航空發(fā)動機機匣加工工藝研討

沈陽機床(集團)有限責(zé)任公司 徐吉存

航空發(fā)動機機匣加工具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工藝性差、精度要求高、加工余量大、剛性差等特點，在其加工過程中易產(chǎn)生加工變形。通過研究航空發(fā)動機機匣的加工機床、刀具應(yīng)用等加工工藝，分析機匣加工變形的原因，結(jié)合航空發(fā)動機機匣毛坯特點及加工工藝方法，提出的加工變形控制的措施，對薄壁類機匣的加工有一定的指導(dǎo)作用。

航空航天技術(shù)發(fā)展日新月異，航空發(fā)動機技術(shù)首當(dāng)其沖，作為航空發(fā)動機的核心關(guān)鍵部件的機匣，為了滿足其功能需求結(jié)構(gòu)變得越來越先進復(fù)雜，機匣類零件的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的也變得復(fù)雜，機匣設(shè)計結(jié)構(gòu)也越來越先進、精巧，單一機匣所具有的功能也越來越多，同時加工制造的難度也大大增加。機匣屬于薄壁圓盤型零件，控制加工變形顯得尤為關(guān)鍵，這就要求制造機匣零件的工藝方法不斷得到改進與提高。

一、機匣加工工藝

1．加工工藝特點及切削機床的選擇

（1）加工工藝特點

航空發(fā)動機機匣具有各種復(fù)雜形狀的凸臺和型腔等集合特征結(jié)構(gòu)，而且機匣在壁厚方面變化較大，對加工提出了很高要求。機匣加工表面主要分為內(nèi)、外兩部分，如圖1所示。由于其外部需要連接到許多如電氣、冷卻、油路及管路等附件系統(tǒng),導(dǎo)致其表面形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對機加要求比較高，尤其是對位置和尺寸精度要求較高；另外發(fā)動機機匣的內(nèi)部主要是承載其壓氣機的渦輪葉片，包括動、靜力葉片，這些都是其關(guān)鍵的動力輸出部分，所以也對制造精度要求較高。綜上所述，機匣制造加工工藝的難點主要體現(xiàn)在材料切除率高、薄壁易變形、材料難切削和對刀具切削性能要求高等多個方面。

（2）切削機床的選擇

按照常規(guī)加工工藝路線，發(fā)動機機匣內(nèi)腔表面及前后安裝邊需要數(shù)控車削加工，外腔型面及安裝座采用五軸聯(lián)動機床加工，傳統(tǒng)加工涉及到二次裝夾誤差，難以保證加工精度要求。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展提高，航空發(fā)動機機匣一般采用銑車復(fù)合加工方式，這樣可有效的避免二次裝夾帶來的找正誤差。機匣的加工裝卡位置如圖2所示。采用銑車復(fù)合技術(shù)，可以在一臺銑車復(fù)合加工中心上一次裝夾完成機匣的內(nèi)、外表面銑車加工，以及零件表面上孔加工。因此，針對發(fā)動機機匣整體薄壁環(huán)形結(jié)構(gòu)特點及其功能實現(xiàn)技術(shù)要求，特制定了以下銑車復(fù)合加工方案，使端面基準(zhǔn)、端面孔及止口表面通過一次裝夾在一臺機床上加工完成，從而提高加工效率，保證加工質(zhì)量。夾具設(shè)計時要考慮拆卸、定位和夾緊方便可靠，減少輔助時間，提高整體加工效率。

圖1 機匣內(nèi)、外壁

圖2 工件裝卡位置

2.刀具選擇

航空發(fā)動機機匣加工主要體現(xiàn)在高速、高效、高精等方面，刀具的合理選擇尤為關(guān)鍵。在選擇刀具時，首要考慮滿足加工精度，其次是可靠性及效率成本等因素。

（1）車刀的選擇

粗加工選擇頂角為80度菱形或四方雙面切削刀片，為了提高加工效率和節(jié)省成本，粗、半精和精加工可選擇同一把陶瓷車刀。

（2）銑刀的選擇

在粗加工銑削刀具的選擇時，應(yīng)在加工動作空間允許的情況下盡可能地選用大直徑刀具，從而保證一次銑削面積盡可能大，不用頻繁換刀，既可以提高金屬切除率，又可以提高加工效率。精加工時避免選用一把刀加工所有的部位，應(yīng)根據(jù)不同的部位和不同的區(qū)域選用不同的刀。為了保證零件的光潔度及加工質(zhì)量，精銑宜使用帶圓角的整體硬質(zhì)合金銑刀。

（3）鉆頭的選擇

依據(jù)孔徑大小及相應(yīng)精度要求不同選取鉆頭，直徑大的孔徑選用U鉆頭，精度要求不高的一般孔徑采用帶涂層的硬質(zhì)合金鉆頭，對于精度要求較高（7級精度以上）的孔采用鉆、擴、鉸來加工。為了提高加工效率和節(jié)省成本，10mm以上的鉸刀采用可換頭的形式。

3.工藝路線

按照上述的工藝編制方法與原則，將航空發(fā)動機機匣的工藝路線規(guī)劃如下如圖3所示：

圖3 機匣加工工藝路線

從工藝路線上來看，該零件的粗車前后端面及工藝定位孔加工用數(shù)控立車來加工實現(xiàn)，其它所有機加工序均在銑車復(fù)合加工中心上完成。

二、加工變形及其控制

1．加工變形影響因素

航空發(fā)動機機匣屬于典型的難加工材料制造的復(fù)雜薄壁零件，其加工變形問題主要集中在毛坯處理和加工工藝安排上。

（1）毛坯影響

機匣類零件現(xiàn)在大量采用鋁合金、鈦合金、耐高溫合金、高強度鋼等鑄件。航空發(fā)動機機匣毛坯屬于大尺寸、結(jié)構(gòu)型面復(fù)雜的精密鑄造件，受到國內(nèi)鑄造技術(shù)的限制難免會出現(xiàn)一些鑄造缺陷，如少肉缺肉現(xiàn)象及工藝鑄造基準(zhǔn)達不到要求等。由于工期緊，加工前及加工工序間的時效處理不充分也會給最終的加工精度造成很大危險。

（2）加工工藝影響

加工工藝的影響主要在于裝卡剛度、走刀路線的合理規(guī)劃及切削參數(shù)的選擇等方面。由于航空發(fā)動機機匣件屬于大型薄壁零件，在裝卡過程中通過增加輔助支撐來提高工件的裝卡剛度，另外通過模擬仿真軟件規(guī)劃走刀路線及工藝切削參數(shù)優(yōu)化。

2．加工變形的控制

加工變形的控制主要從以下幾個方面考慮：應(yīng)力釋放、合理裝夾及在線檢測控制等。

（1）應(yīng)力釋放

航空發(fā)動機機匣毛坯在加工前需要進行自然時效處理，通過合理安排加工工序使工件在加工過程中有應(yīng)力釋放過程。毛坯提前準(zhǔn)備時間宜在半年以上，至少是提前兩到三個月。另外合理分配粗、精加工余量，盡量減小精車的切削量，使切削應(yīng)力逐步均勻釋放，減小變形。

（2）合理裝夾定位

對機匣進行合理的裝夾，能夠有效的減小發(fā)動機機匣的加工變形。盡可能采用一次裝夾，進行機匣的完整加工。在機匣裝夾過程中宜采用輔助支撐或內(nèi)漲緊套的形式。定位方式采用一面兩銷，利用后端面的止口面作為加工定位面。

（3）工藝流程優(yōu)化及在線檢測控制

細化加工工藝流程，充分利用先面后孔、工序集中的工藝流程原則，優(yōu)化切削參數(shù)及走刀路線，合理分配粗精加工余量，充分釋放切削應(yīng)力。

由于錐體機匣外壁直徑尺寸和外壁安裝座表面距回轉(zhuǎn)中心距離尺寸的測量無法使用通用測具和專用測具實施手工測量。通常需要在全部尺寸加工結(jié)束后，從機床卸下，由三坐標(biāo)測量機測量上述尺寸，即離線檢測。當(dāng)檢測尺不合格需要返工時，只能在機床上重新裝夾、再次加工。二次裝夾在定位精度上引起的誤差，對零件返工合格率影響非常大。

為解決此類問題，可以在銑車復(fù)合加工中心上使用在線檢測功能，實現(xiàn)了環(huán)形機匣外壁直徑等尺寸的在線檢測及控制。并對加工尺寸給予補償和修正，能夠提高機匣一次加工合格率。

三、結(jié)論

本文通過研究航空發(fā)動機機匣的加工機床、刀具及加工工藝路線，分析了航空發(fā)動機機匣加工變形的影響因素及控制方法。綜上所述，通過航空發(fā)動機機匣加工工藝技術(shù)研究，能夠縮短機匣加工周期，減小加工變形，從而提高加工效率及加工精度，為機匣類零件的加工提供技術(shù)支持。 □