航空發動機典型產品燃燒室機匣加工工藝分析和技術應用

張衛青

摘 要：本文從某型航空發動機燃燒室機匣的工藝特點出發，結合企業能力現狀，對燃燒室機匣的加工工藝進行分析，并在應用過程中結合數控加工裝備、三維CAD/CAM軟件應用技術進行試驗，取得一定的經驗和效果。分享此類型薄壁燃燒室機匣的開發研制過程中可供借鑒的工藝方法和應用技術。

一、前言

航空發動機機匣是發動機中的殼體、框架類靜子部件，是發動機的重要承力部件。主要作用是承載發動機零組件重量、承受軸向和徑向力，構成氣流通道，包容氣流、發動機轉子，防止轉子葉片斷裂飛出，起到連接、支承、包容等作用。本文論述的燃燒室機匣是某型航空發動機熱端的重要功能部件，屬于典型的的薄壁環形件（見圖一），其大端直徑約Φ600mm、小端直徑約Φ420mm、總高度約290mm、壁厚4.5mm。工件材料選用13Cr11Ni2W2MoV馬氏體不銹鋼，硬度HB311～388，熱導率與鎳基高溫合金接近，切削加工時蓄熱、應力集中使得塑性變形大，難以加工。

該型號發動機屬急需升級換代產品，已經獲得國家正式立項和充分的資金支持，前期試制/小批產品性能已經獲得用戶方的充分肯定，需求極為迫切。此次為小批轉大批生產前的改進試驗項目，目的是充分驗證該類型產品為滿足大批量生產所需的工藝調整和技術應用，打通批產的瓶頸，為向用戶迅速提供高質量、高性能產品奠定技術基礎。

二、工藝性分析

燃燒室機匣殼體薄壁，零件剛性弱，加工過程中易產生振動，加工中易產生變形。設計基準的形狀公差小，主要表面之間相互位置要求的項目多，且位置公差小。要同時保證這些高精度要求，加工難度很大，完整的工藝分析主要內容需緊扣如下圖表所示，本文篇幅有限主要圍繞機加工藝展開。

1、工藝方案確定：

前后安裝邊和筒體內壁壁采用車削加工，機匣的半精車和精車采用數控車削工藝。

安裝邊上的精密定位孔位置精度要求高，需要采用坐標鏜孔加工工藝。

機匣外壁的安裝座輪廓型面和安裝邊上的沉頭孔選用數控鉆、鉸孔和數控銑加工工藝。

2、前期試制總結

該工件在前期的試制、小批生產中，分別嘗試了整體鍛件式結構和鈑金焊接式結構，目的在于試驗產品性能、計算加工周期和設備資源占用率，以及批量化生產的各項成本。總結兩種結構的加工工藝和優缺點：

2.1、整體鍛件式結構的加工工藝，鍛件毛坯重量約400kg，工件最終重量約24kg，材料金屬去除率～94%；鍛件毛坯最大厚度≥180mm，在毛坯階段淬火工藝成本較大，故選擇在粗加工結束后安排熱處理達到硬度指標并去除加工內應力；加工全程采用數控立式車床和多軸臥式鏜銑加工中心，配合使用陶瓷和硬質合金刀具：粗加工階段采用晶須陶瓷車刀片，快速去除大余量后，隨即進行熱處理（1000～1020℃油淬+540～560℃回火），精加工采用Φ12R3牛鼻刀銑削+Φ6球刀精修表面。

優點主要有：工件表面粗糙度和完整性好、尺寸精度高，各項機械性能全部達標；設計基準/加工基準/檢測基準一致，所用加工程序在vericut仿真環境下進行模擬，工件一次性完成加工并交付；與上級組件適裝性好，試車結果好。

缺點主要有：金屬利用率低，～94%的金屬去除率，材料成本高；加工成本高，機床成本約12萬元/工件、刀具成本約8000元/工件；CAM編程難度相對較大；機床占用率高，實際加工時間共計：數控立式車床160小時、鏜銑加工中心200小時，按照機床6000小時/年（工作日250日/年、24小時/日）使用率計算，1臺車床年加工能力約38件、1臺鏜銑加工中心年加工能力約30件，需要3～4臺套車床+鏜銑加工中心才能滿足批產需求。粗略計算單件生產成本超過20萬元（不含人工成本）。

2.2、鈑金焊接式結構的加工工藝，鍛件毛坯重量約200kg+板料毛坯重量約8kg，工件最終重量約24kg，金屬去除率～88%；選擇在組合焊接結束后安排熱處理（680～700℃回火）去除焊接應力；加工過程中鈑金筒體和7種安裝座等子零件采用多臺普通設備加工、組合件精加工采用數控立式車床和多軸臥式鏜銑加工中心，配合使用硬質合金刀具。

優點主要有：成本優勢明顯，單件生產成本不到10萬元（不含人工成本）；子零件采用多臺設備協作生產、組件裝配焊接，精加工階段高級數控機床占用率得以明顯控制，實際加工時間共計：數控立式車床60小時、鏜銑加工中心20小時，按照機床6000小時/年（工作日250日/年、24小時/日）使用率計算，1臺車床年加工能力約100件、1臺鏜銑加工中心年加工能力約300件；刀具成本約1200元/工件。

缺點主要有：工件表面粗糙度和完整性不如機加工藝、尺寸精度相對較差、設計基準/加工基準/檢測基準存在尺寸鏈換算；焊接工藝要求高，馬氏體型熱強不銹鋼的焊接性能較差，極易產生微裂紋、連續性氣孔/夾渣等缺陷，且焊接后必須在12小時內進行熱處理以消除應力對焊縫缺陷的放大作用；人工鉗修、校型工作量較大；由于變形等原因，與上級組件須配裝，試車結果不如整體鍛件。

綜合以上兩種結構的優缺點，經過與設計單位的密切溝通和協作。明確該型號航空發動機以性能為目標，成本因素為輔。確定選擇整體鍛件式結構作為主方向，在保證質量的前提下盡可能的提高加工效率、縮短生產周期。

三、數控加工裝備的選擇

現代智能化數控機床通過智能傳感器采集加工過程中產生的振動、運動部件熱變形等與加工相關的數據信息，并通過設定參數集與程序去補償和優化機床動態加工性能，以提高加工精度、表面質量和加工效率。目前，公司內很多機床在數控系統中集成了OMATIVE、機內對刀儀等自適應控制系統軟硬件，可通過機床主軸監控及刀具監控（破損檢測、磨損檢測等）實現刀具、機床的過載保護，而且可通過加工過程中采集的數據進行實時切削進給速度調控，從而實現負載穩定的高效加工。

本產品選定使用加裝了OMATIVE、機內對刀儀等自適應控制系統軟硬件的國產四軸臥式鏜銑加工中心為精加工階段主要關鍵設備。在實踐當中順利實現自動換刀、自適應補償和24小時無人值守加工。實際加工周期有所縮減，實現在現有基礎上減少10～15%的目標，并且仍有改進的空間。

四、數控加工刀具技術的應用

刀具技術是數控加工的關鍵技術之一，也是限制難加工材料加工效率的一個技術瓶頸。隨著刀具技術的進步，刀具材料和刀具結構不斷改進，刀具種類越來越多，如何合理選擇刀具及切削參數是提高數控加工效率的核心所在。高速加工技術中，超硬材料刀具是實現高速加工的前提和先決條件，具備高速銑削加工能力的加工中心則是實現高速加工的關鍵設備。目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經高速鋼、硬質合金鋼、陶瓷材料，發展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦隨著刀具材料創新而從以前的12m/min提高到1000m/min以上。針對本產品使用的13Cr11Ni2W2MoV馬氏體型熱強不銹鋼材料，經查詢《中國航空材料手冊》可知，“13Cr11Ni2W2MoV（舊國標牌號：1Cr11Ni2W2MoV）是馬氏體型熱強不銹鋼，其室溫拉伸強度、持久強度極限及蠕變極限均較高，并有良好的韌性和抗氧化性能，在淡水和濕空氣中有較好的耐蝕性?！阌残院痛阃感暂^好，厚度在200mm以下的零件易于淬透?！m用于制造在550℃以下及高濕條件下工作的承力件?！?以上內容為該材料在公開發行資料、檔案中的理論性能基本概述。

由于該材料的切削加工性較差（其相對切削性mc在0.20一0.22之間），加工過程中冷卻硬化嚴重，高溫強度高，刀具磨損劇烈；粘刀現象較突出，容易產生積屑瘤，加工表面粗糙度增大；切屑不易卷曲和折斷，排屑不利，易擠傷已加工表面或崩刀；導熱系數小，導熱性差，切削熱不能及時傳出，刀具容易產生過熱現象，失去切削性能；線膨脹系數較大，在切削熱作用下，容易產生熱變形。采用傳統加工方式時切削線速度一般不超過30m/min，粗加工金屬切除率一般不超過40cm3/min，精加工金屬切除率不超過10cm3/min。受限于現有條件，粗加工采用了可轉位玉米銑刀大切深、小進給的強力切削；精加工采用PVD涂層硬質合金刀具進行小切寬、小切深的中等進給速度銑削，使精加工時間相比縮短20%以上。

五、工裝技術的發展

目前，不銹鋼、高溫合金、鈦合金等材料難加工、薄壁類零組件主要采用柔性材料減震、壓板壓緊。而部分先進企業已大量使用帶氣動、液壓及控制系統的自動夾具，通過采用數控多點自動調節、真空吸附或機械夾頭的柔性夾具，可實現對不同形狀的各種復雜結構工件在機床上的柔性、快速定位和裝夾，已成為數控工裝設計制造的發展方向，是提高數控加工效率的另一關鍵技術。這項技術在加工薄壁結構件、大型復材結構件及蒙皮類零件時的優勢尤為明顯。綜合質量、效率和成本等因素。

六、工藝設計、三維CAM編程及仿真技術

工藝編程人員充分利用現有各種工藝資源進行零件工藝及數控程序編制的全過程即為數控工藝設計，它直接影響零件生產計劃及現場加工的質量，是整個數控生產重要的環節。航空制造業所面臨的通常都是多品種、小批量的生產任務，新機研制任務繁重，數控工藝設計已成為制約數控生產新的“瓶頸”。目前航空制造企業普遍使用UG NX或CATIA進行三維CAM編程；在車間數字化協同平臺下，實現在工藝設計過程中機床系統信息（如精度設置、高級指令、刀具壽命管理等）集成，在CNC端實現在線仿真和工件的在線檢測，并將信息反饋回CAM系統。該項目的實施不僅促成工藝設計與實際加工信息的集成，同時也將大幅提升NC程序編制的效率和質量。本處采用UG NX進行三維CAM編程，

數控加工過程的仿真是虛擬制造技術的核心技術之一，主要分為幾何仿真和物理仿真。幾何仿真的作用主要是檢查數控程序刀具軌跡的正確性和幾何干涉碰撞問題。物理仿真則是對加工過程中可能出現的各類型物理現象的總結歸納，實現更精確的仿真進而獲得突破。

綜上所述，本文從某型航空發動機燃燒室機匣的工藝特點出發，結合企業能力現狀，對燃燒室機匣的加工工藝進行分析，并在應用過程中結合數控加工裝備、三維CAD/CAM軟件應用技術進行試驗，取得一定的經驗和效果。分享此類型薄壁燃燒室機匣的開發研制過程中可供借鑒的工藝方法和應用技術。