國際業務RR公司航空發動機機匣零件銑外形技術研究

馮湛

摘要：近年來，隨著航空發動機的性能及設計結構在不斷改進、不斷提高，發動機上機匣類零件的材料、結構也發生了很大的變化，越來越多的難加工材料和復合材料被采用，機匣設計結構也越來越先進、精巧，零件的結構相應的變得復雜。因此，機匣件的制造難度越來越大，這就要求制造機匣零件的工藝方法也需不斷改進，傳統的機械制造方法已經難以滿足要求。現在，越來越多的先進制造技術用在了機匣件的制造上。本文主要針對國際業務產品中的RR公司高溫合金類機匣的銑外形工序進行的專業研究，目標是使機匣零件在加工當中滿足加工效率高，尺寸特性質量穩定可控、減小變形因素影響形位公差特性、減少刀具損耗提高經濟性等等。

關鍵詞：機匣零件、減震工裝、刀具軌跡、陶瓷刀具

0 引言

當今世界發達國家的航空制造技術水平一直處于國際領先地位，轉包業務作為公司對外合作的窗口，成為向國外企業學習航空制造技術的有效途徑之一。羅爾斯·羅伊斯（簡稱“羅羅公司”）是全球領先的動力系統公司，與GE公司一起被稱為發動機雙雄。羅羅公司是歐洲最大的航空發動機公司，也是世界三大航空發動機公司之一。該公司為陸地、海洋和空中提供各種動力裝置，其核心燃氣渦輪技術在世界上創立了最廣泛的航空發動機產品系列。目前羅羅公司在全球擁有600多家航空公司、4000家公務機、通用飛機和直升機用戶以及2000多家船舶用戶，目前有55000臺發動機在世界150多個國家的500多家航空公司、2400家公務用戶、160多家武裝部隊的固定翼和旋翼飛機上服役。羅羅公司在中國開展業務已經歷時40余載，中國是該公司的航空、船舶和能源產品的重要市場，也是～個重要性不斷提高的制造伙伴。我公司與羅羅公司的合作始于2000年，在合作初期，我公司承接的零件大部分是一些比較簡單的環形件。通過近幾年的業務往來，我公司與羅羅公司逐步建立了良好的合作伙伴關系。長期以來，由于國航空發動機機匣變形控制工藝研究外航空企業對中國的航空制造技術保密，在轉包合作過程中，一直沒能涉獵作為航空發動機核心零件的機匣件、盤類零件等的加工，隨著與羅羅公司合作的漸入佳境，我們終于贏得了該公司高壓壓氣機機匣零件的加工訂單。作為與國外先進航空發動機制造企業合作的轉折點，與RR公司機匣零件的合作有著不同凡響的重要意義。

1 機匣零件的加工變形機理

1.1材料力學性能和加工工藝性與變形的關系

變形：作用力引起的結構或構件中各點間的相對位移。變形分為彈性變形和塑性變形。

彈性變形…… 載荷撤除后，可完全恢復的變形。

塑性變形一……載荷撤除后，不可恢復的變形。

在實際的零件加工過程中，以上兩種變形均存在并對零件的最終尺寸形成起到一定的作用。

1.2機械加工產生的內應力

構件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響，當這些因素消失之后，若構件所受到的上述作用于影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構件內，則這種殘留的作用與影響稱為錢留應力或殘余應力。

殘余應力是當物體沒有外部因素作用時，在物體內部保持甲衡而存在的應力。

凡是沒有外部作用，物體內部保持自相甲衡的應力，稱為物體的同有應力，或稱為初應力，亦稱為山心力。

殘余應力是一種固有應力。

殘余應力的存在狀態時隨材料性能、產生條件等的不同而異，分類的方法也不一致。若按殘余應力作用的范圍來分，則可分為宏觀殘余虛力與微觀殘余應力等兩人類。

宏觀殘余應力又稱第一殘余應力，它是在宏觀范圍內分布的.它的大小、方向和性質等可用通常的物理的或機械的方法進行測量。

微觀殘余應力：微觀殘余應力屬于顯微事業范圍內的應力。依其作用的范圍，又可細分為兩類：即微觀結構應力，或稱第二類殘余應力，它是在晶粒范圍內分巾的；晶內亞結構應力，又稱為第三類殘余應力，它是在個晶粒內部作用的。

2 機匣零件的工藝性分析

2.1零件結構分析

機匣零件最大外圓直徑為700mm，零件總高度為280mm，零件壁厚最薄處為3.5mm。零件外圍有大小島嶼特征近20處，島嶼表面分布各種孔探儀孔和固定用螺紋孔。零件內分布三層花邊，五處T形槽。

2.2零件材料特點

零件材料為MSRR7209（相當于Inconel 718），屬于高溫合金，毛料供應狀態為固熔狀態，成品零件為固溶時效狀態。

Inconel718鎳基合金是典型的難加工材料，具有較高的高溫強度、動態剪切強度，熱擴散系數較小，切削時易產生加工硬化，這將導致刀具切削區溫度高、磨損速度加快。高溫合金屬于高硬度、高強度、耐腐蝕、耐高溫的材料，其加工性能如下：（1）刀具磨損劇烈，在高的切削溫度下，刀具將產生嚴重的擴散磨損和氧化磨損。（2）加工硬化現象十分嚴重，已加工表面硬化后，切削更加困難.（3）切屑硬而韌，不易折斷，造成切削過程中切屑處理困難。（4）由于材料硬度高、強度高，即使在較高的溫度內，仍能保持相當高的硬度和強度，因此切削力非常大，切削力約為一般鋼材的2～3倍。（5）導熱系數低，導熱性很差，切削熱集中在刀尖附近，不易散出，使切削溫度高。（6）高溫合金中金屬間化合物Y相的含量越多，高溫合金的切削加工性越差。

3 零件的工藝方法

3.1減震工裝的使用

由于零件屬于薄壁透平機械加工，在機械加工過程中零件的結構剛性處于較弱的水平。這一結構使得零件在切削過程中會由于刀具的沖擊力而產生振動，這種振動會直接影響刀具的使用壽命和切削質量，也會使刀具的切削參數大大降低。為了減少、消除這一不利因素，RR機匣工藝采用了先進減震工裝。原理如下：

如圖2所示，零件的輔助減震支撐在零件內表面S，正對零件外表面銑加工部位。使刀具切削受力部位與零件內部支撐部位相對應，從而產生輔助漲力來抵消掉刀具在外部產生的震動沖擊。銑外形工序的工裝圖如下圖所示：

圖中所示的漲緊機構在使用過程中，具有操作方便、支撐部位準確、受力均勻、彈性收緊、壓緊防護細致周到、角向定位精確裝夾快速，以及便于維護等諸多優點。它的使用使得零件的震動因素基本消除，使薄壁透平機械加工轉化為常規強剛性結構加工。徹底規避了航空產品零組件因為薄壁結構帶來的易變形、刀具受力環境差、加工效率低下等缺點。在加工過程中刀具的加工參數取得了質的飛躍，線切削速度平均提高到原有的2倍以上，加工進給率提升2倍以上。

同時為了得到較高的批量生產能力，夾具的高效精密定位也是必不可少的。在上圖所示右側是夾具的精密徑向定位銷（如下圖），在每次更換零件的過程中需要對零件進行角向定位校準。在夾具角向位置已經確定的基礎上，零件以自身的徑向孔與夾具徑向定位銷精密配合的方式實現了零件的角向精密定位。將零件的裝夾時間節約了近3個小時，在批生產首件結束后每個零件的裝夾時間只需要30分鐘。

3.2高效率切削刀具及走刀方法的使用

3.2.1陶瓷刀具在粗銑工步的應用：

陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。目前已發展的陶瓷刀具主要是氧化鋁基和氮化硅基兩大系列，有40多個品種，200多個牌號。陶瓷刀具具有很高的硬度，可達93"-'95HRC，具有很好的耐磨性，高溫性能好，在1200℃高溫下仍能進行切削，具有良好的抗粘結性能，化學穩定性好，摩擦系數低于硬質合金。陶瓷刀具適于加工高硬度材料，陶瓷刀具主要缺點是強度和斷裂韌性較低，脆性較大，導熱性差，抗熱震性不高。

在傳統軍品零件的加工過程中，對于高溫合金類零件仍然采用硬質合金材質的刀具進行粗銑毛坯大余量，刀具切削線速度只能達到70-90m/min。在采用陶瓷刀具加工后，切削線速度可達到650m/min以上，加工效率提高了接近8倍。同時刀具的切削深度可達到3.5mm，可實現100%刀具寬度的加工。

3.2.2重載荷刀具的應用

該類型刀具可以將普通硬質合金銑刀的每齒進給量由通常的0.05mm-0.18mm，提高到0.5mm-0.9mm。使進給率在線切削速度不變的情況下提高近5-10倍。

3.2.3偏半徑加工方式的采用

偏半徑加工機匣外壁，提高機匣表面的尺寸精度。這種方法改變了傳統偏置刀具半徑使用刀具外側刀刃加工的方法。但卻保留了避免機匣表面因刀具中心切削線速度低而導致的“讓刀”現象的優點。如圖將刀具向右方向偏移5mm：

刀具中心部位切削線速度趨近于0；將刀具的有效切削點偏移到旋轉中心以外改變了刀具的實際切削部位，規避刀具中心刃的不合理切削使得刀具的使用壽命進一步增加。零件的切削質量進一步提高，有利于表面光潔度的完整性。這種方式既保證了刀路軌跡大為縮短，有保證了機匣表面的平整無接刀臺階出現。刀具始終保持端面以平面的方式切削機匣表面，得到完全平整的表面。

3.2.4切向進刀切入加工

刀具在機匣外表面采用零件周向銑加工即“車銑”方式的時候，刀具在零件表面沿周向環繞。這時在刀具的初始進刀方向上采用和刀具周向運動圓弧軌跡相切的方式開始切削加工，

刀具始終保持受力方向不變，不會產生因為方向突變導致的瞬間受力變化。這對刀具的加工平穩性有很大好處，避免了因為數控編程加工軌跡出現的折線、拐角所產生的進給矢量的非連續變化。刀具始終處于平穩的受力狀態，有利于增加刀具的使用壽命和零件加工表面質量。

4 結果

該產品銑外形工序目前已由傳統的45小時的加工周期將為18小時。加工質量穩定，關重特性尺寸cpk評價已達到了1.3。加上其余部分工序如N210鉆孔銑小端槽、N220鉆孔銑大端內部花邊已達到了部分無人干預加工狀態，年產量在300件左右，成為了分廠主要創匯產品。

機匣零件的加工變形、效率問題一直是當前機匣加工領域的一個重要研究方向，是現代制造技術研究中不可或缺的重要內容，代表著制造業的發展趨勢和方向。本文以機匣零件為研究對象，通過對零件的加工方法、加工刀具的選擇、數控加工走刀路線設計及降低零件加工震動因素等方面的分析，總結如下：

通過采用先進的工裝消除結構性不足帶來的負面影響，采用新型高效率切削刀具和科學的走刀路線增加加工效率，增加刀具的使用效率和壽命。從而提高了零件加工效率與質量，降低了刀具的使用成本。這一成果值得在廣大的航空發動機機匣類零件工藝制造的過程中予以推廣，可以使我們現有的制造水準達到國際先進水平。