航空產品機械加工工藝優化方法探討

王巖巖 周 博

（沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽110850）

1 概述

航空航天業在各國發展戰略中均具有重要地位，其聯帶效應強，能體現國家的綜合國力，引領國家科技發展。我國在航空航天領域一直處于領先地位，國家積極推動航空航天事業發展，為建設航空強國而奮斗。航空航天領域面臨的一大難題就是航空制造業的加工制造水平無法滿足設計要求，目前加工工藝精細度不足，生產效率低，制造成本高，航空發動機使用壽命和航空整體結構件的結構剛性都難以滿足設計要求。航空領域需要進一步研發并革新機械加工工藝，提高零部件的精細度，延長使用壽命，使航空產品的質量能夠滿足使用要求。

2 航空發動機加工工藝優化

2.1 航空發動機加工工藝現狀

發動機是航空飛行器的主要零部件，是飛行器完成飛行任務的動力來源，因此發動機制造在航空飛行器制造中具有重要地位。為確保整個加工制作流程順暢，要求有專門的工藝路線，操作人員應該熟悉加工工序圖，在加工工作開始前，準備好相應的工裝工具。但在我國航空發動機的實際生產中，由于從最開始就缺少完善的加工工藝規范程序，所以加工工作過程中無法對操作人員、工具工裝、加工設備進行標準化規范，導致工藝精度不足甚至會浪費加工材料，生產效率低，制作成本也增加。

發動機機匣的加工是發動機制造的重要環節。發動機機匣常處于極端溫度、高壓等惡劣的工作環境中，其使用壽命是決定發動機使用壽命的一大因素。機匣材料一般會選取耐受性較強的各類合金材料以延長壽命，同時加工工藝也對機匣的壽命有較大影響。首先是機匣構件表面的平整度。機匣中有許多軸承作為承力構件，在飛行器從對流層升至平流層的過程中發生顛簸，機匣中的構件也發生碰撞和摩擦，如果構件接觸面不夠平整，就容易發生形變或因構件內部受力不穩定導致內部斷裂。其次機械加工過程的高溫可能會縮短構件壽命，如用電火花加工法加工鎖片槽，受到高溫加工的材料更易疲勞老化。

2.2 加工工藝優化方法

（1）規劃詳細、完善的工藝路線。發動機制造涉及許多構件，每一部分也會涉及多個工序，不同工序的加工方法、時間、設備、成本不同，同一工序也有不同的加工方法。詳細、完善的工藝路線會綜合考慮以上因素，對工藝步驟進行優化安排，并輔以準確、詳細的描述，以精確加工精度，提高質量，合理安排加工時間，縮短生產周期，降低加工成本。比如將精密度要求較高的工序放在靠后的順序進行加工，是防止后續加工步驟造成結構變化。另外還可以預留材料的加工余量，以便后續調整。

（2）優化加工工具。提高航空產品質量的一大限制就是加工設備本身的局限性，如軸承誤差、機床本身使用問題。航空產品相較普通產品，對加工工序的要求更高，也因此對加工工具和相關用品要求更高。可以通過對加工系統進行技術創新，以求獲得更精良的零件。如添加硫化添加劑改進金屬加工油，采用超硬度復合材料制作切削刀具等。除了技術層面問題需要進行研究革新外，對工具進行詳細的歸納管理，建立標準化體系，是投入成本低但短期內能有成效的方法。建立健全標準化體系，能在每個具體的加工項目開始前，根據詳細的工藝路線要求，選擇最合適的工具，避免因工具不適用而出現的浪費或精度不夠的現象。標準化的體系也能更好的規范加工過程，有利于加工制造業的長期規范發展。

（3）工藝規程標準化。由于航空產品的加工過程更為復雜，如果能對工藝方案進行完善，根據完善的工藝路線對工序順序、時間、人員調配等進行統一規劃，將工藝過程標準化，并歸納總結為工藝模板，整個加工工藝過程就有望能達到事半功倍的效果，且制作難度也有所降低。

（4）機匣構件的加工工藝優化。為了保證構件表面平整性，防止加工導致的形狀偏差，需要對加工精度進行更好地控制。首先需要對構件進行基準矯正，精度要求高且涉及復雜的加工時最好使用數控機床進行反復矯正，細化基準線。組裝要嚴密，以免發生脫落。如果工件壓緊后仍無法達到基準，可以通過塞尺填補。另外，對于產生高溫的加工方法，為了減輕溫度對材料的老化速度的影響，一方面可以尋找替代方法完成同一工序，另一方面可以通過動態控溫，保持安全范圍。在鉆孔加工中常因碎屑進入空腔導致構件發生誤差，影響后續組裝、加工，目前的改進方法是石蠟封堵，但由于鉆孔加工摩擦生熱，時間一長，石蠟就會有熔化導致碎屑進入，還需要進一步進行工藝優化。

3 航空整體結構件加工工藝優化

3.1 航空整體結構件加工工藝現狀

航空產品逐漸走向精密可靠、經濟環保的發展方向，而要滿足用戶對性能的要求，必須不斷提升所使用的航空材料的性能和制造技術。對于材料的研究相對已經足夠滿足要求，飛行器的重量不斷減輕，結構強度和損傷容限逐漸提高，耐腐蝕耐極端溫度等性能都有所提高，大大增長了各零部件和結構的使用壽命。先進的航空材料必然對應著高昂的成本，普通的切削加工精密度差，加工過程產生的熱量和應力容易引發結構變形，同時沒有完善、高效的成套加工技術，制造周期長。綜合來看，制造技術的局限影響了航空產品的產品質量、安全可靠性和經濟效益，也影響了進一步的創新研發。

目前，國內在實際生產整體結構件時，仍采用保守的加工參數，為保障加工質量，對效率要求降低，實際上沒能真正發揮數控加工設備的用途。另外國家投入制造技術研發不足，國內對切削加工的研究較少，缺少探究優化工藝參數的研究。雖然國內外研究者通過數值仿真技術對加工過程進行模擬，以進行加工過程中的變形研究和機理研究，但有限元模型的簡化對整體要求更高的航空工業來說誤差過大。需要建立更為精確的物理模型，更為系統全面的對航空整體結構的加工技術進行研究探討，給出科學可靠的指導。

3.2 切削加工過程的研究與工藝優化

切削加工時，由于系統動態剛性不足，會發生振動。而幾種誘因引發的振動中，因內部激發的相互作用而發生的振動（切削顫振現象）是優化切削加工工藝必須解決的一大難題。切削顫振因對制造生產過程產生的諸多不良影響，一直是研究熱點。這一現象不僅影響加工質量和精度，還會加速設備磨損，同時由于它對加工質量的影響，需要犧牲加工效率，才能獲得足以滿足要求的結構件，進一步增加成本。

要降低其影響，可以對加工系統（刀具、機床、夾具、被加工材料等）進行優化升級，但這一過程需要投入大量的時間、物力和人力才能獲得成效。因此從優化加工工藝的角度進行優化改進，是性價比最高、難度最低的方法。粗加工工序一般情況下被加工穩定性、機床和刀具使用壽命所束縛，為實現高效加工，需要有較高的材料去除率。而精加工則是受質量、精度要求限制，力求獲得更高的加工效率。近年來對加工技術的突破，就是提出了高效切削加工技術。該技術通過對動力學模型的研究，能在滿足精度要求的基礎上，實現當前機械加工系統約束下最大的生產效益，成本和質量兼顧，大大提高了生產率。

4 結論

航空制造業不斷追求提高航空產品質量和加工效率、降低生產成本，我國航空制造水平與國外仍相差較大，航空產品的質量不能滿足設計要求，整體效率較低，制約了航空工業的發展。通過優化加工系統、建立工藝規范、研發新技術等對航空產品機械加工工藝進行優化，能提高我國航空制造水平，促進我國航空航天技術的發展，在國際競爭中獲得優勢。