抗疲勞制造技術(shù)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承
軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵核心部件之一，它的壽命對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總體壽命有著重要的影響。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命不長(zhǎng)，大修間隔比較短，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承壽命比較短有很大關(guān)系。當(dāng)前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到什么水平？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(jìn)展，分別在材料、工藝、制造理論等幾個(gè)方面，對(duì)國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承技術(shù)水平進(jìn)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(chǎn)品中技術(shù)要求最嚴(yán)格的鋼種之一，被稱為“鋼中之王”，是用來(lái)制造軸承滾珠、滾柱和軸承套圈的專用鋼材。軸承在機(jī)械設(shè)備中通常是最核心的運(yùn)轉(zhuǎn)部件，工作條件非常惡劣。這就要求軸承鋼的疲勞強(qiáng)度要高、硬度要高、耐磨性能要好、防銹能力要強(qiáng)。軸承和軸承鋼的制造能力及質(zhì)量，直接影響一個(gè)國(guó)家制造業(yè)能力和工業(yè)化發(fā)展水平。
好的軸承離不開(kāi)好的軸承鋼，評(píng)價(jià)軸承鋼質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)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(guān)系到軸承熱處理后的變形、組織均勻性。其中含氧量是一個(gè)重要指標(biāo)， 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(zhǎng)，軸承的使用壽命就越長(zhǎng)。目前，軸承鋼的世界先進(jìn)水平是可以將氧含量控制在≤5ppm的范圍內(nèi)，我國(guó)興澄特鋼生產(chǎn)的軸承鋼已經(jīng)完全可以達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。2017年11月，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)組織對(duì)興澄特鋼的科研成果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，認(rèn)為興澄特鋼高端軸承鋼的冶金質(zhì)量和性能水平達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。
對(duì)軸承來(lái)說(shuō)，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(guò)日本同行。日本用戶也做了類似的跟蹤評(píng)價(jià)，結(jié)論也是如此。興澄特鋼已經(jīng)與德國(guó)用戶進(jìn)行了合作，開(kāi)發(fā)純凈軸承鋼，在2016年為其提供了樣品，經(jīng)過(guò)為期兩年的疲勞壽命測(cè)試，興澄軸承鋼的疲勞壽命可達(dá)1150小時(shí)，是歐洲軸承鋼的2.5倍。”
我國(guó)很早以前就已經(jīng)是軸承鋼生產(chǎn)大國(guó)。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年我國(guó)主要軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)的粗鋼產(chǎn)量為301.46萬(wàn)噸，軸承鋼產(chǎn)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(guó)軸承鋼總產(chǎn)量的51％。我國(guó)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(chǎn)軸承鋼96.5萬(wàn)噸，有63萬(wàn)噸都供應(yīng)給瑞典SKF、德國(guó)SCHAEFFLER、日本NSK、NTN等世界知名軸承企業(yè)。已連續(xù)8年位列世界軸承鋼產(chǎn)銷量第一。
材料說(shuō)完我們?cè)賮?lái)看軸承的加工工藝。先說(shuō)軸承的機(jī)械加工工藝。2016年，山東華云機(jī)電與中國(guó)工程院院士趙振業(yè)聯(lián)合，采用能技術(shù)加工的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承取得技術(shù)突破，壽命達(dá)到了德國(guó)FAG航空軸承的22倍。FAG隸屬德國(guó)舍佛勒集團(tuán)，是世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承頂級(jí)制造商。
說(shuō)完機(jī)加工工藝再說(shuō)熱處理工藝。軸承的加工工藝特別是熱處理工藝會(huì)直接影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的整體性能。滲碳熱處理工藝，是大幅度提高機(jī)械零件表面硬度、疲勞強(qiáng)度、磨損強(qiáng)度的關(guān)鍵技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于齒輪、傳動(dòng)軸、軸承等關(guān)鍵部件的表面硬化處理，對(duì)高端機(jī)械的升級(jí)換代和質(zhì)量提升起著重要作用。
目前，我國(guó)金屬滲碳熱處理存在的最突出問(wèn)題是表面質(zhì)量不過(guò)關(guān)。國(guó)外雖然有先進(jìn)的裝備和技術(shù)可以解決上述問(wèn)題，但是價(jià)格高昂、并且技術(shù)封鎖。近日，東北大學(xué)材料加工工程專業(yè)在讀博士王昊杰，帶領(lǐng)著創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的低壓真空滲碳熱處理新工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度，更好的表面硬度、疲勞強(qiáng)度、磨損強(qiáng)度、壽命以及更優(yōu)異的綜合性能。已得到中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司的認(rèn)可。
王昊杰及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的熱處理工藝，先后用于航發(fā)軸承和齒輪、機(jī)器人RV減速器擺線輪、高鐵用高端密封件卡套等關(guān)鍵部件。打破了國(guó)外嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，使這些國(guó)外壟斷的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)自主制造，并大大降低了成本。目前，王昊杰團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和沈陽(yáng)黎明、東安發(fā)動(dòng)機(jī)、哈爾濱軸承有限公司等單位建立了合作關(guān)系，將通過(guò)低壓真空滲碳技術(shù)推動(dòng)第二、第三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承、齒輪滲碳鋼的市場(chǎng)化批量生產(chǎn)。
除此之外，在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)也取得了不少技術(shù)進(jìn)展。去年央視新聞聯(lián)播報(bào)道，在中科院工程熱物理研究所的輕型動(dòng)力實(shí)驗(yàn)基地，采用箔片空氣軸承技術(shù)的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功，這種軸承可以使小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)，使其完全不接觸，可以輕易獲得幾萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，甚至可以將軸承的潤(rùn)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(dòng)機(jī)軸承，非常適合中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
最后我們?cè)賮?lái)談?wù)勢(shì)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(shí)適合于所有機(jī)械制造領(lǐng)域。縱觀世界機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展歷史，機(jī)械制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)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(guó)普遍采用的按照設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定要求制造零件的技術(shù)，基本特征是制造與壽命無(wú)關(guān)。成形制造有兩大問(wèn)題：一是導(dǎo)致高強(qiáng)度材料很難應(yīng)用，即容易誘發(fā)疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感問(wèn)題，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)比較高時(shí)疲勞強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯下降，高強(qiáng)度材料例如：軸承鋼、齒輪鋼、鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋁合金、超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)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(xù)造成了很高的應(yīng)力集中，該處成為疲勞源，導(dǎo)致零件提前破壞失效，高強(qiáng)度材料也均如此。因此成形制造技術(shù)必將被淘汰。
西方發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì)五十至七十年代，花了20多年時(shí)間研究成功表面完整性制造技術(shù)。所謂表面完整性制造是控制表面完整性、以疲勞為判據(jù)和提高疲勞強(qiáng)度的制造技術(shù)。理論基礎(chǔ)是疲勞，關(guān)鍵核心技術(shù)是控制切削和表面強(qiáng)化、應(yīng)力集中敏感問(wèn)題得到改善。相對(duì)于成形制造，其最大進(jìn)步在于表面完整性制造與壽命相關(guān)，并取得三大成果：關(guān)鍵構(gòu)件長(zhǎng)壽命、高可靠、結(jié)構(gòu)減重。這就是西方發(fā)達(dá)國(guó)家制造的機(jī)械產(chǎn)品和裝備壽命更長(zhǎng)，可靠性更高的根本原因。西方發(fā)達(dá)國(guó)家依靠這一技術(shù)壟斷了高端機(jī)械裝備制造，至今已有半個(gè)世紀(jì)，走出了一條機(jī)械制造強(qiáng)國(guó)道路。但是，表面完整性制造在認(rèn)識(shí)上有一定局限，效果有限，應(yīng)予跨越。
趙振業(yè)院士和他的團(tuán)隊(duì)花了30年時(shí)間研究創(chuàng)造出一新的抗疲勞制造理論體系。抗疲勞制造技術(shù)，就是通過(guò)控制表面完整性和表面變質(zhì)層來(lái)保證疲勞強(qiáng)度的新一代先進(jìn)制造技術(shù)，抗疲勞制造能夠抑制疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感，可以使材料的性能發(fā)揮到極限，使機(jī)械零件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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、以疲勞為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)極限疲勞強(qiáng)度的制造技術(shù)。提出了新理論：“無(wú)應(yīng)力集中”抗疲勞理論。建立了關(guān)鍵技術(shù)體系：抗疲勞制造關(guān)鍵技術(shù)體系、極限壽命設(shè)計(jì)技術(shù)體系、極限性能材料體系等，形成了第三代機(jī)械制造技術(shù)。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(shí)現(xiàn)抗疲勞制造技術(shù)的一種重要手段。
抗疲勞制造技術(shù)的提出使得軸承鋼、齒輪鋼、鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋁合金、超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼這類高強(qiáng)度材料的疲勞壽命實(shí)現(xiàn)了大幅提高。按照這一技術(shù)制造的殲8飛機(jī)300M鋼起落架，疲勞壽命已經(jīng)超過(guò)6000小時(shí)，高于美國(guó)F15、F16戰(zhàn)機(jī)起落架 5000飛行小時(shí)的世界最高壽命記錄，已經(jīng)在多種飛機(jī)上裝備使用，1991年服役至今無(wú)一故障。采用這一技術(shù)制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承滾珠，可以實(shí)現(xiàn)接觸疲勞壽命400萬(wàn)小時(shí)，超過(guò)世界領(lǐng)先水平的同類軸承滾珠一個(gè)數(shù)量級(jí)也就是10倍。
如果將成形制造的產(chǎn)品壽命定義為1，那么表面完整性制造可以達(dá)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(shí)現(xiàn)極限壽命、極限可靠性、極限減重。此項(xiàng)技術(shù)不僅可以用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承上，也適用于幾乎所有機(jī)械制造領(lǐng)域，是一項(xiàng)提高中國(guó)機(jī)械制造業(yè)整體水平的戰(zhàn)略技術(shù)。這項(xiàng)世界領(lǐng)先水平的技術(shù)成果將讓中國(guó)制造的機(jī)械產(chǎn)品和裝備比西方發(fā)達(dá)國(guó)家制造的壽命更長(zhǎng)，可靠性更高，助力中國(guó)機(jī)械制造行業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)際先進(jìn)水平的超越。
綜上所述，近些年來(lái)我國(guó)在軸承制造技術(shù)上取得了巨大進(jìn)步。航空發(fā)動(dòng)機(jī)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，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承技術(shù)一定會(huì)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，推動(dòng)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體水平再上臺(tái)階。