航空發動機機匣數控加工的關鍵技術

扈博琴

摘要：在航空發動機當中，機匣作為關鍵部件而存在。形狀結構復雜以及材料加工難度較大是機匣的明顯特征，因此其加工質量長期得不到有效提升。在分析機匣的過程當中，我們可從結構特點以及加工制造技術難點著手，在此基礎上實現對多軸數控加工工藝方法的進一步構建，這對航空機匣加工質量以及效率問題的改善有重要作用。該類方法在航空那薄壁件零件數控加工中所起到的作用與價值不可替代。

關鍵詞：薄壁件；機匣；工藝參數；數控加工

現階段機匣數控多軸銑削加工仍然面對相當多的重點與難點問題，其中有加工制造過程當中所涉及到的變形機理、規律以及機匣制造的變形控制方法等。通過對航空發動機機匣數控加工實踐與研究后可以發現，機匣的加工工藝方法必須實現對加工效率的保障，在此基礎上可實現對控制加工變形以及有效提升生產效率目標的滿足。類似薄壁零件數控加工也可對該種方法進行科學使用，這對航空發動機薄壁件數控加工工作的順利開展有現實意義。

一、發動機機匣種類與結構特點

1.發動機機匣分類

在劃分航空發動機機匣的過程當中，可將設計結構、功能與材料等作為主要依據進行。機匣類零件如果按照設計結構可實現對環形機匣以及箱體機匣的獲取。進一步細化環形機匣后可以取得整體環形機匣、對開環形機匣和帶整流支板的環形機匣。燃燒室機匣、渦輪機匣等可對整體環形機匣進行直觀體現。氣機匣、中介機匣、擴散機匣等都在帶整流支板機匣的涵蓋范圍之內。按照功能可將機匣分為進氣處理機匣、低壓壓氣機機匣、高壓壓氣機機匣、燃燒室機匣等，注意軸承機匣、渦輪機匣、加力燃燒室機匣也在上述范圍的涵蓋之內，從渦扇發動機角度來說，機匣與渦噴發動機之間存在著較為明顯的差異。進氣機匣、風扇機匣以及中介機匣是存在于渦扇發動機上的主要機匣。鋁合金，鈦合金以及高強度鋼等是按照材料劃分機匣類零件所取得的結果，一般情況下，鈦合金材料以及鋁合金材料會在風扇機匣與附件機匣中進行使用。高強度鋼材料主要是針對壓氣機機匣進行使用。

2.發動機機匣結構特點

（1）整體式環形機匣結構特點

由機匣壁和前后安裝邊組成，一般為薄壁的圓錐體或圓柱狀，殼體外表面有環形加強筋、環帶、凸臺；內表面有環形槽、圓柱環帶及螺旋槽；圓柱環帶上分布有圓周的斜孔；殼體壁上設有徑向孔、異形孔及異性槽等。

（2）對開式環形機匣結構特點

該類機匣一般帶有縱向安裝邊，呈圓錐體或圓柱體狀，內表面具有環形槽或T型槽及螺旋槽；外表面具有加強筋、支撐臺、限位凸臺、各種功能凸臺和異性凸臺；機匣壁上有安裝孔、定位孔、通氣孔、徑向孔和異形孔等。

（3）帶整流支板機匣結構特點

該類機匣有鑄造結構和焊接結構，一般由外環、內環及空心整流支板組成。內外環壁較厚，設置有徑向孔洞；內環端面有螺栓孔洞；外環上有定位孔、連接孔；外表面有安裝座和平面等。

（4）箱體機匣結構特點

該類機匣結構外形復雜、壁薄、剛性差，殼體表面具有安裝孔、平面、接合面、基準面、定位銷孔、螺紋孔、油路孔等。毛坯多為砂型鑄造鎂合金。從上述結構可以看出，機匣結構復雜，材料多為難加工材料，壁薄、局部結構剛性差，孔系、凸臺、槽多，這些特點對機匣后序加工造成了很大困難。發動機機匣加工技術難點機匣加工技術難點一方面體現在機匣材料本身難加工性上，另一方面是發動機機匣結構特點帶來的難加工。

二、材料特性造成加工難點

發動機機匣一般選擇的是難加工材料，材料方面難度主要體現在：采用不銹鋼材料的機匣，切削溫度也要高，加工過程容易出現黏附，刀具前刀面容易形成積屑瘤，由于材料塑性和韌性，加工表面會有撕扯現象。采用鈦合金材料的機匣，切削加工過程中，切削變形系數接近于l，因此，在刀具前刀面滑動摩擦劇烈，造成刀具磨損嚴重。

由于材料化學活性大、親和力強，易于產生表面硬化和黏刀現象。再次，鈦合金彈性模量小，零件回彈量大，會加劇刀具后刀面的磨損。采用高溫合金的機匣，切削力為一般鋼材2～3倍，刀具磨損嚴重，易于形成擴散磨損和氧化磨損，加工硬化現象嚴重。由于材料導熱系數低，切削熱集中在刀尖附近，溫度高。切屑由于高韌性，易于形成卷屑，不易清除。采用鎂合金材料機匣，加工性相對較好，但細小切屑容易燃燒，另外加工過程氧化嚴重。

三、發動機機匣加工工藝策略

機匣作為航空發動機的關鍵部件之一，其制造質量的高低對航空發動機的整體性能有很大影響，而要解決機匣的制造難點，需要的是系統工程技術，它不僅涉及到刀具技術、材料技術、還與編程技術、管理技術等密切關聯。本課題組通過多年實踐總結，針對機匣的結構特點和工藝難點提出了一套針對機匣加工的優化工藝。

1.面向加工的機匣參數建模

機匣的參數建模需要根據具體機匣結構特征進行。首先需要進行機匣零件的結構特征分析，根據結構形狀，結合加工特點及形體特征劃分特征單元，并分解成基本的特征系。其次，根據建立的基本特征系之間的關聯關系或者約束條件，建立關聯表達式和特征分叉樹。分析各特征所依賴的基準關系及約束關系，在這些基礎上確定形位尺寸加以數值約束，并由此創建機匣的機體特征，在機體特征上進一步創建附加特征。

而其余特征均是基于回轉特征創建，可以看做是子特征。面向制造而言，主特征又包含了外形和內形特征系。外形特征系包含有安裝邊、回轉殼體、臺階面等。其中回轉特征系最為復雜，包含的結構特征最多。例如，在特征區域下，包含了安裝孔特征系、腔槽特征系、凸臺特征系等。這些特征系構成了最基本的加工制造單元，內形特征系包含了前安裝邊、后安裝邊和回轉內腔特征系。前后安裝邊包含了機匣加工過程中最重要的加工基準特征。

2.機匣工藝路線優化

針對機匣加工過程中變形問題，課題組經過實踐與研究總結，對工藝過程從初始毛坯到切削工藝參數進行了優化。毛坯制備時，在保證考慮最大加工誤差的情況下能夠完成零件加工，同時應與機匣最終加工成形輪廓相近，這樣既有利于切削加工，也能夠節省材料。一般情況下，毛坯還應盡可能預留裝夾位置。在裝夾方式與基準選擇上一般選用大、小端面及其外圓作為定位基準，夾緊力一般沿著軸向加載在安裝邊表面或者沿著徑向加載在外圓上，這樣可有效利用機匣自身結構，避免額外規劃工藝凸臺。針對機匣的典型結構，課題組以一種具有代表性的某燃燒室機匣為例，進行了機匣的夾具設計。

結語：

航空發動機機匣空間結構在整體上較為復雜，面臨難度較大的材料加工工作，尤其是零件表面對加工精度提出相當高的要求。在實際針對機匣加工技術難點進行分析的過程當中，我們可從多軸數控加工角度著手，這對機匣結構特征、數控加工難點等內容的進一步確定有積極作用。注意必須在這一過程當中結合實際制定有針對性的策略，綜合工藝方案現階段已經逐步實現在機匣數控加工中的大面積使用，取得較為良好的效果。

參考文獻：

[1]李國明.航空發動機機匣數控加工工藝研究[D].大連理工大學，2012.

[2]楊文彪，張濤.航空發動機機匣數控加工方法探究[J].數字化用戶，2017，23（32）.