新一代航天發動機用齒輪箱的制造工藝技術研究

曲洪亮，蘇云玲，姚智奇，田 慧，王永飛

(北京動力機械研究所，北京 豐臺 100074)

齒輪箱是航天發動機的關鍵傳動部件，能夠實現發動機動力輸出(輸入)端與起發電機、滑油泵、燃油泵及燃油調節器之間的扭矩傳輸。主要由齒輪箱箱體、零度弧旋錐齒輪、直齒輪、軸承座、磁力封嚴和軸承等組成。齒輪箱結構示意圖如圖1所示。齒輪箱組件具有結構緊湊、裝配精度和可靠性要求高的特點[1]。

圖1 齒輪箱結構示意圖

發動機起動階段，起發電機作為起動機工作，輸出扭矩并由高速齒輪箱將扭矩傳給發動機動力軸，最終帶動發動機高壓軸工作；發動機點火成功后，發動機動力軸將發動機高壓軸輸出的扭矩傳輸至齒輪箱，并最終驅動發電機、滑油泵、燃油泵、燃油調節器工作。

本文從齒輪箱箱體加工過程變形量的控制、軸承孔的精密加工技術、軸承孔孔徑的精確測量技術、雙頭螺柱高效裝配技術等多個方面對齒輪箱制造工藝技術進行了研究。

1 薄壁箱體加工過程變形量的控制

齒輪箱的主體即箱體零件的毛坯通過鋁合金精密鑄造成型，為整體壁厚3 mm的薄壁腔體。因為結構剛性較差，導致加工過程中容易出現因為裝夾力、切削力等因素的影響導致的變形，進而影響產品加工精度。本項目研究過程中針對零件變形量的控制技術進行了較為深入的研究。

1.1 裝夾變形量的控制

要減少裝夾變形量對加工精度的影響，就要盡可能減少裝夾應力對加工部位的影響。根據齒輪箱箱體的結構特點以及加工特征在產品表面的分布，在鑄件研制過程中在其非加工表面設置了3處工藝夾臺，一方面通過保證3處工藝夾臺的位置精度將其作為后續所有尺寸的加工基準；另一方面將其作為裝夾部位，通過將裝夾力100%作用在工藝臺上，并避免向箱體主體部位傳導，減少裝夾變形量及其對尺寸精度的影響[2-4]。工藝臺在齒輪箱箱體上的分布結構如圖2所示。

圖2 工藝夾臺的分布結構示意圖

通過設計專用工裝，將裝夾部位設定在3個工藝夾臺部位，從而避免了裝夾力直接作用于工件表面而導致裝夾應力變形。

1.2 切削變形量的控制

要減少切削變形量，就要科學匹配刀具與切削參數，在保證表面粗糙度的同時減小切削力。為了確認適用的切削參數，筆者根據加工經驗選取了高速鋼材料的整體圓柱平底銑刀，通過切削試驗并對切削過程中的變形量進行實時檢測確認不同切削參數對變形量的影響規律[5-8]。切削部位以及變形檢測部位如圖3所示。

圖3 切削部位及變形檢測部位示意圖

在切削試驗過程中采用了正交法對參數進行優化、確認。正交試驗法如下。

1)試驗指標：變形量(檢測部位孔心位置坐標偏移量)。

2)試驗因素：選擇4個因素，分別是切削線速度Vc、主軸轉速S、進給量F和切削深度ap。

3)試驗水平：3個水平。通過分析并結合設備參數庫推薦，確定了3個水平的參數(見表1)。

表1 水平參數

4)試驗記錄：按照正交法所列出的試驗參數(見表2)進行試切，在試切部位進行切削，并通過機床測頭確定變形監測部位孔的中心位置偏移情況作為變形量的指標。在其他參數一定的情況下，記錄變形量和表面粗糙度。

表2 正交表格

5)結果分析：按照正交試驗法的分析原則，對試驗結果(見表3)進行分析。

從分析結果來看，各因素對于變形量的影響程度依次為：進給量F、切深ap、線速度Vc、主軸轉速S。各因素對于表面粗糙度的影響程度相當。綜合考慮變形量和表面粗糙度2個因素，選取了如下值作為刀具的參數，即：A2、B2、C1、D1。

最終確定的φ12平底圓柱銑刀的切削參數見表4。按照切削參數進行了試件的加工，加工過程穩定，變形量滿足加工精度要求。經檢測，試件的變形檢測部位變形量為0.002 mm，表面粗糙度為Ra0.8 μm。以同樣的方法對其他刀具進行切削參數的確認，并用確認的參數完成了包括首件產品在內的共計3件產品的加工。加工完成的產品質量滿足設計指標要求。

表3 試驗結果記錄及分析

表4 刀具切削參數表

同時此加工方法涉及刀具切削參數的具體設置，不同材料、不同刀具類型、不同的切削方法、不同的刀具規格所采用的切削參數不同，所以對于不同的產品，均應通過試切試驗、精度檢測、表面質量檢查等方法確定具體參數，從而保證所用刀具與切削參數的合理匹配，保證加工工藝方法滿足產品加工要求，加工完成的產品質量滿足設計指標要求。

2 軸承孔的精密加工技術

齒輪箱箱體軸承孔孔徑尺寸設計指標要求較高，大部分孔徑尺寸公差帶約為±0.006，對孔徑尺寸加工工藝方法、加工設備精度、刀具性能及其切削參數等都有很高要求。

攻關過程中，對孔徑的加工分別采用了整體平底圓柱銑刀進行螺旋銑削和采用精密鏜刀進行鏜削2種方式進行切削試驗，并分別通過正交試驗法確認了2種刀具適用的切削參數，對2種刀具的切削效果進行了對比。試驗過程中，針對其中一個關鍵指標，分別采用2種刀具，以中差尺寸進行數控程序編制，每種刀具加工3次，加工完成的孔徑尺寸對比具體情況見表5。

表5 加工孔徑尺寸狀態對比表

由試驗過程及試驗數據可以看出，采用圓柱平底銑刀加工軸承孔孔徑時，孔徑尺寸偏小，且穩定度偏低，表面粗糙度較差；采用精密鏜刀鏜削軸承孔孔徑時，孔徑尺寸接近程序設定值(尺寸中差)，且較穩定，表面粗糙度較好。因此，確定通過精密鏜刀鏜削方式完成軸承孔的精密加工，并應用在包括首件在內的3件產品的加工中。加工完成的產品尺寸狀態滿足技術指標要求，產品質量狀態穩定。

3 軸承孔孔徑的精確測量技術

齒輪箱箱體軸承孔孔徑尺寸公差設計嚴格，普通量具測量精度無法滿足其測量要求。同時因為加工工藝的要求，需要對孔徑進行實時檢測和在線修正，從而進一步保證加工的精度，所以要求測量方法既可以滿足測量精度要求，又能夠實現實時在線檢測[9-10]。在攻關過程中，根據現場的經驗，選擇了其中一個軸承孔的孔徑尺寸，采用3種測量方式進行了測量，并對測量方法和測量結果進行了對比，具體見表6。

表6 不同測量方式得到的測量結果對比表

對3種測量工具的精度偏差進行對比：三坐標測量機的測量精度≤0.003 mm，內徑千分尺的測量精度≤±0.005，氣動量儀的測量精度≤±0.002 mm。從表6中數據可以看出，氣動量儀測得的數據與三坐標測量機測得的數據接近，將三坐標測量機測得的數據作為校正參考，氣動量儀測得的結果相對更準確。同時因為三坐標測量機不適用于在線測量及尺寸自檢，故齒輪箱箱體的在線檢測和過程中的尺寸自檢選用氣動量儀進行測量。

經包括首件在內的3件產品的裝機驗證和地面試驗考核，產品各項關重指標均能滿足設計指標要求，也進一步證明氣動量儀對于軸承孔孔徑尺寸的檢測滿足產品的加工和檢測要求。

4 雙頭螺柱高效裝配技術

航空航天發動機的燃燒室、導向器、齒輪箱等核心部件常采用雙頭螺柱連接結構，以提高連接可靠性。其裝配方式為通過施加一定壓力使雙頭螺柱的齒型圈嵌入基體內，從而實現雙頭螺柱的固定。雙頭螺柱結構示意圖如圖4所示。

根據雙頭螺柱裝配工藝特點，首次設計了專用安裝工具。其工作原理如下：將雙頭螺柱的一端螺紋擰入待安裝工件后，在齒形圈上端面放置支撐壓環；旋壓螺母通過螺紋安裝在雙頭螺柱的另一端；在旋壓螺母上安裝扳動桿，并通過螺紋擰緊。沿雙頭螺柱擰緊的方向旋轉扳動桿，帶動旋壓螺母沿螺柱向下移動，并壓緊支撐壓環，連續旋轉扳動桿，直至將齒形圈壓入工件，實現齒形圈鎖緊型雙頭螺柱的輕便高效安裝。

圖4 航空航天發動機用齒形圈鎖緊型雙頭螺柱結構示意圖

本雙頭螺柱裝配工裝結構如圖5所示，主要由5部分組成，其中扳動桿通過與旋壓螺母連接并旋轉，帶動旋壓螺母沿雙頭螺柱軸向移動。支撐壓環在旋壓螺母和扳動桿的共同作用下對齒型圈施加軸向力，從而將齒型圈壓嵌入工件內。

圖5 齒形圈鎖緊型雙頭螺柱高效安裝裝置結構示意圖

使用上述工裝裝置，可100%完成燃燒室、齒輪箱、導向器等多種產品所用雙頭螺柱的高效安裝，同時避免裂紋、壓傷等手動安裝缺陷的產生，返修率<0.1%。

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)通過在產品坯料適當部位設置工藝夾臺并結合工裝的使用，可以實現裝夾及切削過程中的變形量控制。

2)通過使用模塊化精密鏜刀并合理設置切削參數和加工工藝，可以實現多組平行軸承孔的精密加工，并保證較高的表面光潔度。

3)通過使用氣動量儀可以實現軸承孔的在線精密檢測。

4)通過設計并使用專用工裝裝置可以實現雙頭螺柱的高效裝配，同時保證較高的裝配精度和穩定性。