金、高强度铝合金、超高强度结构钢等均如此;二是零件容易提前疲劳失效,即成形制造留下的切削加工痕迹不连续造成了很高的应力集中,该处成为疲劳源,导致零件提前破坏失效,高强度材料也均如此。因此成形制造技术必将被淘汰。

西方发达国家在上世纪五十至七十年代,花了20多年时间研究成功表面完整性制造技术。所谓表面完整性制造是控制表面完整性、以疲劳为判据和提高疲劳强度的制造技术。理论基础是疲劳,关键核心技术是控制切削和表面强化、应力集中敏感问题得到改善。相对于成形制造,其最大进步在于表面完整性制造与寿命相关,并取得三大成果:关键构件长寿命、高可靠、结构减重。这就是西方发达国家制造的机械产品和装备寿命更长,可靠性更高的根本原因。西方发达国家依靠这一技术垄断了高端机械装备制造,至今已有半个世纪,走出了一条机械制造强国道路。但是,表面完整性制造在认识上有一定局限,效果有限,应予跨越。

赵振业院士和他的团队花了30年时间研究创造出一新的抗疲劳制造理论体系。抗疲劳制造技术,就是通过控制表面完整性和表面变质层来保证疲劳强度的新一代先进制造技术,抗疲劳制造能够抑制疲劳强度应力集中敏感,可以使材料的性能发挥到极限,使机械零件实现长寿命。这一体系提出了新概念:抗疲劳制造是控制表面完整性和表面变质层、以疲劳为判据,实现极限疲劳强度的制造技术。提出了新理论:"无应力集中"抗疲劳理论。建立了关键技术体系:抗疲劳制造关键技术体系、极限寿命设计技术体系、极限性能材料体系等,形成了第三代机械制造技术。前面提到的豪克能技术就是一种消除应力集中的重要加工技术,是实现抗疲劳制造技术的一种重要手段。

抗疲劳制造技术的提出使得轴承钢、齿轮钢、钛合金、高温合金、高强度铝合金、超高强度结构钢这类高强度材料的疲劳寿命实现了大幅提高。按照这一技术制造的歼8飞机300M钢起落架,疲劳寿命已经超过6000小时,高于美国F15、F16战机起落架 5000飞行小时的世界最高寿命记录,已经在多种飞机上装备使用,1991年服役至今无一故障。采用这一技术制造的航空发动机主轴承滚珠,可以实现接触疲劳寿命400万小时,超过世界领先水平的同类轴承滚珠一个数量级也就是10倍。

如果将成形制造的产品寿命定义为1,那么表面完整性制造可以达到10,而抗疲劳制造可以提高到100。抗疲劳制造改变了疲劳失效模式,因而制造的零件可以实现极限寿命、极限可靠性、极限减重。此项技术不仅可以用在航空发动机轴承上,也适用于几乎所有机械制造领域,是一项提高中国机械制造业整体水平的战略技术。这项世界领先水平的技术成果将让中国制造的机械产品和装备比西方发达国家制造的寿命更长,可靠性更高,助力中国机械制造行业,实现对国际先进水平的超越。

综上所述,近些年来我国在轴承制造技术上取得了巨大进步。航空发动机轴承技术水平落后的局面已经有了彻底改观。随着这些科研成果的逐步推广,我国航空发动机轴承技术一定会达到世界领先水平,推动我国航空发动机整体水平再上台阶。

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