航空發動機機匣加工技術探討

王鐵海

摘 要：作為航空器心臟的關鍵組成部件，航空發動機機匣在制造業領域具備非常特殊的地位， 本文討論了優化航空發動機機匣加工技術的意義，指出了機匣加工工藝優化的目標，最后，分析比較了幾種不同的航空發動機機匣加工工藝。

關鍵詞：航空;發動機;機匣;加工

1.優化航空發動機機匣加工技術的意義

飛機已經成為全世界普遍使用的交通工具和運輸工具。在今年的新冠疫情期間，航空運輸由于其高效的特點在全球范圍內抗擊疫情中發揮了重大作用。航空運輸和交通以及與之相關的各項產業在全世界各國的地位和作用都越來越重要。

飛行器制造產業是一個國家和地區科技、制造業乃至綜合實力的整體體現，與之相關聯的可以有數千家企業、機構，和幾十萬從業人員，對一個國家的科技水平、經濟發展甚至是軍事安全都有著很大影響。

發動機是航空器的最核心組成部分，航空發動機的制造工藝水平代表了一個國家的科技實力和制造業實力，體現了這個國家在諸多領域內的科技水平。航空發動機機匣起到支撐起發動機的框架作用，是航空發動機不可缺少的構成部分。不同類型的航空器，所采用的發動機不同，發動機機匣也因而有著顯著不同。發動機機匣種類繁多，結構多樣，加工要求精度高，制造成本高，周期也比較長，航空發動機機匣的工作環境惡劣，低溫、強風、高壓等諸多不利于發動機機匣穩定的因素都伴隨著發動機機匣的工作。隨著時代的發展，現代航空器發動機的工藝水平不斷提升，新設計、新結構不斷涌現。各種合金、復合材料接連出現。機匣結構不斷創新，所整合的功能也越來越多，越來越強大，給機匣零件也提出了更高的制造要求。與此同時，加工過程中存在的制造成本高、效率低等問題與機匣功能要求越來越高形成了尖銳矛盾。因此，不斷提高和完善航空發動機機匣加工工藝對于航空器制造水平提高有著十分重大的意義。

2 機匣加工工藝優化的目標

不同工藝方案必然存在著不同的參數，優化加工工藝，就是通過確定合理參數，使制造水平達到最高，這就是加工工藝優化的目標。質量、效率、成本三者構成了互相制約互相影響的工藝優化目標。

3 幾種工藝對比

3.1 多軸數控銑削

我國航空發動機的機匣型面，基本都是使用多軸數控銑削完成。發動機機匣的傳統加工工藝幾乎已經發展到極致，下一階段的工藝提高必然要依靠數字化手段。數字化的工藝系統能夠是一個復雜的系統，可以通過適當設置參數，使用軟件調節來自動適應各種不同情況的生產實際，全面提升發動機機匣的工藝水平。數控機床就是數字化工藝的一個具體體現，數控機床甫一出現就立即引起了全球工業界的高度重視。數控機床是我國制造業不能錯過的發展機遇，只有數控機床能夠實現制造業的加工自動化。數控機床的發展，提出了對掌握數控技術的人才要求。今后的數控技術將不僅僅局限在制造業領域，而是會對社會的方方面面和各個行業都產生深遠影響。

航空發動機機匣零件外部表面呈環形，分兩部分，有兩條環形帶狀凸起邊緣，呈對稱狀。機匣毛坯是自鍛件，加工余量較多，一般來說，機匣零件所使用的材料強度較大，難于切削，為了加工精度和質量有保障，避免零件加工失敗，外型表面的加工應當分層、塊進行，通過科學設計走刀路徑，留好加工余量，分多次加工完成，可以有效避免材料變形。

3.2 電火花高效放電銑

電火花高效放電銑類似于數控銑削，是使用一定長度的銅質導管做為電極，通過導向裝置實現穩定導向，加工時，銅質導管在高速旋轉，同時在導管與機匣零件間施加高頻大強度脈沖電流，加工區域以液體保持冷卻、排出加工碎屑，再使用軟件系統控制運動，形成加工形狀，實現高效高質量加工。

電火花高效放電銑加工工藝具有以下特點。一是可用于復雜表面發動機機匣零件加工;二是加工出的機匣表面顯微裂紋和再鑄層厚度都比較大;三是對加工時間要求高，材料表面受電擊會大量產熱，易影響加工精度，甚至燒傷零件表面;四是與其他工藝相比，加工效率高;五是環境友好，無污染;六是設備成本適中。

電火花高效放電銑的放電產熱會使工件表面產生裂紋、并形成再鑄層，并且此過程較為隨機，難于控制。此外，銅質導管會在加工過程中不斷消耗，為了達到較高的加工效率有必要加大電流強度，而這又會進一步導致裂紋加深、再鑄層加深。因此此工藝適用于表面形狀復雜不規則的零件。

3.3 電解加工

電解加工根據零件尺寸設計加工程序，通過周期式循環，進行加工。在周期內的小間隔進行作業，大間隔進行沖洗，保障了加工精度。通過軟件系統實現自動測量和反饋加工余量，自動確定加工間隙，當一個電解周期結束后，電極退回，沖洗液進行自動沖洗，排除廢液。電極退回的過程中斷電，可以避免過度加工。一個周期加工結束后，系統再重新評估電極位置，計算加工余量，移動電極到適當位置，再次加工，如此反復至加工結束。

電解加工工藝有以下特點。一是加工精度高，電解加工的加工間隙小，因此可以實現高精度加工;二是加工效率高，通過電極的陽極溶解反映，實現蝕除，對電流利用效率高，因此加工效率也比較高;三是雜散腐蝕減小，棱邊、銳度提高;四是加工穩定性好，在電極退回過程中，電解液被自動抽吸，完成更新;五是加工表面較為光滑，質量好;六是加工難度相對較低。

與其他工藝相比較，電解加工工藝表面無溫度劇烈變化、反映過程平緩，不形成顯微裂紋，工藝簡單，雖然不適于表面形狀復雜不規則的零件，但對于加工較為簡單、難度低的零件，可以大批量加工，生產效率較高。

3.4 磨粒流加工

磨粒流加工即使用加入了磨料的流體，通過高壓噴射，切割、磨削工件表面，起到加工的作用。該工藝還可以優化流動系數或提高某些零件的高、低周疲勞強度。磨料流加工是指在含磨料、粘彈性化合物或磨料介質的壓力下，通過夾具在待拋光、去毛刺和半徑區域上來回流動。該工藝已廣泛用于汽車零部件的精加工：進排氣管、進氣門、增壓腔、噴油器、噴油嘴、氣缸頭、渦輪殼體和葉片、花鍵、齒輪、制動器等。工作時，裝有零件的夾具固緊在上、下介質缸中間形成封閉的通道，磨流介質在擠壓力作用下從下介質缸開始，通過欲加工工件被表面擠壓到上介質缸，然后磨流介質再從上介質缸反向流過夾具、工件到達下介質缸，完成一個加工循環，選定加工參數可實現自動循環加工和自動停止。

3.5 仿真加工

航空工藝設計成本高、周期長，這兩個特點不僅增加了傳統工藝設計的難度，而且是傳統工藝無法根本解決的。能夠解決各類歐式幾何或非歐幾何對象的快速構造和處理問題，從而為各類生產過程的仿真提供有力支撐。因此，對發動機關鍵零部件傳統工藝采用數字化仿真加工手段進行優化改造勢在必行。工藝仿真能夠在三維沉浸感的虛擬環境中真實再現一個具體的工藝過程，并且允許用戶實時操作工藝設備或改變相關參數。它是產品設計與制造過程的有力輔助工具。即在開始真正加工之前，通過軟件模擬出完整的加工過程，通過模擬加工過程來發現問題，清除各種錯誤，減少實際加工出現問題的可能性，以達到改進設計方案，完善加工過程，提高加工工藝的控制力，減少工時的目的。這要求仿真系統能夠快速地構造、修改、刪除各種類型的幾何模型，如鍛造過程的毛坯變形、石塊破碎過程的石塊對象生成和消亡，而目前虛擬現實系統幾何模型構造、變形、破碎恰是瓶頸之一。它作用包括清除編程錯誤和改進切削效率 ，提高數控程序對硬材質零件、薄壁零件的切削性能。

4 結束語

航空發動機機匣表面不規則，形狀多變不統一，加工使用的材料也多為強度大、硬度高的合金等，零件表面也不能存在過多、過深的顯微裂紋，加工難度大、精度要求高。發動機機匣的制造一直都是航空器制造領域內的一個難題。本文分析討論了機匣加工的幾種工藝，希望能對發動機機匣的加工技術研究起到拋磚引玉的作用。各種工藝有不同的適用條件，也有不同的特點。因此，必須要根據機匣設計方案，科學選擇加工工藝，設置加工參數，通過數字化手段提高加工精度，不斷完善加工工藝。

參考文獻：

[1]吳莉萍.航空發動機機匣零件快速建模導航工具研究[D].西北工業大學，2004.

[2]張正義.面向三維復雜零件工藝優化關鍵技術的研究[D].華中科技大學，2008.