高效加工在航空機匣零件制造中的應用

摘要：航空機匣零件的制造質量和加工效率是影響高性能航空發(fā)動機研制的重要環(huán)節(jié)。為突破國外對航空機匣制造技術的封鎖，本研究針對航空機匣結構復雜、易產生加工變形、材料難加工等特點，重點研究了裝夾方式、刀具選擇及快速CAM等關鍵技術，通過大量實驗對特征單元的加工工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，制定了高效加工工藝方案，并在某型號航空發(fā)動機高壓渦輪機匣制造中進行了實例驗證，提高了該類零件的生產效率。研究成果對于提高我國高性能航空發(fā)動機制造技術水平具有重要意義。

關鍵詞：航空機匣；高效加工；工藝優(yōu)化

中圖分類號：TP321+.21文獻標識碼：A

引言

為滿足我國國民經濟的快速發(fā)展的需求，國防、運載及航空等國家核心工業(yè)領域對高性能航空發(fā)動機的研制投入了大量的人力和物力。航空機匣是航空發(fā)動機的關鍵零部件之一，新型發(fā)動機的研制和批產需求對機匣制造質量和加工效率提出了更高的要求。

歐美等發(fā)達國家在航空機匣的研制技術一直遙遙領先，并形成了穩(wěn)定可靠的批產能力，但是該類零部件的制造技術對我國嚴密封鎖，特別是在加工工藝和專用編程軟件方面。我國在航空發(fā)動機的研制方面采用“引進-吸收”的戰(zhàn)略，并取得了一定的成果。從上世紀九十年代起，國內相關單位專門針對某型發(fā)動機機匣的五坐標數(shù)控加工進行技術攻關，基本解決了整體機匣的五坐標數(shù)控加工問題，并開發(fā)出了專用五坐標數(shù)控加工系統(tǒng)軟件。但是，目前我國航空發(fā)動機的制造水平與國外差距仍較大，表現(xiàn)出生產周期長、加工質量不穩(wěn)定、制造成本高等特點，成為影響和制約航空工業(yè)發(fā)展的最主要因素。

以機匣生產為例，主要問題表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）機匣加工效率低。長期以來，我國航空發(fā)動機制造技術相對落后，加上國外長期對航空工業(yè)先進制造技術的封鎖，由于機匣的結構的復雜性及其材料的難加工性，加工效率相對低下，加工周期一直較長，成為航空發(fā)動機制造過程中的技術壁壘。以某發(fā)動機機匣為例，九十年代初期，雖然使用數(shù)控設備制造加工，但由于制造技術落后，機匣制造周期長達三個月以上；近幾年由于制造技術的進步，但加工周期仍在十五天左右。在國外同類行業(yè)，由于高效加工技術的應用，復雜機匣的加工周期在三至五天，效率相對高出許多。

（2）機匣加工質量難以保證。航空機匣零件大多結構復雜，在其內外型面上具有多樣的突變幾何特征，如凸臺、島嶼、孔探儀座、減重型槽、加強筋、凹槽、孔系等，特征尺寸精度要求高，最小公差在0.005-0.01之間；位置精度要求嚴格，例如特征體相對機匣中心軸線的位置度要求達0.02。目前由于我們對機匣制造中使用的刀具、工藝、切削參數(shù)等因素對加工質量的影響規(guī)律不清楚，加工過程中不得不引入較多的人為干預，造成零件質量不穩(wěn)定，尺寸超差或返工返修較多，影響零件使用性能。

（3）機匣加工成本居高不下。航空機匣零件所用材料多為難加工材料，由于目前我們加工機匣的效率相對較低，加之質量不穩(wěn)定，從而也造成航空機匣制造成本較高。特別在刀具使用消耗和占用數(shù)控設備使用時間上顯得尤為突出，如某些復雜機匣的加工，僅刀具費用就高達數(shù)萬，刀具費用所占制造費用比例高達8%以上，遠遠超過常規(guī)的3-4%比例，使得機匣加工成本居高不下。

因此，必須加快航空機匣零件高效加工工藝應用研究步伐，提高發(fā)動機制造工藝水平和生產效率，為我國高水平航空發(fā)動機的制造提供技術保障。

1 航空機匣工藝特點分析及方案制定

航空機匣零件主要是用來固定、連接、定位發(fā)動機零部件的殼體，按結構設計主要分成環(huán)形機匣和箱體機匣兩個大類。高壓渦輪機匣屬于整體環(huán)形機匣，如圖1所示。

圖1 高壓渦輪機匣示意圖

該類零件的在結構和加工要求方面具有如下特點：

（1）結構復雜。高壓渦輪機匣在零件外型面分布有形狀各異的島嶼、凸臺，在相鄰島嶼之間，空間位置較為狹隘，加工時不易進刀。

（2）易產生加工變形。零件為典型的薄壁類零件且壁厚變化劇烈，在加工過程中，由于破壞了材料的應力分布狀態(tài)，易產生加工變形。

（3）材料難加工。零件材料為鎳基高溫合金材料，切削時塑性變形大，切削力大，導熱性差，切削溫度高，加工硬化嚴重，容易粘刀。

在航空機匣加工工藝路線制定過程中，需充分考慮數(shù)控加工工藝的特點，并遵循工序盡量集中和粗/精分開的基本原則，合理安排加工路線，以盡量縮短工藝制造周期，提高機匣的制造質量。所確定的高壓渦輪機匣加工工藝路線如圖2所示。

2 高效加工關鍵技術

合理的裝夾方式、高性能的刀具及快速CAM技術是影響航空機匣高效加工的關鍵技術。

2.1 夾具結構設計

航空機匣的裝夾方式及夾具結構的設計需保證零件在高效數(shù)控加工時，整個加工系統(tǒng)具有足夠的加工剛性。如圖3所示為某型號高壓渦輪機匣的夾具結構實物圖。

圖3 某型號機匣夾具實物圖

該夾具采用定位止口加多瓣浮動漲緊塊的結構。浮動漲緊塊采用聚胺脂橡膠軟支撐結構，與60磅的限力螺桿共同作用，以減小工件加工過程中的變形。由于零件的高度較高，且對零件的上端和下端都需要同時加工，所以將輔助支撐結構設計為上下兩層結構，這樣可實現(xiàn)對加工部分的有效支撐。輔助支撐部分多采用42CRV材料，表面滲氮，硬度為絡氏58-62，不但具有較高的強度和硬度，而且耐腐蝕性好，不容易在切削液中浸泡生銹而破壞夾具精度。夾具中的24個輔助支撐塊間隙不超過0.01mm，位置度保持在0.1mm，能夠自由無間隙配合，減少摩擦力，這樣限力螺桿才能更好的發(fā)揮作用，起到加工吸震的作用。

2.2 高性能刀具選擇要點

在航空機匣高效數(shù)控加工中，刀具的合理選擇直接影響著零件的加工質量、效率和成本。在選擇刀具時，主要考慮刀具的切削性能、可靠性、精度。

（1）車削刀具選擇。為滿足零件粗車加工要求，選擇頂角為80度的CNMG 或頂角為90度的SNMG 刀片，具備切削強度好、匹配合適的材料和形狀、刀具壽命較長等特點。選擇陶瓷車刀進行粗車和半精車，甚至可以達到精車的目的，實現(xiàn)高速加工。對于高溫合金機匣零件精車要實現(xiàn)的目的是保證尺寸精度、表面粗糙度，需根據工藝過程要求，精加工刀片的選擇需滿足合適的前角、合理的斷屑槽形、較長的使用壽命等要求。

（2）銑削刀具選擇。粗加工刀具在滿足空間動作的條件下，盡可能選用大直徑銑刀，這樣可以提高金屬去除率，提高加工效率。為降低成本，粗加工盡可能不采用整體硬質合金刀具或精加工刀具。陶瓷刀具和飛碟銑刀是非常好的粗加工刀具，且加工效率是硬質合金的6-10倍。 精加工時避免選用一把刀加工所有的部位，這樣的刀具往往直徑很小，加工效率非常低，正確的方法是根據不同的部位和不同的區(qū)域選用不同的刀。帶底刃圓角的刀相比較于球刀加工效率更高。

（3）鉆削刀具選擇。根據孔徑尺寸及精度選擇鉆削刀具，對于孔徑公差大于0.14mm，選用優(yōu)質的帶涂層的鉆頭；對于孔徑公差小于0.10mm，選用鉆、鉸實現(xiàn)；大尺寸孔徑，選用U鉆加工效果較好；孔徑大于10mm精密孔，選用可換頭的鉸刀，加工效率非常高。

2.3 快速CAM技術要點

CAM技術及策略決定了機匣的加工質量、加工效率、加工成本。在高壓渦輪機匣加工中，主要以高檔商用CAM軟件為3D建模和編程加工的平臺，結合零件的幾何形狀、刀具種類和切削參數(shù)，利用軟件的編程功能和實際加工經驗，進行編程。

（1）車削加工。粗車編程的目的是以盡可能少的時間去除盡可能多的加工余量，采用CAM軟件自動編程生成的循環(huán)程序。精車編程主要目的保證零件的尺寸和表面粗糙度的要求，增加刀補選項，中間加上暫停斷點，測量并修正刀位軌跡，直到加工出合格產品。

（2）銑削加工。環(huán)形機匣零件粗銑編程策略：沿圓周進給或沿軸向向下切線進給；用順銑方式加工；安排不同種類多種刀具實現(xiàn)精加工余量均勻（單邊1-2mm)；粗加工行距>刀具直徑的40%；高切深<5mm；進給0.07-0.2mm/每齒；編程方式盡量不用5軸聯(lián)動的方式編程；清根盡量選用帶底刃和圓角的刀具。

環(huán)形機匣零件精銑編程策略：沿圓周切線進給；合理設置安全距離，減少空行程；用順銑方式加工，用切線切入，切線切出，改善表面粗糙度；精加工行距取決于零件表面粗糙度；進給<0.1mm /每齒；編程方式采用固定軸、多軸相結合的方式；島嶼的底面清根盡量選用帶底刃和圓角的刀具，島嶼的側壁用刀具的側刃加工，以提高加工效率。

3 特征單元工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 粗銑機匣內花邊

銑內花邊環(huán)帶時，粗加工余量共10mm。為了提高效率，選用φ100玉米銑刀進行粗加工，非標刀體，刀片為SPMT100408-R IC928，加工參數(shù)為s=230r/min、F=40mm/min。更改粗精加工程序為切線圓弧進刀，減小加工中的機床扭矩。

采用傳統(tǒng)的加工方式本工序加工時間為24小時。經過成批量加工試驗，提高加工參數(shù)，優(yōu)化數(shù)控程序，更改刀具等，本工序加工時間降至4小時。

3.2 銑削機匣大端外型面

選用陶瓷刀具對大端外形面進行高速銑削。在加工外部型腔時，當?shù)毒哌M到拐角處時，采用擺線切削，可避免切削力突然增大，否則產生的熱量會破壞材料的性能。高速切削加工主要采用回路切削，通過不中斷切削過程和刀具路徑，減少刀具的切入和切出次數(shù)，獲得穩(wěn)定、高效、高精度的切削過程。加工編程時對走刀路線的優(yōu)化（轉角處走圓角）對于改善刀具磨損狀況、提高刀具壽命作用很大。經過大量的試驗，刀具及選擇參數(shù)如表1和表2所示。

表1 φ50R6.35（3刃）銑中間環(huán)帶切削參數(shù)

刀體：KSSR050RN12CF03

刀片：RNGN120700T01020

表2 φ40R6.35（4刃）銑中間環(huán)帶切削參數(shù)

刀體：KIPR040RP12CF04

刀片：RPGN120400E KY1540

陶瓷刀具粗銑后，島嶼附近較窄區(qū)域的余量去除，刀具由φ25R5、φ25R12.5、φ20R2.5、Φ25R0.8、φ16R8整體合金改為刀片銑刀，降低成本，速度顯著提高。其優(yōu)化后的加工工藝參數(shù)如表3所示。

表3 合金片銑刀與整體合金的對比分析

3.3 面銑刀精銑環(huán)帶及曲面非法向矢量編程

為保證零件尺寸和表面要求，精加工中間環(huán)帶選用Ф50R6面銑刀、銑削島嶼間面改用Ф40R5面銑刀，為了減少接刀誤差，采用曲面非法向矢量編程技術，即刀具沿加工方向前傾一個角度來減少接刀誤差，以Ф50R6銑刀為例，前傾角為0時（法向加工），加工后的面接刀誤差0.2mm左右，前傾角為0.1度時，加工后的面接刀誤差0.03mm左右，具體如表4。

表4 前傾角與面偏差的關系表

4 應用實例

以航空發(fā)動機的高壓渦輪機匣為例，進行高效數(shù)控加工。該機匣材料為鎳基高溫合金，外廓尺寸：直徑φ797.9mm、高度287.27mm、最小壁厚2.2mm。

圖6 航空發(fā)動機的高壓渦輪機匣

采用所研究的系列化改進工藝措施，全部銑削加工時間由214小時縮短至55小時，零件的整體加工時間由440多小時縮短至136小時，加工質量穩(wěn)定，無超差，月交付能力從3臺提高到15-20臺，刀具成本大幅度降低，加工效率和制造質量達到了國外同類企業(yè)相當水平。

結束語

航空機匣制造技術是影響高檔航空發(fā)動機的制造質量和效率的重要環(huán)節(jié)。本研究在分析了航空機匣的結構及加工特點之后，制定了高效加工工藝方案，進一步研究了夾具設計、刀具選擇、快速CAM等關鍵技術，對其特征單元的高效加工工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。該研究在某型號航空發(fā)動機的高壓渦輪機匣上進行了實例驗證，顯著提高了機匣制造效率和質量。但是，與國外同類企業(yè)相比，許多技術細節(jié)有待繼續(xù)完善和發(fā)展，如在刀具壽命管理、快速CAM模板編程技術、高速切削、先進生產管理等方面。

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