復(fù)合加工技術(shù)在薄壁機(jī)匣加工中的應(yīng)用

摘 要：近年來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在不斷改進(jìn)和提高。隨之而來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件的材料、結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化，越來(lái)越多的難加工材料，像鈦合金、高溫合金、不銹鋼、硬質(zhì)合金以及復(fù)合材料等被采用。機(jī)匣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越先進(jìn)，整體結(jié)構(gòu)機(jī)匣、單一機(jī)匣所具有的功能也越來(lái)越多，因此，機(jī)匣零件的制造成形難度也越來(lái)越大。

關(guān)鍵詞：復(fù)合加工；機(jī)閘加工；銑車

隨著航空制造技術(shù)的發(fā)展，新一代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)性、靈敏性、可靠性大幅提高，高性能飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用了整體、薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)及難加工材料零件，復(fù)雜整體薄壁結(jié)構(gòu)的采用，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的重量，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，但同時(shí)也增加了加工難度。機(jī)匣一般是一個(gè)圓柱形或圓錐形的薄壁筒體，主要起承力和包容作用，而且對(duì)不同段機(jī)匣的要求不一樣。渦輪機(jī)匣通常是帶有安裝邊的圓柱形或截錐形殼體，其前后安裝邊分別與燃燒室機(jī)匣和動(dòng)力渦輪前的中間機(jī)匣連接，渦輪機(jī)匣上作用有扭矩、軸向力、慣性力和內(nèi)環(huán)壓差力等。

近些年，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工領(lǐng)域，具有復(fù)雜外型面的整體結(jié)構(gòu)機(jī)匣，其外型面的成形加工是普通機(jī)械加工工藝所不能實(shí)現(xiàn)的，只有應(yīng)用多軸數(shù)控加工技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜外型面的成形加工。但在加工過(guò)程中存在著刀具費(fèi)用高，加工效率低，設(shè)備占用量大。針對(duì)多年來(lái)生產(chǎn)中的加工難題，尋求品質(zhì)的提升、效率的提高、成本降低的途徑和方法，運(yùn)用特種加工技術(shù)——電火花加工技術(shù)和電解加工技術(shù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)，通過(guò)對(duì)典型結(jié)構(gòu)機(jī)匣外型面大量的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，取得了良好的加工效果，在保證工藝要求基礎(chǔ)上，滿足了生產(chǎn)高效益的需求。

1 機(jī)匣加工和復(fù)合加工技術(shù)

1.1 機(jī)匣電銑加工技術(shù)

機(jī)匣型面的成形，國(guó)內(nèi)通常是通過(guò)在多軸數(shù)控銑削設(shè)備上加工完成的。該零件外環(huán)形面共分二級(jí)，分布有二條環(huán)形凸緣，下部有1個(gè)縱向小凸緣，兩個(gè)縱向凸緣對(duì)稱分布。由于機(jī)匣毛坯是自鍛件，加工余量很大，且零件材料難切削，為了保證尺寸加工精度和表面加工質(zhì)量，防止加工后零件變形。其外型面加工分層、分塊進(jìn)行，采取合理的走刀路徑，采用對(duì)稱的切削加工余量。分幾次走刀加工到最后尺寸的方法，以減少加工后的變形。因此，該機(jī)匣加工劃分三個(gè)主要階段并附加特征工序熱處理，以去除材料內(nèi)應(yīng)力，防止零件變形。

火花高效放電銑電火花高效放電銑加工技術(shù)原理。電火花高效放電銑借鑒了數(shù)控銑削加工方式，采用簡(jiǎn)單的超長(zhǎng)銅管做工具電極，由導(dǎo)向器導(dǎo)向，在工作中電極作高速旋轉(zhuǎn)，在電極與工件之間施加高效高頻脈沖電源，電流高達(dá)上百安培，對(duì)加工區(qū)施以沖、浸工作液進(jìn)行有效冷卻排屑，通過(guò)專用數(shù)控系統(tǒng)控制工件與電極之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，在電極與工件之間產(chǎn)生高效脈沖放電，加工出所需工件的形狀，實(shí)現(xiàn)零件復(fù)雜型面的高效去余量加工。

電火花高效放電銑加工工藝特點(diǎn)。①可以加工特殊及復(fù)雜三維型面的零件。②加工過(guò)程中由于大電流放電作用，增大零件表面的顯微裂紋和再鑄層厚度。③脈沖放電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，脈沖額率高，增大表面粗糙度值，降低加工精度，材料被加工表面熱影響范圍太，加工中易產(chǎn)生拉弧燒傷工件表面。④加工效率比普通電火花加工高，可以達(dá)到2000mm3/min。⑤采用水質(zhì)工作液，安全無(wú)污染并提高加工效率。⑥與數(shù)控加工中心比較，設(shè)備的成本相對(duì)較低。

1.2 機(jī)匣復(fù)合加工技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的整體化、結(jié)構(gòu)化、輕量化是大推比發(fā)動(dòng)機(jī)的重要設(shè)計(jì)特性之一。在整體結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)上基本上融合了原來(lái)兩個(gè)單體零件，盤和葉片的加工難度。車銑復(fù)合加工中心適合加工以車削工藝為主，銑削工藝為輔的零件。五軸車銑復(fù)合加工中心的B軸擺頭車削技術(shù)，對(duì)于加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件中一些形狀復(fù)雜的半封閉型腔凸顯出相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)發(fā)展較快的新技術(shù)。一些機(jī)床廠家已經(jīng)將該項(xiàng)功能作為出售機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。

2 整體環(huán)形機(jī)匣銑車復(fù)合加工工藝方案

2.1 總體方案

外機(jī)匣工藝分析發(fā)現(xiàn)，由于該機(jī)匣壁厚較薄，屬于典型的整體環(huán)形機(jī)匣，在車加工后會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，通常機(jī)匣件車加工后，再安排前后安裝邊及徑向安裝座孔的加工，這樣會(huì)造成零件二次裝夾找正的困難，二次裝夾找正的誤差會(huì)影響精密定位孔加工的位置度，很難保證加工質(zhì)量。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣空間曲面形狀較復(fù)雜，難切削材料，零件表面要求無(wú)再鑄層，無(wú)裂紋，加工去除余量大，加工精度要求相對(duì)低。機(jī)匣加工要求有足夠的加工效率。這就需要選擇適宜的工藝方法，使加工周期縮短，妥善地解決這矛盾，揚(yáng)長(zhǎng)避短，相得益彰。從理論上講電火花高效放電銑蝕除機(jī)理的電熱過(guò)程是導(dǎo)致諸多表面裂紋，表面再鑄層形成的重要環(huán)節(jié)。而且產(chǎn)生過(guò)程難于人為控制，且刀具銅電極損耗也較大，為了提高效率必須加大脈寬電流，從而使加工表面再鑄層、微裂紋更加加深，表面粗糙度值加大，反之生產(chǎn)效率相對(duì)較低，該工藝只適用于加工形狀復(fù)雜的三維曲面單件加工。而電解加工是小間隙電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，零件表面無(wú)冷、熱硬化層、無(wú)塑性變形、無(wú)顯微裂紋、無(wú)應(yīng)力、表面粗糙度值低，因此電解加工后零件無(wú)中間熱處理的周轉(zhuǎn)過(guò)程，簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程。

2.2 銑車復(fù)合加工工藝路線

銑車加工工藝的編制原則：盡量在一次裝夾下完成零件多個(gè)方向工位的加工。按照上述的銑車復(fù)合工藝編制方法與原則，其工藝路線的設(shè)置可采用如下方式：主軸裝卡棒料→粗車葉輪外部輪廓→精車外部輪廓→五軸銑削開(kāi)槽→流道粗加工→流道半精加工→流道精加工→鉆孔→背主軸裝卡→車削葉輪底部平面→鉆孔?？梢钥闯?，一次裝卡即完成全部葉輪加工工序，加工效率及精度可以得到大幅提高。對(duì)于具有雙刀架的車銑加工中心，雙刀塔的設(shè)備都具有雙通道的控制系統(tǒng)，上下刀架可單獨(dú)控制，同步加工可以通過(guò)代碼中的同步語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)。為充分發(fā)揮設(shè)備的加工能力，可以在加工條件允許的前提下，通過(guò)雙刀架的同步操作實(shí)現(xiàn)零件的多個(gè)工序同時(shí)加工?？梢酝ㄟ^(guò)上下刀架的同步設(shè)置，在粗車外形的同時(shí)完成內(nèi)孔的粗鏜加工，從而進(jìn)一步提高加工效率。

2.3 銑車復(fù)合程序的編制

根據(jù)銑車復(fù)合加工中心數(shù)控編程的特點(diǎn)分為銑加工和車加工兩種模式，銑加工模式為DM_MILL，車加工模式為DM_TURN。在編制五軸聯(lián)動(dòng)銑加工程序時(shí)，需要激活五軸加工刀尖跟蹤功能，數(shù)控加工路徑前瞻功能G64和加工軸同步協(xié)調(diào)功能FGROUP。在編制數(shù)控車加工程序時(shí)，需要使用德馬吉五坐標(biāo)加工中心的平衡功能，在機(jī)床屏幕指示的配重位置，按系統(tǒng)提示的重量配置相同重量的配重塊，保證車削系統(tǒng)平衡。采用銑車復(fù)合加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車、銑、鉆、鏜多工序合并加工。

3 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣空間曲面形狀較復(fù)雜，難切削材料，零件表面要求無(wú)再鑄層，無(wú)裂紋，加工去除余量大，加工精度要求相對(duì)低。機(jī)匣加工要求有足夠的加工效率。這就需要選擇適宜的工藝方法，使加工周期縮短，妥善地解陜這矛盾，揚(yáng)長(zhǎng)避短，相得益彰。對(duì)于機(jī)匣的加工，采用幾種加工工藝相結(jié)合的方式，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高加工的質(zhì)量和加工的效率，為加工出優(yōu)質(zhì)的機(jī)匣探索出一條全新的道路。面對(duì)我國(guó)加工技術(shù)相對(duì)落后的情況下，更應(yīng)探索新的加工方式，開(kāi)拓進(jìn)取，創(chuàng)新是永恒的主題。

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