任軍學，田衛(wèi)軍，姚倡鋒，劉智武

（1.西北工業(yè)大學現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室，西安 710072；2. 中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，西安 710124）

但是，機匣數(shù)控多軸銑削加工制造過程中的變形機理、規(guī)律以及機匣制造過程中的變形控制方法仍然是機匣加工中的關(guān)鍵性難題[3]。本課題組通過多年的航空發(fā)動機機匣數(shù)控加工實踐與研究分析，在保證加工效率的前提下，總結(jié)提出了一套機匣的加工工藝方法，實踐證明可以有效達到控制加工變形、提高生產(chǎn)效率的目的。該工藝方法也可以應(yīng)用于類似薄壁零件的數(shù)控加工中，對航空發(fā)動機薄壁件的數(shù)控加工具有一定的實際意義。

發(fā)動機機匣種類與結(jié)構(gòu)特點

1 發(fā)動機機匣分類

航空發(fā)動機的機匣一般可以根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)、功能及材料進行劃分[4]。

圖1 航空發(fā)動機機匣結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing structure of aeroengine

機匣類零件如果按照設(shè)計結(jié)構(gòu)可以分成兩大類，即環(huán)形機匣和箱體機匣。環(huán)形機匣可以進一步分成整體環(huán)形機匣、對開環(huán)形機匣和帶整流支板的環(huán)形機匣。其中，整體環(huán)形機匣，例如燃燒室機匣、渦輪機匣等；對開機匣，例如壓氣機機匣；帶整流支板的機匣，例如進氣機匣、中介機匣、擴散機匣等；箱體機匣，例如附件機匣、雙速傳動殼體。

機匣如果按功能進行分類，在渦噴發(fā)動機上，有進氣處理機匣、低壓壓氣機機匣、高壓壓氣機機匣、燃燒室機匣、軸承機匣、渦輪機匣、加力燃燒室機匣、中央傳動機匣、附件機匣等；在渦扇發(fā)動機上，與渦噴發(fā)動機上不同的機匣還有進氣機匣、風扇機匣、中介機匣、渦輪后機匣、外涵機匣等。

機匣類零件按材料進行分類，現(xiàn)有鋁合金、鈦合金、耐高溫合金、高強度鋼、復合材料機匣等。例如：風扇機匣、附件機匣大多采用鈦合金材料和鋁合金材料；壓氣機機匣低壓部分一般采用高強度鋼材料，高壓部分一般采用鈦合金材料；渦輪機匣多采用鎳基高溫合金材料和高強度鋼材料。

2 發(fā)動機機匣結(jié)構(gòu)特點

隨著航空發(fā)動機更新?lián)Q代，發(fā)動機機匣的結(jié)構(gòu)形式也越來越復雜。

（1）整體式環(huán)形機匣結(jié)構(gòu)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(huán)形加強筋、環(huán)帶、凸臺；內(nèi)表面有環(huán)形槽、圓柱環(huán)帶及螺旋槽；圓柱環(huán)帶上分布有圓周的斜孔；殼體壁上設(shè)有徑向孔、異形孔及異性槽等，如圖2所示。

中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會(簡稱黨的十九大)于2017年10月18日至10月24日在北京召開，這是一場重要的大會，西方媒體對這場會議非常重視。 《每日電訊報》在報道“十九大會議”的過程中，往往會涉及習主席的某些思想。 在2017年10月15的新聞中，記者Connor介紹“十九大會議”即將召開，簡單論述了“中國共產(chǎn)黨全國代表大會”的歷史，然后指出習近平主席將會在會議上作報告，總結(jié)近五年來的成績，并闡述中國未來的發(fā)展政策。 記者Connor指出：“習主席第一任期內(nèi)的政策很可能將會得到延續(xù)，其中包括注重國內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展和政治穩(wěn)定以及將北京打造成為一個世界的中心?！盵1]

（2）對開式環(huán)形機匣結(jié)構(gòu)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(nèi)表面具有環(huán)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(jié)構(gòu)特點：該類機匣有鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)，一般由外環(huán)、內(nèi)環(huán)及空心整流支板組成。內(nèi)外環(huán)壁較厚，設(shè)置有徑向孔；內(nèi)環(huán)端面有螺栓孔；外環(huán)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(jié)構(gòu)特點：該類機匣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以看出，機匣結(jié)構(gòu)復雜，材料多為難加工材料，壁薄、局部結(jié)構(gòu)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(fā)動機機匣加工技術(shù)難點

機匣加工技術(shù)難點一方面體現(xiàn)在機匣材料本身難加工性上，另一方面是發(fā)動機機匣結(jié)構(gòu)特點帶來的難加工，如圖3所示。

1 材料特性造成加工難點

發(fā)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(xiàn)在：采用不銹鋼材料的機匣，在加工過程中，切削力一般比45#鋼要高25%以上，切削溫度也要高，加工過程容易出現(xiàn)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(xiàn)象。采用鈦合金材料的機匣，切削加工過程中，切削變形系數(shù)接近于1，因此，在刀具前刀面滑動摩擦劇烈，造成刀具磨損嚴重，同時，切削溫度要比45#鋼高出一倍以上。由于材料化學活性大、親和力強，易于產(chǎn)生表面硬化和黏刀現(xiàn)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(xiàn)象嚴重。由于材料導熱系數(shù)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。

圖2 某機匣結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Structural characteristics of a casing

圖3 機匣加工技術(shù)難點Fig.3 Technical difficulties in casing processing

由上述過程可以看出，機匣材料造成加工技術(shù)難點主要體現(xiàn)在切削過程中切削力大、黏刀現(xiàn)象嚴重、刀具磨損劇烈、切削溫度高及應(yīng)力引起的變形大。

2 機匣結(jié)構(gòu)造成加工難點

機匣結(jié)構(gòu)復雜，腔槽周圍分布很多特征島嶼、凸臺、孔系、槽、筋等特征，壁薄并且變化劇烈，也造成了加工工藝上的難度[5]。就環(huán)形機匣而言，其毛坯成型方法主要有鍛造毛坯、鑄造毛坯和焊接毛坯，材料切除率達到70%以上，結(jié)構(gòu)一般分為內(nèi)外兩部分，內(nèi)部主要是渦輪葉片承載部分，因此，加工質(zhì)量要求很高，加工精度達到±0.02mm。機匣外部連接的發(fā)動機附件系統(tǒng)包括油路、冷卻、控制系統(tǒng)以及管路、泵體等。因此，復雜特征多、加工要求高，尤其位置精度要求高，造成對每一個特征，必須采用不同的加工方法。其次，沿著發(fā)動機軸向方向，前端的安裝邊、前槽等部分的法蘭結(jié)構(gòu)上分布著大量孔系，孔所在部位壁較薄，孔深小，加工中易變形。另外，由于前安裝邊是機匣的設(shè)計基準，又是重要的加工工藝基準。因此，對孔系的加工具有很高的尺寸精度和位置精度要求。最后，沿著軸向與燃燒室連接的機匣后端部位，除了法蘭結(jié)構(gòu)上具有復雜孔系外，沿著機匣加強筋部位周邊還分布著放氣孔，該類孔一般與發(fā)動機軸線成一定角度，這些特殊結(jié)構(gòu)的異型孔加工難度很大。

在加工工藝上，除了結(jié)構(gòu)復雜工藝難度大外，部分機匣采用的對開結(jié)構(gòu)，若在加工過程中采用分散與組合加工相結(jié)合，會由此造成二次定位，影響加工一致性。因此，為了保證機匣裝配體的使用功能，保證機匣加工要求，機匣加工質(zhì)量必須通過復雜的工藝系統(tǒng)保證。其次，加工過程引起的變形問題也是機匣加工的另一個難點，按照常規(guī)工藝過程加工，總會出現(xiàn)沿著機匣腔槽邊緣由外向內(nèi)誤差越來越大現(xiàn)象。而變形誤差會引起后期發(fā)動機葉片工作的顫振，直接影響到整機的性能和使用壽命。

發(fā)動機機匣加工工藝策略

機匣作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，其制造質(zhì)量的高低對航空發(fā)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(tǒng)工程技術(shù)，它不僅涉及到刀具技術(shù)、材料技術(shù)、還與編程技術(shù)、管理技術(shù)等密切關(guān)聯(lián)。本課題組通過多年實踐總結(jié)，針對機匣的結(jié)構(gòu)特點和工藝難點提出了一套針對機匣加工的優(yōu)化工藝。

1 面向加工的機匣參數(shù)建模

機匣的參數(shù)建模需要根據(jù)具體機匣結(jié)構(gòu)特征進行。首先需要進行機匣零件的結(jié)構(gòu)特征分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀，結(jié)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(jù)建立的基本特征系之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系或者約束條件，建立關(guān)聯(lián)表達式和特征分叉樹。最后，分析各特征所依賴的基準關(guān)系及約束關(guān)系，在這些基礎(chǔ)上確定形位尺寸加以數(shù)值約束，并由此創(chuàng)建機匣的機體特征，在機體特征上進一步創(chuàng)建附加特征。機匣是一個典型的回轉(zhuǎn)殼體類零件，其基本特征就是截面回轉(zhuǎn)特征，該截面可以采用參數(shù)化草圖方式表達，因此，可以看做是主特征，見圖4。而其余特征均是基于回轉(zhuǎn)特征創(chuàng)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(nèi)形特征系。外形特征系包含有安裝邊、回轉(zhuǎn)殼體、臺階面等。其中回轉(zhuǎn)特征系最為復雜，包含的結(jié)構(gòu)特征最多。例如，在特征區(qū)域下，包含了安裝孔特征系、腔槽特征系、凸臺特征系等（圖4（a））。這些特征系構(gòu)成了最基本的加工制造單元，內(nèi)形特征系包含了前安裝邊、后安裝邊和回轉(zhuǎn)內(nèi)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。

圖4 某燃燒室機匣特征結(jié)構(gòu)Fig.4 Characteristic structure of a combustion chamber

通過具體的結(jié)構(gòu)分析與特征分解、基準體系分析過程，以面向制造為單元建模，借助通用三維設(shè)計平臺（例如UG、CATIA等）可以快速構(gòu)建機匣類復雜回轉(zhuǎn)殼體零件的參數(shù)化幾何模型。

2 機匣工藝路線優(yōu)化

針對機匣加工過程中變形問題，課題組經(jīng)過實踐與研究總結(jié)，對工藝過程從初始毛坯到切削工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，如圖5所示。

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(yīng)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(jié)省材料。一般情況下，毛坯還應(yīng)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(jié)構(gòu)，避免額外規(guī)劃工藝凸臺。針對機匣的典型結(jié)構(gòu)，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(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

機匣工藝路線制定基本原則就是：先基準后其他、先粗后精、先主后次、穿插進行、先面后孔，具體而言就是機匣的加工一般分為3個階段：粗加工、半精加工和精加工[6]。粗加工階段：主要去除各表面的大部分余量，對尺寸精度和表面精度要求不高。粗精加工區(qū)別對待，粗加工效率優(yōu)先，精加工質(zhì)量優(yōu)先。半精加工階段：去除熱處理產(chǎn)生的變形，完成各次要表面的最后加工，給精加工奠定基礎(chǔ)。精加工階段：完成全部表面最終加工，并保證機匣的全部技術(shù)要求，特別是對主要表面的要求。在工藝制定時要兼顧加工精度與效率，合理分配加工余量。例如，本課題組針對某燃燒室機匣在工序分散原則基礎(chǔ)上，對每一階段的加工余量進行優(yōu)化，以有利于零件的變形控制。原則是在保證零件具有裝夾剛性和可控變形量內(nèi)盡可能早地去除加工余量，甚至采用無余量。在工藝安排上除了遵循上述原則外，本課題組還采用Third Wave Systems公司的專業(yè)化有限元切削仿真軟件AdvantEdge FEM對切削力的動態(tài)切削變化過程進行了預測，以切削力、切削溫度為控制目標達到優(yōu)化工藝切削參數(shù)，優(yōu)化過程如圖7所示。銑削時根據(jù)機匣尺寸及壁厚各階段的加工余量分布大致如下：燃燒室機匣粗銑余量1～1.25mm，半精銑余量 0.2～0.5mm；風扇機匣粗車余量1～1.25mm，半精車余量0.2～0.3mm。最后，采用均勻?qū)ΨQ加工余量分布和內(nèi)外型對稱切削方式，即指根據(jù)零件余量及走刀次數(shù)對加工順序進行調(diào)整，使在同一工序內(nèi)，內(nèi)外型面交替加工直至最終尺寸。其目的就是促使初始殘余應(yīng)力逐步對稱釋放，從而減小殘余應(yīng)力變形。

經(jīng)過實踐與仿真對比，刀具參數(shù)在車削過程中一般選用半徑為0.8mm或1.2mm的SECO刀片，這樣既能保證加工質(zhì)量，又能兼顧加工效率[7]。銑削加工時刀具一般選用整體硬質(zhì)合金立銑刀、快速銑刀、插銑刀以及成形刀具。在切削參數(shù)選擇方面，通過試驗證明，切削深度對切削力影響最大，因此切削深度不宜選擇過大，最后一刀時切削深度應(yīng)取小值以減小彈性變形；另一方面為保證加工效率，應(yīng)根據(jù)總加工余量值，切削深度應(yīng)隨加工刀數(shù)逐漸減小，并可適當提高進給量及主軸轉(zhuǎn)速，但是進給量與切削速度對零件殘余應(yīng)力及零件表面質(zhì)量影響顯著，因此在最后一刀時應(yīng)以降低進給量及主軸轉(zhuǎn)速為宜。

本課題組實踐證明，通過上述工藝路線的優(yōu)化可以有效達到控制加工質(zhì)量的目的。

圖5 機匣工藝路線優(yōu)化策略Fig.5 Optimization strategy of casing process route

圖6 某燃燒室機匣裝夾Fig.6 A combustion chamber casing clamp

圖7 工藝優(yōu)化過程Fig.7 Process optimization flow

3 機匣數(shù)控刀位軌跡優(yōu)化

刀位軌跡在規(guī)劃時，始終遵循在能夠保證后續(xù)銑削加工應(yīng)有余量的前提條件下，對于機匣回轉(zhuǎn)面和凸臺四周，盡可能多地在粗加工階段去除余量，從而縮短加工工時，提高加工效率。例如，針對燃燒室機匣這類多島嶼復雜結(jié)構(gòu)件可采用行切與環(huán)切相結(jié)合的方式進行插銑加工，如圖8所示。為最大限度地去除毛坯，對凸臺外圍的區(qū)域采用等高行切法可改善插銑加工時因插銑深度不同引起的刀具磨損加劇問題，提高加工效率，降低加工成本；然后在內(nèi)島嶼周圍以凸臺平面法向為刀軸矢量繞凸臺插銑走刀。

其次，本課題組還針對快速銑削方式，進行加工區(qū)域劃分，如圖9所示，構(gòu)建了快速銑削刀軌導入機匣特征造型中，作為加工程序的控制曲線，將機匣選為檢查面，在保證無干涉的情況下，生成了余量去除最多、效率最高的快速銑削開槽加工程序，并在凸臺部位進行了清根加工。

針對機匣凸臺四周精銑及清根加工凸臺周圍的外圓面在機匣外形精銑中已銑削到位部分，只留凸臺側(cè)面余量2mm，采用和凸臺定面法線同方向的固定刀軸方式，進行連續(xù)兩刀的環(huán)切加工。為保證切入切出的平穩(wěn)性，所有凸臺精銑均采用圓弧進退刀方式進行加工。其次，采用外形結(jié)合凸臺的銑削方式，將凸臺周圍的外圓銑削整合到外形銑削中，雖然增加了刀位軌跡的創(chuàng)建難度，但是減少了加工程序的數(shù)量，提高了加工效率，如圖10（a）所示。再次，對于與凸臺無依附關(guān)系的加強筋圓角及相鄰輪轂面片之間的過渡圓角通常采用四軸聯(lián)動加工，如圖10（b）所示。對于發(fā)生干涉的區(qū)域，通過使用機匣表面刀具半徑偏置面對刀位軌跡進行裁剪，保留非干涉軌跡，生成回轉(zhuǎn)面銑削加工程序。通過上述刀位估計的優(yōu)化極大提高了機匣的加工效率和加工質(zhì)量。

圖8 插銑加工刀位軌跡Fig.8 Machining tool path of plunge milling

圖9 加工區(qū)域劃分Fig.9 Division of machining region

圖10 清根加工刀軸控制Fig.10 Control of Machining tool axis

結(jié)束語

航空發(fā)動機機匣空間結(jié)構(gòu)形狀較復雜，材料加工難度大，零件表面加工精度要求高。本文主要從目前多軸數(shù)控加工角度對機匣加工的技術(shù)難點和工藝路線進行了分析與總結(jié)。通過對機匣結(jié)構(gòu)特征、數(shù)控加工難點，以及數(shù)控加工工藝策略3個方面對機匣的加工質(zhì)量控制問題進行了分析闡述。實際生產(chǎn)證明，本文所提出的綜合工藝方案合理可行，可以達到機匣零件預期的技術(shù)、質(zhì)量與經(jīng)濟指標。同樣該套工藝方案對類似薄壁零件的加工也具有一定的借鑒作用，有一定的推廣價值。

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