新一代航天發(fā)動機(jī)用齒輪箱的制造工藝技術(shù)研究

曲洪亮，蘇云玲，姚智奇，田 慧，王永飛

(北京動力機(jī)械研究所，北京 豐臺 100074)

齒輪箱是航天發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵傳動部件，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)動力輸出(輸入)端與起發(fā)電機(jī)、滑油泵、燃油泵及燃油調(diào)節(jié)器之間的扭矩傳輸。主要由齒輪箱箱體、零度弧旋錐齒輪、直齒輪、軸承座、磁力封嚴(yán)和軸承等組成。齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。齒輪箱組件具有結(jié)構(gòu)緊湊、裝配精度和可靠性要求高的特點(diǎn)[1]。

圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)動機(jī)起動階段，起發(fā)電機(jī)作為起動機(jī)工作，輸出扭矩并由高速齒輪箱將扭矩傳給發(fā)動機(jī)動力軸，最終帶動發(fā)動機(jī)高壓軸工作；發(fā)動機(jī)點(diǎn)火成功后，發(fā)動機(jī)動力軸將發(fā)動機(jī)高壓軸輸出的扭矩傳輸至齒輪箱，并最終驅(qū)動發(fā)電機(jī)、滑油泵、燃油泵、燃油調(diào)節(jié)器工作。

本文從齒輪箱箱體加工過程變形量的控制、軸承孔的精密加工技術(shù)、軸承孔孔徑的精確測量技術(shù)、雙頭螺柱高效裝配技術(shù)等多個方面對齒輪箱制造工藝技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 薄壁箱體加工過程變形量的控制

齒輪箱的主體即箱體零件的毛坯通過鋁合金精密鑄造成型，為整體壁厚3 mm的薄壁腔體。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛性較差，導(dǎo)致加工過程中容易出現(xiàn)因?yàn)檠b夾力、切削力等因素的影響導(dǎo)致的變形，進(jìn)而影響產(chǎn)品加工精度。本項(xiàng)目研究過程中針對零件變形量的控制技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究。

1.1 裝夾變形量的控制

要減少裝夾變形量對加工精度的影響，就要盡可能減少裝夾應(yīng)力對加工部位的影響。根據(jù)齒輪箱箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及加工特征在產(chǎn)品表面的分布，在鑄件研制過程中在其非加工表面設(shè)置了3處工藝夾臺，一方面通過保證3處工藝夾臺的位置精度將其作為后續(xù)所有尺寸的加工基準(zhǔn)；另一方面將其作為裝夾部位，通過將裝夾力100%作用在工藝臺上，并避免向箱體主體部位傳導(dǎo)，減少裝夾變形量及其對尺寸精度的影響[2-4]。工藝臺在齒輪箱箱體上的分布結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工藝夾臺的分布結(jié)構(gòu)示意圖

通過設(shè)計專用工裝，將裝夾部位設(shè)定在3個工藝夾臺部位，從而避免了裝夾力直接作用于工件表面而導(dǎo)致裝夾應(yīng)力變形。

1.2 切削變形量的控制

要減少切削變形量，就要科學(xué)匹配刀具與切削參數(shù)，在保證表面粗糙度的同時減小切削力。為了確認(rèn)適用的切削參數(shù)，筆者根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)選取了高速鋼材料的整體圓柱平底銑刀，通過切削試驗(yàn)并對切削過程中的變形量進(jìn)行實(shí)時檢測確認(rèn)不同切削參數(shù)對變形量的影響規(guī)律[5-8]。切削部位以及變形檢測部位如圖3所示。

圖3 切削部位及變形檢測部位示意圖

在切削試驗(yàn)過程中采用了正交法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、確認(rèn)。正交試驗(yàn)法如下。

1)試驗(yàn)指標(biāo)：變形量(檢測部位孔心位置坐標(biāo)偏移量)。

2)試驗(yàn)因素：選擇4個因素，分別是切削線速度Vc、主軸轉(zhuǎn)速S、進(jìn)給量F和切削深度ap。

3)試驗(yàn)水平：3個水平。通過分析并結(jié)合設(shè)備參數(shù)庫推薦，確定了3個水平的參數(shù)(見表1)。

表1 水平參數(shù)

4)試驗(yàn)記錄：按照正交法所列出的試驗(yàn)參數(shù)(見表2)進(jìn)行試切，在試切部位進(jìn)行切削，并通過機(jī)床測頭確定變形監(jiān)測部位孔的中心位置偏移情況作為變形量的指標(biāo)。在其他參數(shù)一定的情況下，記錄變形量和表面粗糙度。

表2 正交表格

5)結(jié)果分析：按照正交試驗(yàn)法的分析原則，對試驗(yàn)結(jié)果(見表3)進(jìn)行分析。

從分析結(jié)果來看，各因素對于變形量的影響程度依次為：進(jìn)給量F、切深ap、線速度Vc、主軸轉(zhuǎn)速S。各因素對于表面粗糙度的影響程度相當(dāng)。綜合考慮變形量和表面粗糙度2個因素，選取了如下值作為刀具的參數(shù)，即：A2、B2、C1、D1。

最終確定的φ12平底圓柱銑刀的切削參數(shù)見表4。按照切削參數(shù)進(jìn)行了試件的加工，加工過程穩(wěn)定，變形量滿足加工精度要求。經(jīng)檢測，試件的變形檢測部位變形量為0.002 mm，表面粗糙度為Ra0.8 μm。以同樣的方法對其他刀具進(jìn)行切削參數(shù)的確認(rèn)，并用確認(rèn)的參數(shù)完成了包括首件產(chǎn)品在內(nèi)的共計3件產(chǎn)品的加工。加工完成的產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

表3 試驗(yàn)結(jié)果記錄及分析

表4 刀具切削參數(shù)表

同時此加工方法涉及刀具切削參數(shù)的具體設(shè)置，不同材料、不同刀具類型、不同的切削方法、不同的刀具規(guī)格所采用的切削參數(shù)不同，所以對于不同的產(chǎn)品，均應(yīng)通過試切試驗(yàn)、精度檢測、表面質(zhì)量檢查等方法確定具體參數(shù)，從而保證所用刀具與切削參數(shù)的合理匹配，保證加工工藝方法滿足產(chǎn)品加工要求，加工完成的產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

2 軸承孔的精密加工技術(shù)

齒輪箱箱體軸承孔孔徑尺寸設(shè)計指標(biāo)要求較高，大部分孔徑尺寸公差帶約為±0.006，對孔徑尺寸加工工藝方法、加工設(shè)備精度、刀具性能及其切削參數(shù)等都有很高要求。

攻關(guān)過程中，對孔徑的加工分別采用了整體平底圓柱銑刀進(jìn)行螺旋銑削和采用精密鏜刀進(jìn)行鏜削2種方式進(jìn)行切削試驗(yàn)，并分別通過正交試驗(yàn)法確認(rèn)了2種刀具適用的切削參數(shù)，對2種刀具的切削效果進(jìn)行了對比。試驗(yàn)過程中，針對其中一個關(guān)鍵指標(biāo)，分別采用2種刀具，以中差尺寸進(jìn)行數(shù)控程序編制，每種刀具加工3次，加工完成的孔徑尺寸對比具體情況見表5。

表5 加工孔徑尺寸狀態(tài)對比表

由試驗(yàn)過程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用圓柱平底銑刀加工軸承孔孔徑時，孔徑尺寸偏小，且穩(wěn)定度偏低，表面粗糙度較差；采用精密鏜刀鏜削軸承孔孔徑時，孔徑尺寸接近程序設(shè)定值(尺寸中差)，且較穩(wěn)定，表面粗糙度較好。因此，確定通過精密鏜刀鏜削方式完成軸承孔的精密加工，并應(yīng)用在包括首件在內(nèi)的3件產(chǎn)品的加工中。加工完成的產(chǎn)品尺寸狀態(tài)滿足技術(shù)指標(biāo)要求，產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)穩(wěn)定。

3 軸承孔孔徑的精確測量技術(shù)

齒輪箱箱體軸承孔孔徑尺寸公差設(shè)計嚴(yán)格，普通量具測量精度無法滿足其測量要求。同時因?yàn)榧庸すに嚨囊螅枰獙讖竭M(jìn)行實(shí)時檢測和在線修正，從而進(jìn)一步保證加工的精度，所以要求測量方法既可以滿足測量精度要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時在線檢測[9-10]。在攻關(guān)過程中，根據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)，選擇了其中一個軸承孔的孔徑尺寸，采用3種測量方式進(jìn)行了測量，并對測量方法和測量結(jié)果進(jìn)行了對比，具體見表6。

表6 不同測量方式得到的測量結(jié)果對比表

對3種測量工具的精度偏差進(jìn)行對比：三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度≤0.003 mm，內(nèi)徑千分尺的測量精度≤±0.005，氣動量儀的測量精度≤±0.002 mm。從表6中數(shù)據(jù)可以看出，氣動量儀測得的數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測量機(jī)測得的數(shù)據(jù)接近，將三坐標(biāo)測量機(jī)測得的數(shù)據(jù)作為校正參考，氣動量儀測得的結(jié)果相對更準(zhǔn)確。同時因?yàn)槿鴺?biāo)測量機(jī)不適用于在線測量及尺寸自檢，故齒輪箱箱體的在線檢測和過程中的尺寸自檢選用氣動量儀進(jìn)行測量。

經(jīng)包括首件在內(nèi)的3件產(chǎn)品的裝機(jī)驗(yàn)證和地面試驗(yàn)考核，產(chǎn)品各項(xiàng)關(guān)重指標(biāo)均能滿足設(shè)計指標(biāo)要求，也進(jìn)一步證明氣動量儀對于軸承孔孔徑尺寸的檢測滿足產(chǎn)品的加工和檢測要求。

4 雙頭螺柱高效裝配技術(shù)

航空航天發(fā)動機(jī)的燃燒室、導(dǎo)向器、齒輪箱等核心部件常采用雙頭螺柱連接結(jié)構(gòu)，以提高連接可靠性。其裝配方式為通過施加一定壓力使雙頭螺柱的齒型圈嵌入基體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)雙頭螺柱的固定。雙頭螺柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

根據(jù)雙頭螺柱裝配工藝特點(diǎn)，首次設(shè)計了專用安裝工具。其工作原理如下：將雙頭螺柱的一端螺紋擰入待安裝工件后，在齒形圈上端面放置支撐壓環(huán)；旋壓螺母通過螺紋安裝在雙頭螺柱的另一端；在旋壓螺母上安裝扳動桿，并通過螺紋擰緊。沿雙頭螺柱擰緊的方向旋轉(zhuǎn)扳動桿，帶動旋壓螺母沿螺柱向下移動，并壓緊支撐壓環(huán)，連續(xù)旋轉(zhuǎn)扳動桿，直至將齒形圈壓入工件，實(shí)現(xiàn)齒形圈鎖緊型雙頭螺柱的輕便高效安裝。

圖4 航空航天發(fā)動機(jī)用齒形圈鎖緊型雙頭螺柱結(jié)構(gòu)示意圖

本雙頭螺柱裝配工裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由5部分組成，其中扳動桿通過與旋壓螺母連接并旋轉(zhuǎn)，帶動旋壓螺母沿雙頭螺柱軸向移動。支撐壓環(huán)在旋壓螺母和扳動桿的共同作用下對齒型圈施加軸向力，從而將齒型圈壓嵌入工件內(nèi)。

圖5 齒形圈鎖緊型雙頭螺柱高效安裝裝置結(jié)構(gòu)示意圖

使用上述工裝裝置，可100%完成燃燒室、齒輪箱、導(dǎo)向器等多種產(chǎn)品所用雙頭螺柱的高效安裝，同時避免裂紋、壓傷等手動安裝缺陷的產(chǎn)生，返修率<0.1%。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)通過在產(chǎn)品坯料適當(dāng)部位設(shè)置工藝夾臺并結(jié)合工裝的使用，可以實(shí)現(xiàn)裝夾及切削過程中的變形量控制。

2)通過使用模塊化精密鏜刀并合理設(shè)置切削參數(shù)和加工工藝，可以實(shí)現(xiàn)多組平行軸承孔的精密加工，并保證較高的表面光潔度。

3)通過使用氣動量儀可以實(shí)現(xiàn)軸承孔的在線精密檢測。

4)通過設(shè)計并使用專用工裝裝置可以實(shí)現(xiàn)雙頭螺柱的高效裝配，同時保證較高的裝配精度和穩(wěn)定性。