燃燒室前端機匣銑加工工藝研究

摘 要：燃燒室前端機匣為航空發動機的主要部件。傳統機匣加工工藝具有加工時間長、工藝復雜、刀具易磨損等特點。文章提出一種改善的機匣加工工藝方法。該方法根據機匣零件內外型的結構特點、結合生產現場環境，選擇合適的機床與刀具、確定合理的加工方式并利用數控加工編程軟件（UGNX）編制高效合理的加工程序。相較傳統的機匣加工工藝，文章提出的工藝可有效降低機匣加工時間、減少加工成本。

關鍵詞：數控加工工藝；機匣加工；刀具選擇；加工策略

1 緒論

燃燒室前端機匣作為航空發動機的重要零件，其內部連接燃燒室、高壓渦輪導向器前支撐、鼓筒軸。其外部連接包括油管、冷卻管、控制器在內的各種附件。機匣具有外形復雜、壁薄、材料難加工和尺寸精度高等特征。機匣制造加工的材料切除率達到30%以上，加工工藝復雜，涉及多軸聯動數控機床、多軸聯動CAM編程技術、刀具技術等[1]。在數控加工生產環節，數控程序是最能發揮效益的環節，因此提高編程效率和編程質量，是縮短生產周期，提高產品質量的重要手段。優秀的數控程序編程可提升加工效率和機床的利用率，提升刀具壽命，進而降低成本并提升企業的競爭力。目前機匣生產所采用的加工工藝和數控程序存在耗時長，材料去除率低，刀具磨損大的問題，給產品的試制加工帶來一定難度[3]。為了更好地完成機匣交付任務為后續其他機匣零件加工奠定技術基礎，需要進行機匣數控銑加工工藝研究。

2 機匣零件結構特點及材料特性

2.1 機匣零件結構分析

燃燒室前端機匣，分為外型（外壁）和內型（內壁）兩個區域。零件最大外徑Φ804mm，總高294mm，最小壁厚3.81mm，小端內部有一個焊接定位止口，外型分上中下三層，各層有不同形狀的島形結構，零件內部有相應的T型槽和環型槽（如圖1）。

2.2 精度分析

機匣零件為加工過程的中間件，后續還需進行組裝焊接加工。其主要配合尺寸為小端內側的焊接止口，尺寸精度要求高（零件圖形及幾何尺寸見圖2）。止口直徑尺寸均為Φ597.433±0.076，同時有理論點到兩側的厚度控制尺寸4.42±0.05、4.57±0.05。外型凸臺輪廓度0.76。

由此可見，該零件是一個局部尺寸精度要求高的零件。

2.3 材料分析

該零件毛坯選用了優質三次熔煉的鎳基高溫耐熱合金INCO718，采用模鍛方式。優質三次熔煉的鎳基高溫耐熱合金INCO718是一種強度很高、硬度較高、高溫條件下強度優良的鎳基合金。材料粘性大，加工中不宜斷屑，導熱性能較差，在切削加工過程中會產生很大的切削抗力和大量的切削熱。若散熱條件不好，刀具的磨損會很嚴重。

3 工藝研究

3.1 傳統加工工藝分析

3.1.1 外型粗加工工藝分析

機匣外型結構復雜，分上中下三層不同形狀的島形結構。傳統加工方式采用多軸加工，具有工序集中的特點。為了保證同一刀具進行各區域的粗加工，限制了刀具直徑上限，刀具選用直徑25MM銑刀。為高效去除零件余量，選用了大進給刀具。編程方式采用多軸聯動、并進行分層加工。

傳統外型加工存在的問題：在五軸加工中心上，采用兩刃的直徑為25毫米的大進給刀具對零件進行粗加工，軌跡為多軸分層加工，走刀路線長，如圖3。因刀具只有兩個刀刃，導致去除材料的效率較低。同時編程采用五軸聯動的方式進行變軸銑加工，機床剛性差，加工中出現較大的振動，容易導致刀具損壞。零件材料難加工，在45號鋼假件上進給可達到300毫米每分，但在INCO718正式件上進給只有50毫米每分，在實際加工中效率低。

3.1.2 外型精加工工藝分析

外型精加工通常是在五坐標加工中心上進行，使用球頭銑刀，切削行寬小，加工路線長，加工效率低，如圖4所示。

3.1.3 內型T型槽加工

內型T型槽的加工，如圖5所示，采用球頭刀，效率低，成本高，每個T型槽用一個球形刀頭，無法重復使用。

3.1.4 內型環形槽加工

機匣內型環形槽的粗精加工全部是在四坐標加工中心上進行，如圖6所示。銑削使用角度頭，如圖7。因切削力大、角度頭剛性差，導致加工中振動大，易使角度頭故障，同時加工效率低。

3.2 優化數控銑加工工藝

3.2.1 外型銑粗加工工藝優化

方案一：外型銑粗加工改進：由于車間五軸機床數量有限，故增加粗銑加工工藝，在三坐標加工中心上使用盤銑刀進行粗加工，去除大余量，如圖8、圖9所示。

編程方法在NX CAM中的采用固定軸曲面輪廓銑[2]，驅動方法可以采用曲線驅動方法，根據零件結構構建驅動曲線，刀具軸設置為Z軸，投影矢量定義為朝向零件軸線。在切削參數設置多層切削，逐層切除零件上一定體積的材料。

方案二：有五軸機床且可重型切削時可采取以下加工方法進行粗加工。

外型凸臺間粗加工可采用插鉆方式進行加工，插式加工也稱鉆銑加工或直搗式加工，這是材料去除率最高的銑加工方法。為獲得最佳的穩定性，采用較短的可轉位鉆頭。編程方法采用NX CAM中的固定軸曲面輪廓銑，使用曲線驅動，驅動曲線垂直于零件表面的輔助線，利用零件表面偏置檢測面來確定加工深度，刀具軸設置為與輔助線一致，如圖10a。

零件上下兩層凸臺間采用層銑加工方式，可采用陶瓷刀具高效去除余量，根據零件結構確定刀具直徑，盡可能采用一次走刀去除最大余量，避免往返走刀，減少刀具路線長度，可以有效縮短加工時間。編程方法采用可變軸曲面輪廓銑，驅動方法可以采用曲線驅動方法，刀具軸設置為垂直于零件，投射矢量為垂直于驅動，切削參數設置多層切削，如圖10b。圖11為零件加工效果圖。

（a）插鉆方式進行加工 （b）層銑加工

3.2.2 外型精加工優化

加工外型凸臺間型面時球頭刀加工路線長，為提高效率采用普通端銑刀替代球頭刀，刀尖R應與零件凸臺根部一致。合理規劃路徑，減少空走刀，盡量縮軌跡長度。對于空間曲面和變斜角輪廓外形加工，在保證不干涉和工件不被過切的前提下，無論是曲面粗加工還是精加工，都應優先選擇平頭刀或圓角刀加工，如圖12。

（1）優化加工路線，如圖15所示。編程方法采用可變軸曲面輪廓銑，驅動方法采用曲線驅動，刀具軸設置為垂直零件和投射矢量為垂直于驅動，如圖13。

（2）采用直徑20陶瓷刀具對凸臺周邊進行加工，轉速8000轉，走刀量1000毫米/分，加工效率是硬質合金刀具的4倍。編程方法采用可變軸曲面輪廓銑，驅動方法為曲面驅動，刀具軸設置為垂直于凸臺上表面，如圖14。

3.2.3 內型銑加工工藝優化

內型T型槽型面與機匣軸線成約24度的斜角，粗加工采用插銑方式，選用大進給銑刀。

編程方法采用固定軸曲面輪廓銑，驅動方法為區域驅動方法，刀軸設置為Z軸正向。切削模式為單向，步進長度設定為2-3毫米，如圖15。

3.2.4 內型環槽加工工藝優化

新工藝在三坐標加工中心上使用錐度與零件表面一致的盤銑刀去除大部分內型環槽的余量，并進行部分可達表面的精加工，如圖16。

其后對未加工到的區域在五坐標加工中心上使用球頭刀對環槽底部及兩側進行精加工和清根。采用長刀柄加延長桿在擺頭-轉臺五軸機床上加工環形槽兩側上端，保證零件最終尺寸，如圖17。若通過雙擺頭五軸機床，上述精加工可采用一把銑刀直接加工到位，效率會更高。

4 結束語

經過工藝優化，該機匣加工時間由180小時縮短至90小時，效率提升一倍，且降低了對五軸機床的依賴。提升了排產加工的柔性和設備的利用率，進而降低了生產成本。

機匣加工選用合適的機床、刀具、同時結合編程軟件編制合理的加工程序，可以有效的提升該類零件的加工效率。經過此次工藝優化，我們得出下述技術結論：

加工方案和機床選擇：考察企業機床類型、數量和特性，在充分研究精度和排產的情況下，不盲目追求一次裝夾和高端機床。根據機匣被加工區域的特點選用機床，合理安排粗精加工，思路為使用三軸加工中心去除余量，五軸加工中心進行精加工，但不局限，適用為重。

刀具選擇：充分考慮被加工區域的形狀特征，選取刀具時，使刀具的尺寸與被加工表面的尺寸相適應，根據設備的功率和工件的加工尺寸盡量選擇較大直徑的刀具。球頭刀僅出現在清根等其他高效刀具無法完成的加工區域。

編程方法：根據被加工區域的特征制定刀具軌跡，盡量采用走刀路線短的高效加工程序進行加工。

此機匣的工藝優化效果較為明顯，可作為同類機匣加工工藝設計時的參考。

參考文獻

[1]王先逵.機械加工工藝手冊（工藝基礎卷）[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]張方瑞.UG NX入門精解與實戰技巧[M].北京：電子工業出版社，2003.

[3]任軍學，龔仔華，田榮鑫，等.航空發動機機匣五軸插銑加工[J].航空制造技術，2013.