高壓壓氣機對開機匣組件的加工效率分析

臧笑宇 劉志超 畢富強 楊琢

摘 要：高壓壓氣機對開機匣是航空發動機的關鍵零件，由于結構復雜、精度要求高，車銑加工和精密孔加工工藝過程穿插進行，加工成本較高。本文主要從設計工藝性、切削負荷均衡化、使用復合刀具簡化加工步驟和通過優化切削參數提高材料去除率并延長刀具壽命方面討論加工效率的提高。

關鍵詞：加工效率；工藝性；切削負荷；復合刀具；材料去除率；刀具壽命

中圖分類號：V23 文獻標識碼：A

1引言

高壓壓氣機對開機匣是航空發動機上最復雜的零件之一，國際現役機型大多采用不銹鋼或鈦合金材料，零件兩對半間縱向安裝邊，兩半之間用對稱分布于縱向安裝邊上的精密孔及精密螺栓定位連接；零件前后端有安裝邊，用于與前后級機匣連接，零件內部有流道面和用于安裝導向葉片的環形槽，有些機型對開級匣組件在零件后端整合了中介機匣，沿機匣前后方向分布多級可調葉片安裝孔，每組孔內部有锪平并在锪平后沿加工出用于容納可調葉片在一定角度內旋轉時保持葉尖間隙的形狀，典型的對開級匣結構如圖1所示。

在對當前國際上多個較新機型同類件的設計和加工交叉比較過程中找出了國產機型成倍降低航空發動機的同類零件加工成本的改進途徑，主要包括如下要點：改進工藝性、優化走刀方式、使用復合刀具、優化切削參數以及依靠機床精度。

2 零件加工過程改進要點介紹

2.1改進工藝性

主要包括如下內容：

（1）前后安裝邊采用止口定位加一個腰型孔定角向，放棄國內采用過多精密孔嚴重的過定位。

（2）縱向安裝邊孔放棄單件分別鏜孔導致的過定位問題，采用組合鉸并減少精密螺栓的使用數量。

（3）靜葉安裝孔內的襯套允許選配，分組后孔徑公差放開一倍，靜葉安裝孔深度也采用墊片選配放開公差。

（4）機匣外表面的形狀要求按照走刀及殘留要求，避免無用的清根。

（5）靜葉安裝孔的方向或是說沿軸向角度，修改為垂直于軸線。

（6）采用自動設備進行鉗修工作，如震動光飾加濕玻璃丸。

2.2將切削負荷均衡化

針對粗銑大余量，優化走刀路線使刀具在更長時間內發揮出實際性能：一，減少拐角降速或在數控程序內添加加減速指令，僅采用軟件添加等去除率優化而調解進給率的方法由于過多的非幾何學的因素的影響導致效果十分有限，因而這種方法需求人為對程序進行大量的實驗和調整，常用于半精加工和精加工。減少拐角降速法是指通過調整加工順序，將清根程序提前，去余量程序改成沿周邊最大切寬狀態進行，使拐角處不需要進行大幅度減低進給，應用小主偏角的快進給刀具或大尺寸圓刀片，應用較小切深時，切削力偏向刀具軸向，加工震動問題得以解決，因而可以進一步提高切削速度。二，減少切入和切出和大量應用往復坡走和連續螺旋進刀方法，這樣在只能應用較低坡度條件下可以進行更大深度位置的進刀，有些情況還可以代替鉆頭工作，避免銑刀由于刀具中心位置線速度過低導致的異常損傷；減少切入和切出的過程與減少拐角方式的實現方法類似，常用最大切寬沿周邊方法代替沿同一方向或往復加工方法。沿用一方向每行都需要一次切入切出，空走刀過程造成加工時間的浪費，往復加工每次轉向相當于一次切入拐角，且順逆銑交替進行，加工超級耐熱合金類材料不適用，沿周邊方法除了第一次切入以外，其余過程不需降速，且逆銑的過程僅僅出現在切入過程，試驗表明加工效率同刀具耐用度與其它方法相差近一倍。

2.3使用復合刀具進行孔加工合并加工步驟

以對開機匣上常見的靜子葉片安裝孔加工常用鉆、擴、鏜、鉸和倒角方法，通常需要5把刀具，應用復合刀具使除鉸孔外全部使用復合刀具一次完成。減少加工時間一倍以上。

2.3通過加工參數來提高材料去除率和延長刀具壽命

引起合金涂層刀具上硬質耐磨類涂層損傷、異常磨損或失效常見原因包括毛刺、切削刃溫度、涂層所承受的拉應力。

切削區域材料塑性變形過大使得待加工表面出現的毛刺會引起刀具溝槽磨損，之后形成其他破損形式，通過調整切削時刀具實際主偏角減少毛刺形成或分散磨損位置可減少溝槽磨損。

切削刃溫度與切削參數有關實際上切屑厚度，切屑寬度和冷卻時間更直接與切削刃溫度相關。切屑厚度和切屑寬度是由進給值、刀具幾何形狀、切深決定的；冷卻時間同切寬有關；涂層所受到的拉應力一方面同切入和切出位置相關，一方面與加工震動有關，逆銑的切出和切寬接近刀具半徑的切入是會引起瞬時拉應力，加工震動也也引起交變的拉應力。

在避免上述問題的的狀況下討論材料去除率和刀具壽命才有意義，加工對開機匣由于刀具形狀和受力方向因素影響，切削三要素的選擇還要根據具體情況，原則上是加大切深，其次加大進給，最后加大線速度。

3 加工較精密特性時誤差的降低方法

現代數控加工中心一般定位精度12um，重復定位6um，較高精度的鏜床則精度更高，但對于某些尺寸較大，高度較高的零件加工，往往由于其動作行程較大或差補過程計算的舍入等因素導致精度損失，提高加工精度有如下經驗：第一，為了減少計算舍入，盡量使零件同工作臺回轉中心保持同軸；第二，盡量在零件上被加工特性相同高度下建立工件坐標系，因為長期使用的機床幾何精度也將影響零件加工結果；第三，對于很多擺動結構主軸的加工中心而言，為了達到更大的整體剛度，采用了一個沿45°方向回轉的主軸擺動結構，主軸旋轉角度同刀軸斜度為A=arc cos（2cos a -1）關系，會轉軸計算更加復雜因而需要將機床工作臺回轉中心的X、Y、Z、擺動頭的擺長、擺長差等參數定期校準。

參考文獻

[1]王運巧，梅中義，范玉青.航空薄壁結構件數控加工變形控制研究[J].現代制造工程，2005.

[2]陳本柱.航空發動機冷加工工藝的現狀與發展[J].航空工藝技術，1995（02）.