航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工新工藝

鄭瑋晟，孔凱博，李柏強(qiáng)，王進(jìn)月，任廣惠

（1.沈陽航空航天大學(xué)，遼寧沈陽 110122；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州 450046）

0 引言

隨著航天航空事業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行成為研究的重點(diǎn)項(xiàng)目，其中最為關(guān)鍵的是航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工問題。由于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝存在的滯后性，使得生產(chǎn)出來的零部件很難滿足航空發(fā)動機(jī)的需求[1]。因此，需要不斷優(yōu)化創(chuàng)新航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工工藝，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化加工。本文分析研究了航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工工藝的現(xiàn)狀，并提出相應(yīng)的工藝優(yōu)化措施，為航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工的高效開展提供參考。

1 新技術(shù)與新工藝

1.1 新型毛坯件制造技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)新型毛坯件成型鑄造技術(shù)包含定向凝固技術(shù)與單晶精鑄技術(shù)[2]。在航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工過程中，精密、整體的結(jié)構(gòu)毛坯件是不可或缺的重要部分，通過新型毛坯件制造技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)大余量毛坯件，可以較好地提高毛坯件加工精度及加工質(zhì)量。

1.2 先進(jìn)切削成型技術(shù)

切削成型是航空發(fā)動機(jī)加工制造過程中應(yīng)用十分廣泛的制造方式，運(yùn)用機(jī)械切削來實(shí)現(xiàn)精密、復(fù)雜零部件的制作。目前，鈦合金由于其高強(qiáng)度、高剛度以及高耐熱性的優(yōu)勢，在航空發(fā)動機(jī)零部件中應(yīng)用占比較高，這也給傳統(tǒng)機(jī)械切削加工帶來了新的挑戰(zhàn)。

航空發(fā)動機(jī)零部件中對曲面和表面光潔度有較高的要求，因此需要通過利用具備四軸、五軸聯(lián)動功能等復(fù)雜曲面高精度加工能力的設(shè)備來提升加工質(zhì)量[3]。數(shù)控加工技術(shù)在零部件加工種發(fā)揮著重要的作用，可以較好地完成復(fù)雜曲面與高精度結(jié)構(gòu)件的加工。除此之外，需要重視航空發(fā)動機(jī)高精度零部件切削加工過程中的變形補(bǔ)償與自適應(yīng)加工等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提升加工精度。

1.3 特種加工技術(shù)

高能束流加工技術(shù)是一種特種加工技術(shù)，一些應(yīng)用常規(guī)切削加工技術(shù)無法完成的機(jī)械加工操作可以運(yùn)用此技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，例如復(fù)雜型腔、型面等復(fù)雜難切削零部件的加工。另外，航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工常用的特種加工技術(shù)還包含激光、等離子、電火花以及離子加工技術(shù)等。新技術(shù)的應(yīng)用對于提升航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜型面與復(fù)雜型腔的加工質(zhì)量具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。

2 機(jī)械加工工藝的優(yōu)化方法

2.1 科學(xué)規(guī)劃工藝路線

航空發(fā)動機(jī)每個機(jī)械零件的加工工序中，可能存在兩個或者多個加工表面，且每一個加工表面都需要應(yīng)用不同的方式加工，每種加工方式在時(shí)間成本、材料成本、加工質(zhì)量等方面都有著較大的差別。例如，部分零件有具體的生產(chǎn)加工計(jì)劃與要求，只進(jìn)行單次切削不能夠達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。對此，可以運(yùn)用多層次、多種方式的加工方法對加工面進(jìn)行操作，科學(xué)規(guī)劃工藝路線，有效降低時(shí)間成本與加工成本，提高零件加工質(zhì)量。

2.2 矯正加工工具誤差

航空發(fā)動機(jī)加工工藝的完善，一方面需要相關(guān)工作人員完善技術(shù)內(nèi)容，另一方面也需要完善對工具設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)。航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工過程中，加工工具的選用直接影響零件加工質(zhì)量。因此，應(yīng)當(dāng)在機(jī)械加工使用工序表之中，對刀具號碼及專用刀具信息進(jìn)行明確。數(shù)控加工中心所使用的刀具應(yīng)當(dāng)對其部位裝配圖及尺寸進(jìn)行描述。加工過程中需要選擇合適的機(jī)床，減少選用尺寸及型號不合理而導(dǎo)致的時(shí)間與成本浪費(fèi)問題，對加工表面精度形成良好的保障。

針對航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工工藝的優(yōu)化，需要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來完善加工體系，確保航空發(fā)動機(jī)工序信息及資源等能夠在工作人員之中實(shí)現(xiàn)良好的共享，提升數(shù)據(jù)利用效率。除此之外，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的加工體系，以此帶動信息化的發(fā)展，促使航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工過程更具規(guī)范性。

2.3 優(yōu)化工藝方案及各項(xiàng)工序

航空發(fā)動機(jī)加工工藝的優(yōu)化存在較高的復(fù)雜性。首先需要將各種機(jī)床按照相應(yīng)的次序進(jìn)行排列安置，做好零件加工流程的規(guī)劃。其次，應(yīng)當(dāng)對各種工藝實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃，以此來保障工作的順利實(shí)施，并合理安排各項(xiàng)工藝開展的順序及使用頻率；最后，在具體的加工過程中使用優(yōu)化的工藝方案，有效完善工序工藝規(guī)程。除此之外，可以將加工工藝做成工藝模板，降低加工制造難度，提高發(fā)動機(jī)零部件加工制造水平。

2.4 科學(xué)改進(jìn)加工工藝

一方面，機(jī)械加工過程中，航空發(fā)動機(jī)所運(yùn)用的切削工具越來越傾向于超硬度復(fù)合材料，此材料的切削工具能夠有效的提升零件的精良性；另一方面，在金屬加工油之中硫化添加劑的相關(guān)技術(shù)也有了新的突破，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的新發(fā)展。同時(shí)，通過專業(yè)性方式能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械加工工藝統(tǒng)一打磨，使用光能與機(jī)械能來轉(zhuǎn)變材料的深層構(gòu)造，減少零件之間的磨損，不斷提升零件加工的水平，制造出更加精良的零部件。

在加工工序?qū)用妫娇瞻l(fā)動機(jī)的要求也十分繁雜。一些設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的要求較高的孔需要依靠數(shù)控機(jī)床技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。除此之外，在進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，可以通過三維加工視圖來幫助操作人員做好整個加工工藝進(jìn)程的控制工作，使各項(xiàng)工作更具條理性。針對高精度工件，其加工測量也應(yīng)當(dāng)使用高精度量具開展工作，以此提高測量的規(guī)范性。

3 應(yīng)用案例

本文以靜子內(nèi)環(huán)機(jī)械加工工藝的優(yōu)化為例，分析航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工的新工藝（圖1）。傳統(tǒng)的對開式鋁合金薄壁加工模式存在零件切斷之后變形及尺寸差過大的問題，新工藝路線能夠有效控制零件切斷后的變形，滿足設(shè)計(jì)所要求的性能參數(shù)。同時(shí)，在工藝路線設(shè)計(jì)的過程中也兼顧了經(jīng)濟(jì)性，重視生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期的控制。

圖1 靜子內(nèi)環(huán)零件結(jié)構(gòu)

首先，在零件切斷后變形問題的控制方面，主要的設(shè)計(jì)理念為將切斷工序前移。在單件粗加工之后，將零件切割為兩個半環(huán)，并在之后增加兩道工序：去應(yīng)力熱處理與自然時(shí)效。加工設(shè)備由普通臥式車床設(shè)備改為數(shù)控立式車磨床。本文設(shè)計(jì)的靜子內(nèi)環(huán)組合件機(jī)械加工新工藝路線如圖2 所示。

圖2 靜子內(nèi)環(huán)組合件機(jī)加工工藝路線

相比較于傳統(tǒng)的工藝路線，優(yōu)化的靜子內(nèi)環(huán)新工藝路線具備多方面的優(yōu)勢。首先是能夠?qū)⒕€切割切斷工序前移，盡早釋放內(nèi)應(yīng)力。將部件切割為兩個半環(huán)以滿足設(shè)計(jì)圖的要求及后續(xù)的裝配需求。其次，在粗加工之后、切斷之前對零部件實(shí)施去應(yīng)力熱處理，并在精加工之前對零部件實(shí)施自然時(shí)效處理，能夠進(jìn)一步釋放零件內(nèi)應(yīng)力及加工參與應(yīng)力，以此來降低加工后變形的概率。最后，精車工序應(yīng)用數(shù)控設(shè)備加工，能夠固化切削參數(shù)及走刀路徑，提高加工的穩(wěn)定性。選用合金機(jī)夾刀具，能夠有效提升加工的效率。采用立式車床進(jìn)行加工，消除了傳統(tǒng)工藝使用臥式車床加工導(dǎo)致的重力影響，同時(shí)方便工人對夾具進(jìn)行調(diào)整，對零件進(jìn)行安裝。

切割為半環(huán)的零件加工過程中還需要重視工藝準(zhǔn)備。首先是切斷工序的計(jì)劃，為了消除應(yīng)力變形，需要切割為半環(huán)狀。為控制加工質(zhì)量，零件的精加工余量以1.5 mm 為宜。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，零件切斷后的變形量最大為1.4 mm，同時(shí)結(jié)合可能存在的精加工定位誤差、半精加工尺寸精度誤差，如果在半精加工之后實(shí)施切斷工序，可能導(dǎo)致精加工余量不足。所以零件切斷工序需要選定在粗加工之后及半精加工之前。

對于零件最小內(nèi)徑的軸向端面的兩端的裝夾定位方法，應(yīng)當(dāng)從兩個方面進(jìn)行分析。其一是加工大端面，即遠(yuǎn)離端面，零件裝夾選擇支撐基準(zhǔn)面、壓緊端面的方式。零件的最終形態(tài)是在小端面有軸向孔，因此在加工時(shí)可以選擇若干軸向孔理論位置加工出工藝基準(zhǔn)孔，同時(shí)以小端面作為基準(zhǔn)面實(shí)施相應(yīng)的定位，繼而完成大端面及外輪廓尺寸加工。其二是加工小端面，即靠近端面，零件裝夾運(yùn)用支撐基準(zhǔn)面，壓緊工藝安裝邊的方式。方法是選用大端面作為基準(zhǔn)面，從大端面工藝安裝邊上加工出工藝基準(zhǔn)孔作為定位。

最后是加工基準(zhǔn)孔工序。此工序可以安排在零件切斷前后，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析確定選擇工藝流程，確保基準(zhǔn)孔位置精度。在此過程中，觀察零件圓周基準(zhǔn)是否找正，基準(zhǔn)孔位置度情況等。在切斷前安排大端面基準(zhǔn)孔工序，切斷后以打斷基準(zhǔn)孔作為基準(zhǔn)實(shí)施定位，以此來加工小端基準(zhǔn)孔，應(yīng)用于最終精加工，使位置精度滿足零件精加工定位的要求。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工工藝的優(yōu)化，能夠有效提升加工質(zhì)量，節(jié)約加工成本，為航空發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。本文提出科學(xué)規(guī)劃工藝路線、矯正加工工具誤差、優(yōu)化工藝方案及各項(xiàng)工序、科學(xué)改進(jìn)加工工藝的改進(jìn)策略，深入探討切削加工工藝，為航空發(fā)動機(jī)機(jī)械加工工藝的優(yōu)化提供參考。