摘要：航空機(jī)匣零件的制造質(zhì)量和加工效率是影響高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重要環(huán)節(jié)。為突破國外對(duì)航空機(jī)匣制造技術(shù)的封鎖，本研究針對(duì)航空機(jī)匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易產(chǎn)生加工變形、材料難加工等特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了裝夾方式、刀具選擇及快速CAM等關(guān)鍵技術(shù)，通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)特征單元的加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，制定了高效加工工藝方案，并在某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪機(jī)匣制造中進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，提高了該類零件的生產(chǎn)效率。研究成果對(duì)于提高我國高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：航空機(jī)匣；高效加工；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP321+.21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

為滿足我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展的需求，國防、運(yùn)載及航空等國家核心工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芎娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的研制投入了大量的人力和物力。航空機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和批產(chǎn)需求對(duì)機(jī)匣制造質(zhì)量和加工效率提出了更高的要求。

歐美等發(fā)達(dá)國家在航空機(jī)匣的研制技術(shù)一直遙遙領(lǐng)先，并形成了穩(wěn)定可靠的批產(chǎn)能力，但是該類零部件的制造技術(shù)對(duì)我國嚴(yán)密封鎖，特別是在加工工藝和專用編程軟件方面。我國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制方面采用“引進(jìn)-吸收”的戰(zhàn)略，并取得了一定的成果。從上世紀(jì)九十年代起，國內(nèi)相關(guān)單位專門針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的五坐標(biāo)數(shù)控加工進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，基本解決了整體機(jī)匣的五坐標(biāo)數(shù)控加工問題，并開發(fā)出了專用五坐標(biāo)數(shù)控加工系統(tǒng)軟件。但是，目前我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造水平與國外差距仍較大，表現(xiàn)出生產(chǎn)周期長、加工質(zhì)量不穩(wěn)定、制造成本高等特點(diǎn)，成為影響和制約航空工業(yè)發(fā)展的最主要因素。

以機(jī)匣生產(chǎn)為例，主要問題表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）機(jī)匣加工效率低。長期以來，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)相對(duì)落后，加上國外長期對(duì)航空工業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)的封鎖，由于機(jī)匣的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其材料的難加工性，加工效率相對(duì)低下，加工周期一直較長，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中的技術(shù)壁壘。以某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣為例，九十年代初期，雖然使用數(shù)控設(shè)備制造加工，但由于制造技術(shù)落后，機(jī)匣制造周期長達(dá)三個(gè)月以上；近幾年由于制造技術(shù)的進(jìn)步，但加工周期仍在十五天左右。在國外同類行業(yè)，由于高效加工技術(shù)的應(yīng)用，復(fù)雜機(jī)匣的加工周期在三至五天，效率相對(duì)高出許多。

（2）機(jī)匣加工質(zhì)量難以保證。航空機(jī)匣零件大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其內(nèi)外型面上具有多樣的突變幾何特征，如凸臺(tái)、島嶼、孔探儀座、減重型槽、加強(qiáng)筋、凹槽、孔系等，特征尺寸精度要求高，最小公差在0.005-0.01之間；位置精度要求嚴(yán)格，例如特征體相對(duì)機(jī)匣中心軸線的位置度要求達(dá)0.02。目前由于我們對(duì)機(jī)匣制造中使用的刀具、工藝、切削參數(shù)等因素對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律不清楚，加工過程中不得不引入較多的人為干預(yù)，造成零件質(zhì)量不穩(wěn)定，尺寸超差或返工返修較多，影響零件使用性能。

（3）機(jī)匣加工成本居高不下。航空機(jī)匣零件所用材料多為難加工材料，由于目前我們加工機(jī)匣的效率相對(duì)較低，加之質(zhì)量不穩(wěn)定，從而也造成航空機(jī)匣制造成本較高。特別在刀具使用消耗和占用數(shù)控設(shè)備使用時(shí)間上顯得尤為突出，如某些復(fù)雜機(jī)匣的加工，僅刀具費(fèi)用就高達(dá)數(shù)萬，刀具費(fèi)用所占制造費(fèi)用比例高達(dá)8%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)的3-4%比例，使得機(jī)匣加工成本居高不下。

因此，必須加快航空機(jī)匣零件高效加工工藝應(yīng)用研究步伐，提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝水平和生產(chǎn)效率，為我國高水平航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造提供技術(shù)保障。

1 航空機(jī)匣工藝特點(diǎn)分析及方案制定

航空機(jī)匣零件主要是用來固定、連接、定位發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的殼體，按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分成環(huán)形機(jī)匣和箱體機(jī)匣兩個(gè)大類。高壓渦輪機(jī)匣屬于整體環(huán)形機(jī)匣，如圖1所示。

圖1 高壓渦輪機(jī)匣示意圖

該類零件的在結(jié)構(gòu)和加工要求方面具有如下特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜。高壓渦輪機(jī)匣在零件外型面分布有形狀各異的島嶼、凸臺(tái)，在相鄰島嶼之間，空間位置較為狹隘，加工時(shí)不易進(jìn)刀。

（2）易產(chǎn)生加工變形。零件為典型的薄壁類零件且壁厚變化劇烈，在加工過程中，由于破壞了材料的應(yīng)力分布狀態(tài)，易產(chǎn)生加工變形。

（3）材料難加工。零件材料為鎳基高溫合金材料，切削時(shí)塑性變形大，切削力大，導(dǎo)熱性差，切削溫度高，加工硬化嚴(yán)重，容易粘刀。

在航空機(jī)匣加工工藝路線制定過程中，需充分考慮數(shù)控加工工藝的特點(diǎn)，并遵循工序盡量集中和粗/精分開的基本原則，合理安排加工路線，以盡量縮短工藝制造周期，提高機(jī)匣的制造質(zhì)量。所確定的高壓渦輪機(jī)匣加工工藝路線如圖2所示。

2 高效加工關(guān)鍵技術(shù)

合理的裝夾方式、高性能的刀具及快速CAM技術(shù)是影響航空機(jī)匣高效加工的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航空機(jī)匣的裝夾方式及夾具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需保證零件在高效數(shù)控加工時(shí)，整個(gè)加工系統(tǒng)具有足夠的加工剛性。如圖3所示為某型號(hào)高壓渦輪機(jī)匣的夾具結(jié)構(gòu)實(shí)物圖。

圖3 某型號(hào)機(jī)匣夾具實(shí)物圖

該夾具采用定位止口加多瓣浮動(dòng)漲緊塊的結(jié)構(gòu)。浮動(dòng)漲緊塊采用聚胺脂橡膠軟支撐結(jié)構(gòu)，與60磅的限力螺桿共同作用，以減小工件加工過程中的變形。由于零件的高度較高，且對(duì)零件的上端和下端都需要同時(shí)加工，所以將輔助支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上下兩層結(jié)構(gòu)，這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工部分的有效支撐。輔助支撐部分多采用42CRV材料，表面滲氮，硬度為絡(luò)氏58-62，不但具有較高的強(qiáng)度和硬度，而且耐腐蝕性好，不容易在切削液中浸泡生銹而破壞夾具精度。夾具中的24個(gè)輔助支撐塊間隙不超過0.01mm，位置度保持在0.1mm，能夠自由無間隙配合，減少摩擦力，這樣限力螺桿才能更好的發(fā)揮作用，起到加工吸震的作用。

2.2 高性能刀具選擇要點(diǎn)

在航空機(jī)匣高效數(shù)控加工中，刀具的合理選擇直接影響著零件的加工質(zhì)量、效率和成本。在選擇刀具時(shí)，主要考慮刀具的切削性能、可靠性、精度。

（1）車削刀具選擇。為滿足零件粗車加工要求，選擇頂角為80度的CNMG 或頂角為90度的SNMG 刀片，具備切削強(qiáng)度好、匹配合適的材料和形狀、刀具壽命較長等特點(diǎn)。選擇陶瓷車刀進(jìn)行粗車和半精車，甚至可以達(dá)到精車的目的，實(shí)現(xiàn)高速加工。對(duì)于高溫合金機(jī)匣零件精車要實(shí)現(xiàn)的目的是保證尺寸精度、表面粗糙度，需根據(jù)工藝過程要求，精加工刀片的選擇需滿足合適的前角、合理的斷屑槽形、較長的使用壽命等要求。

（2）銑削刀具選擇。粗加工刀具在滿足空間動(dòng)作的條件下，盡可能選用大直徑銑刀，這樣可以提高金屬去除率，提高加工效率。為降低成本，粗加工盡可能不采用整體硬質(zhì)合金刀具或精加工刀具。陶瓷刀具和飛碟銑刀是非常好的粗加工刀具，且加工效率是硬質(zhì)合金的6-10倍。 精加工時(shí)避免選用一把刀加工所有的部位，這樣的刀具往往直徑很小，加工效率非常低，正確的方法是根據(jù)不同的部位和不同的區(qū)域選用不同的刀。帶底刃圓角的刀相比較于球刀加工效率更高。

（3）鉆削刀具選擇。根據(jù)孔徑尺寸及精度選擇鉆削刀具，對(duì)于孔徑公差大于0.14mm，選用優(yōu)質(zhì)的帶涂層的鉆頭；對(duì)于孔徑公差小于0.10mm，選用鉆、鉸實(shí)現(xiàn)；大尺寸孔徑，選用U鉆加工效果較好；孔徑大于10mm精密孔，選用可換頭的鉸刀，加工效率非常高。

2.3 快速CAM技術(shù)要點(diǎn)

CAM技術(shù)及策略決定了機(jī)匣的加工質(zhì)量、加工效率、加工成本。在高壓渦輪機(jī)匣加工中，主要以高檔商用CAM軟件為3D建模和編程加工的平臺(tái)，結(jié)合零件的幾何形狀、刀具種類和切削參數(shù)，利用軟件的編程功能和實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行編程。

（1）車削加工。粗車編程的目的是以盡可能少的時(shí)間去除盡可能多的加工余量，采用CAM軟件自動(dòng)編程生成的循環(huán)程序。精車編程主要目的保證零件的尺寸和表面粗糙度的要求，增加刀補(bǔ)選項(xiàng)，中間加上暫停斷點(diǎn)，測(cè)量并修正刀位軌跡，直到加工出合格產(chǎn)品。

（2）銑削加工。環(huán)形機(jī)匣零件粗銑編程策略：沿圓周進(jìn)給或沿軸向向下切線進(jìn)給；用順銑方式加工；安排不同種類多種刀具實(shí)現(xiàn)精加工余量均勻（單邊1-2mm)；粗加工行距>刀具直徑的40%；高切深<5mm；進(jìn)給0.07-0.2mm/每齒；編程方式盡量不用5軸聯(lián)動(dòng)的方式編程；清根盡量選用帶底刃和圓角的刀具。

環(huán)形機(jī)匣零件精銑編程策略：沿圓周切線進(jìn)給；合理設(shè)置安全距離，減少空行程；用順銑方式加工，用切線切入，切線切出，改善表面粗糙度；精加工行距取決于零件表面粗糙度；進(jìn)給<0.1mm /每齒；編程方式采用固定軸、多軸相結(jié)合的方式；島嶼的底面清根盡量選用帶底刃和圓角的刀具，島嶼的側(cè)壁用刀具的側(cè)刃加工，以提高加工效率。

3 特征單元工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 粗銑機(jī)匣內(nèi)花邊

銑內(nèi)花邊環(huán)帶時(shí)，粗加工余量共10mm。為了提高效率，選用φ100玉米銑刀進(jìn)行粗加工，非標(biāo)刀體，刀片為SPMT100408-R IC928，加工參數(shù)為s=230r/min、F=40mm/min。更改粗精加工程序?yàn)榍芯€圓弧進(jìn)刀，減小加工中的機(jī)床扭矩。

采用傳統(tǒng)的加工方式本工序加工時(shí)間為24小時(shí)。經(jīng)過成批量加工試驗(yàn)，提高加工參數(shù)，優(yōu)化數(shù)控程序，更改刀具等，本工序加工時(shí)間降至4小時(shí)。

3.2 銑削機(jī)匣大端外型面

選用陶瓷刀具對(duì)大端外形面進(jìn)行高速銑削。在加工外部型腔時(shí)，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)到拐角處時(shí)，采用擺線切削，可避免切削力突然增大，否則產(chǎn)生的熱量會(huì)破壞材料的性能。高速切削加工主要采用回路切削，通過不中斷切削過程和刀具路徑，減少刀具的切入和切出次數(shù)，獲得穩(wěn)定、高效、高精度的切削過程。加工編程時(shí)對(duì)走刀路線的優(yōu)化（轉(zhuǎn)角處走圓角）對(duì)于改善刀具磨損狀況、提高刀具壽命作用很大。經(jīng)過大量的試驗(yàn)，刀具及選擇參數(shù)如表1和表2所示。

表1 φ50R6.35（3刃）銑中間環(huán)帶切削參數(shù)

刀體：KSSR050RN12CF03

刀片：RNGN120700T01020

表2 φ40R6.35（4刃）銑中間環(huán)帶切削參數(shù)

刀體：KIPR040RP12CF04

刀片：RPGN120400E KY1540

陶瓷刀具粗銑后，島嶼附近較窄區(qū)域的余量去除，刀具由φ25R5、φ25R12.5、φ20R2.5、Φ25R0.8、φ16R8整體合金改為刀片銑刀，降低成本，速度顯著提高。其優(yōu)化后的加工工藝參數(shù)如表3所示。

表3 合金片銑刀與整體合金的對(duì)比分析

3.3 面銑刀精銑環(huán)帶及曲面非法向矢量編程

為保證零件尺寸和表面要求，精加工中間環(huán)帶選用Ф50R6面銑刀、銑削島嶼間面改用Ф40R5面銑刀，為了減少接刀誤差，采用曲面非法向矢量編程技術(shù)，即刀具沿加工方向前傾一個(gè)角度來減少接刀誤差，以Ф50R6銑刀為例，前傾角為0時(shí)（法向加工），加工后的面接刀誤差0.2mm左右，前傾角為0.1度時(shí)，加工后的面接刀誤差0.03mm左右，具體如表4。

表4 前傾角與面偏差的關(guān)系表

4 應(yīng)用實(shí)例

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪機(jī)匣為例，進(jìn)行高效數(shù)控加工。該機(jī)匣材料為鎳基高溫合金，外廓尺寸：直徑φ797.9mm、高度287.27mm、最小壁厚2.2mm。

圖6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪機(jī)匣

采用所研究的系列化改進(jìn)工藝措施，全部銑削加工時(shí)間由214小時(shí)縮短至55小時(shí)，零件的整體加工時(shí)間由440多小時(shí)縮短至136小時(shí)，加工質(zhì)量穩(wěn)定，無超差，月交付能力從3臺(tái)提高到15-20臺(tái)，刀具成本大幅度降低，加工效率和制造質(zhì)量達(dá)到了國外同類企業(yè)相當(dāng)水平。

結(jié)束語

航空機(jī)匣制造技術(shù)是影響高檔航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量和效率的重要環(huán)節(jié)。本研究在分析了航空機(jī)匣的結(jié)構(gòu)及加工特點(diǎn)之后，制定了高效加工工藝方案，進(jìn)一步研究了夾具設(shè)計(jì)、刀具選擇、快速CAM等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其特征單元的高效加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。該研究在某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪機(jī)匣上進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，顯著提高了機(jī)匣制造效率和質(zhì)量。但是，與國外同類企業(yè)相比，許多技術(shù)細(xì)節(jié)有待繼續(xù)完善和發(fā)展，如在刀具壽命管理、快速CAM模板編程技術(shù)、高速切削、先進(jìn)生產(chǎn)管理等方面。

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