航空發動機機械加工新工藝

鄭瑋晟，孔凱博，李柏強，王進月，任廣惠

（1.沈陽航空航天大學，遼寧沈陽 110122；2.鄭州航空工業管理學院，河南鄭州 450046）

0 引言

隨著航天航空事業的不斷發展，航空發動機的穩定運行成為研究的重點項目，其中最為關鍵的是航空發動機機械加工問題。由于傳統機械加工工藝存在的滯后性，使得生產出來的零部件很難滿足航空發動機的需求[1]。因此，需要不斷優化創新航空發動機機械加工工藝，實現精細化加工。本文分析研究了航空發動機機械加工工藝的現狀，并提出相應的工藝優化措施，為航空發動機機械加工的高效開展提供參考。

1 新技術與新工藝

1.1 新型毛坯件制造技術

航空發動機新型毛坯件成型鑄造技術包含定向凝固技術與單晶精鑄技術[2]。在航空發動機機械加工過程中，精密、整體的結構毛坯件是不可或缺的重要部分，通過新型毛坯件制造技術代替傳統大余量毛坯件，可以較好地提高毛坯件加工精度及加工質量。

1.2 先進切削成型技術

切削成型是航空發動機加工制造過程中應用十分廣泛的制造方式，運用機械切削來實現精密、復雜零部件的制作。目前，鈦合金由于其高強度、高剛度以及高耐熱性的優勢，在航空發動機零部件中應用占比較高，這也給傳統機械切削加工帶來了新的挑戰。

航空發動機零部件中對曲面和表面光潔度有較高的要求，因此需要通過利用具備四軸、五軸聯動功能等復雜曲面高精度加工能力的設備來提升加工質量[3]。數控加工技術在零部件加工種發揮著重要的作用，可以較好地完成復雜曲面與高精度結構件的加工。除此之外，需要重視航空發動機高精度零部件切削加工過程中的變形補償與自適應加工等先進技術的應用，進一步提升加工精度。

1.3 特種加工技術

高能束流加工技術是一種特種加工技術，一些應用常規切削加工技術無法完成的機械加工操作可以運用此技術來實現，例如復雜型腔、型面等復雜難切削零部件的加工。另外，航空發動機機械加工常用的特種加工技術還包含激光、等離子、電火花以及離子加工技術等。新技術的應用對于提升航空發動機復雜型面與復雜型腔的加工質量具有較高的現實意義。

2 機械加工工藝的優化方法

2.1 科學規劃工藝路線

航空發動機每個機械零件的加工工序中，可能存在兩個或者多個加工表面，且每一個加工表面都需要應用不同的方式加工，每種加工方式在時間成本、材料成本、加工質量等方面都有著較大的差別。例如，部分零件有具體的生產加工計劃與要求，只進行單次切削不能夠達到要求的標準。對此，可以運用多層次、多種方式的加工方法對加工面進行操作，科學規劃工藝路線，有效降低時間成本與加工成本，提高零件加工質量。

2.2 矯正加工工具誤差

航空發動機加工工藝的完善，一方面需要相關工作人員完善技術內容，另一方面也需要完善對工具設備的選用標準。航空發動機機械加工過程中，加工工具的選用直接影響零件加工質量。因此，應當在機械加工使用工序表之中，對刀具號碼及專用刀具信息進行明確。數控加工中心所使用的刀具應當對其部位裝配圖及尺寸進行描述。加工過程中需要選擇合適的機床，減少選用尺寸及型號不合理而導致的時間與成本浪費問題，對加工表面精度形成良好的保障。

針對航空發動機機械加工工藝的優化，需要依據相關標準來完善加工體系，確保航空發動機工序信息及資源等能夠在工作人員之中實現良好的共享，提升數據利用效率。除此之外，應當構建標準化的加工體系，以此帶動信息化的發展，促使航空發動機機械加工過程更具規范性。

2.3 優化工藝方案及各項工序

航空發動機加工工藝的優化存在較高的復雜性。首先需要將各種機床按照相應的次序進行排列安置，做好零件加工流程的規劃。其次，應當對各種工藝實施統一規劃，以此來保障工作的順利實施，并合理安排各項工藝開展的順序及使用頻率；最后，在具體的加工過程中使用優化的工藝方案，有效完善工序工藝規程。除此之外，可以將加工工藝做成工藝模板，降低加工制造難度，提高發動機零部件加工制造水平。

2.4 科學改進加工工藝

一方面，機械加工過程中，航空發動機所運用的切削工具越來越傾向于超硬度復合材料，此材料的切削工具能夠有效的提升零件的精良性；另一方面，在金屬加工油之中硫化添加劑的相關技術也有了新的突破，實現了技術的新發展。同時，通過專業性方式能夠實現對機械加工工藝統一打磨，使用光能與機械能來轉變材料的深層構造，減少零件之間的磨損，不斷提升零件加工的水平，制造出更加精良的零部件。

在加工工序層面，航空發動機的要求也十分繁雜。一些設計較為復雜的要求較高的孔需要依靠數控機床技術來實現。除此之外，在進行機械加工的過程中，可以通過三維加工視圖來幫助操作人員做好整個加工工藝進程的控制工作，使各項工作更具條理性。針對高精度工件，其加工測量也應當使用高精度量具開展工作，以此提高測量的規范性。

3 應用案例

本文以靜子內環機械加工工藝的優化為例，分析航空發動機機械加工的新工藝（圖1）。傳統的對開式鋁合金薄壁加工模式存在零件切斷之后變形及尺寸差過大的問題，新工藝路線能夠有效控制零件切斷后的變形，滿足設計所要求的性能參數。同時，在工藝路線設計的過程中也兼顧了經濟性，重視生產成本及生產周期的控制。

圖1 靜子內環零件結構

首先，在零件切斷后變形問題的控制方面，主要的設計理念為將切斷工序前移。在單件粗加工之后，將零件切割為兩個半環，并在之后增加兩道工序：去應力熱處理與自然時效。加工設備由普通臥式車床設備改為數控立式車磨床。本文設計的靜子內環組合件機械加工新工藝路線如圖2 所示。

圖2 靜子內環組合件機加工工藝路線

相比較于傳統的工藝路線，優化的靜子內環新工藝路線具備多方面的優勢。首先是能夠將線切割切斷工序前移，盡早釋放內應力。將部件切割為兩個半環以滿足設計圖的要求及后續的裝配需求。其次，在粗加工之后、切斷之前對零部件實施去應力熱處理，并在精加工之前對零部件實施自然時效處理，能夠進一步釋放零件內應力及加工參與應力，以此來降低加工后變形的概率。最后，精車工序應用數控設備加工，能夠固化切削參數及走刀路徑，提高加工的穩定性。選用合金機夾刀具，能夠有效提升加工的效率。采用立式車床進行加工，消除了傳統工藝使用臥式車床加工導致的重力影響，同時方便工人對夾具進行調整，對零件進行安裝。

切割為半環的零件加工過程中還需要重視工藝準備。首先是切斷工序的計劃，為了消除應力變形，需要切割為半環狀。為控制加工質量，零件的精加工余量以1.5 mm 為宜。根據相關試驗結果，零件切斷后的變形量最大為1.4 mm，同時結合可能存在的精加工定位誤差、半精加工尺寸精度誤差，如果在半精加工之后實施切斷工序，可能導致精加工余量不足。所以零件切斷工序需要選定在粗加工之后及半精加工之前。

對于零件最小內徑的軸向端面的兩端的裝夾定位方法，應當從兩個方面進行分析。其一是加工大端面，即遠離端面，零件裝夾選擇支撐基準面、壓緊端面的方式。零件的最終形態是在小端面有軸向孔，因此在加工時可以選擇若干軸向孔理論位置加工出工藝基準孔，同時以小端面作為基準面實施相應的定位，繼而完成大端面及外輪廓尺寸加工。其二是加工小端面，即靠近端面，零件裝夾運用支撐基準面，壓緊工藝安裝邊的方式。方法是選用大端面作為基準面，從大端面工藝安裝邊上加工出工藝基準孔作為定位。

最后是加工基準孔工序。此工序可以安排在零件切斷前后，可根據實驗分析確定選擇工藝流程，確保基準孔位置精度。在此過程中，觀察零件圓周基準是否找正，基準孔位置度情況等。在切斷前安排大端面基準孔工序，切斷后以打斷基準孔作為基準實施定位，以此來加工小端基準孔，應用于最終精加工，使位置精度滿足零件精加工定位的要求。

4 結束語

航空發動機機械加工工藝的優化，能夠有效提升加工質量，節約加工成本，為航空發動機的穩定運行提供保障。本文提出科學規劃工藝路線、矯正加工工具誤差、優化工藝方案及各項工序、科學改進加工工藝的改進策略，深入探討切削加工工藝，為航空發動機機械加工工藝的優化提供參考。