[交大智慧]上海交大为火箭发动机打造“王冠上的明珠”[图]

      [编者按] 一百多年来，交大人用知识和智慧创造累累硕果，谱写了近现代史上的诸多“第一”。这是人才培养的智慧、科学研究的智慧、服务社会的智慧、为国争光的智慧。新闻网特推出“交大智慧”专栏，聚焦交大人的智慧之光，展现交大人为国家发展和社会进步作出的重大贡献。

　　随着一声惊天动地的轰鸣，一枚尾部喷着炽热火焰的火箭从发射台缓缓升空，沿着预定的轨道，飞向浩瀚无垠的太空。能把航天飞船等庞然大物送上太空的，靠的正是动力强劲的火箭发动机。每台火箭发动机中都包含10多个闭式整体涡轮叶盘类零件，用来为火箭发动机燃料和氧化剂泵提供动力。据统计，国内外火箭发射失败的案例中，有大约45%是由火箭发动机使用的涡轮叶盘类零件失效所造成的。为了从根本上提升火箭发射的可靠性，火箭发动机采用了先进的带叶冠的闭式整体叶盘结构，这种零件是采用一整块毛坯材料直接加工出来的。

　　本项目负责人上海交通大学机械与动力工程学院赵万生教授介绍：“航空、航天发动机因其战略意义、技术密集程度及制造难度被誉为工业技术的王冠。叶盘类零件是航空、航天发动机的核心关键部件，在很大程度上决定了发动机的可靠性、性能和成本。由于其在发动机中的核心重要地位及加工难度又被称为王冠上的明珠。”

　　想像一下，能够制造出“王冠上的明珠”，那一定是工艺极其复杂、难度极高的工作，那得需要什么样的“武器”和什么样的“能工巧匠”？上海交通大学的特种加工科研团队，经过长达八年的科研攻关，突破了一系列关键技术，研制成功了“六轴联动数控电火花加工机床”，并开发了配套的CAD/CAM软件和加工工艺，为制造闭式整体涡轮叶盘提供了一套全面技术解决方案，其中既包括了硬件技术，也包括了软件技术和制造工艺。

　　 电光石火——重剑无锋，鬼斧神工

　　俗话说，没有金刚钻，不揽瓷器活。上海交通大学在国家863重点项目及国家重大专项的支持下，与国内特种加工科研机构及航天航空企业密切合作，在国内率先研制成功了“六轴联动数控电火花机床”。有了这样的机床，我们就好像有了一把神奇的“灵动之刃”，在叶盘的毛坯上加工起来游刃有余。

　　电火花加工是利用工具电极与工件之间的放电而产生的热效应来去除材料的一种特种加工方法。对高温合金、钛合金等常规加工方法难以处理的材料进行电火花加工，可以达到以柔克刚的效果。但是要加工出叶盘上那些几何形状复杂的流道，光有“金刚钻”还不行，其加工机床还必须具有足够的自由度来实现所规划的电极在空间内的复杂运动。

　　闭式整体叶盘的流道不但弯曲而且狭窄。加工这样的流道，工具电极必须在6自由度空间中按照一定的轨迹行进，6个运动轴之间必须保证严格的同步关系。“这就好比在螺蛳壳里做道场”，项目成员打比方说：“任何运动轴的不同步将会导致价值几十万的涡轮叶盘报废。”

　　上海交通大学研制的“六轴联动数控电火花加工机床”，包含三个直线运动轴和三个旋转运动轴。这套多轴联动的电火花加工数控系统，采用一种全新的路径规划和插补方法，大大的提高了6个轴之间轨迹的平顺性和同步精度。

　　在这样高的同步精度下，复杂流道的加工就能够得以保证。加工流道的过程是复杂的，为了把加工中产生的金属微小颗粒及时排出加工间隙以不影响后续的加工，电极在流道中所做的是进进退退的往复运动。往复运动必须严格的按照一定的路径进行，并且这条路径是6自由度空间中的一条最优路径。这个过程像一辆小汽车在狭窄而复杂的盘山公路上游刃有余地行驶，更像“庖丁解牛”一样，娴熟、细腻，拿捏精准。

　　 精确导航——羊肠小道，也能从容驰骋

　　如何能够在6自由度空间中走出一条复杂而弯曲的路径，就好比让一辆汽车在一个狭窄而又弯曲的小巷子里行驶，稍有不慎就会发生擦碰。

　　数控系统虽然神奇，但是它不能单独完成这样的任务，还需要借助一双“慧眼”来精确导航，指引它完成这样复杂的任务。这就是CAD/CAM系统中的“路径规划”功能所做的工作。然而要找出一条不碰撞且最短的路径绝不是一件容易的事情。

　　据介绍，在上海交通大学开发出CAD/CAM软件之前，即使是经验丰富的工程师，要找出一个路径需要一两个月的时间。如果工具电极的尺寸或形状稍有变动，这样的工作就要重来一遍。

　　“给神奇的系统装上‘慧眼’，使它变得‘聪明’起来，自动找到最优路径。”上海交通大学专门开发了专用的计算机辅助设计与辅助制造软件CAD/CAM，就是为电极在流道中寻找出这样光滑的路径，并能确保和它周围的流道不发生任何碰撞。

　　 改进工艺——加工效率大幅提升

　　想要又快又好地加工出闭式整体叶盘，光靠传统的电火花加工方法已经无法满足。大推力火箭发动机叶盘上有多达上百个流道，如果用一个电极去加工，将需要数百个小时。六轴联动电火花加工机床采用多电极同时进行加工以及摄动进给等独特的加工方式，大大提高了加工效率。

　　 产学研用合作——六轴机床从实验室走向企业应用

　　目前多轴联动数控电火花加工是国内外实现闭式整体叶盘加工的首选加工方法，并被美国、欧洲、俄罗斯等国家普遍采用。由于这一高端制造技术一向是各国航空航天发动机制造企业的核心竞争力，我国不可能靠技术引进方式获得。另一方面出于对战略产品的制造技术安全性考虑，我们必须依靠自主研发的关键技术。航空航天发动机是衡量一个国家动力研发、制造水平的关键领域，是大国实力的重要标志之一，具有极高的经济价值和社会意义。

　　项目组通过产学研用的紧密合作，将研究成果推向工业应用。目前上海交通大学已同上海汉霸机电有限公司签署了长期合作协议，共同推动六轴联动数控电火花机床的产业化。同时项目组与我国火箭发动机制造厂商合作，采用上海交通大学的CAD/CAM软件，共同研发了全新的工艺方法，不仅大幅度提高了生产效率，而且还产生了巨大的经济效益，有效地提升了我国的战略产品的制造安全性。国外的航空发动机制造商也将上海交通大学的CAD/CAM软件用于民用飞机发动机的重要部件的生产。