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        裝配式結構進氣機匣機械加工技術

        2021-02-19 03:13:18吳旭剛康靖宇
        中國新技術新產(chǎn)品 2021年23期
        關鍵詞:支板外環(huán)機匣

        吳旭剛 康靖宇 方 達

        (中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司,遼寧 沈陽 110043)

        0 引言

        隨著航空發(fā)動機性能水平不斷提升,工況更加惡劣,進氣機匣類零件的裂紋故障對發(fā)動機整機的影響日益嚴重,但焊接技術在現(xiàn)有進氣機匣類零件上發(fā)揮著不可替代的作用,如何取消進氣機匣焊接部分結構成為新型發(fā)動機嘗試改進的重點。近年來,機加水平的提升、增材制造等技術的成熟為新結構進氣機匣的產(chǎn)生奠定了基礎,按照最大程度減少進氣機匣總焊接量的設計理念,裝配式進氣機匣零組件隨之出現(xiàn)。

        裝配式進氣機匣僅在外環(huán)集氣腔位置進行焊接,支板自身應用增材制造和機械加工的方法進行生產(chǎn),支板與外環(huán)、內(nèi)環(huán)的配合狀態(tài)均從焊接更改為裝配,使用螺釘、螺母及銷釘緊固,同時前軸承機匣的精加工也在進氣機匣組件中進行。雖然裝配式進氣機匣的焊接量顯著減少,但是裝配過程問題多、操作難度大[1],缺少類似結構零件的加工經(jīng)驗,并且前軸承機匣的裝配導致內(nèi)環(huán)加工空間減小、尺寸及技術條件的精度要求提高。因此,須對新結構進氣機匣的加工研制進行探索,制定一套滿足其設計要求的成熟方案。

        1 研究內(nèi)容及目標

        裝配式進氣機匣屬于裝配輪輻式機匣-進氣機匣家族,是設計人員為減少進氣機匣類零件的總焊接量而研發(fā)的新結構進氣機匣類零件,裝配式進氣機匣由機匣外環(huán)、集氣罩、整流支板、內(nèi)環(huán)前段、內(nèi)環(huán)后段、前軸承機匣6個部分組成,其結構如圖1 所示。該機匣基體最大直徑約為1000mm,最小直徑約為170mm,軸向高度超過240mm。外環(huán)全部安裝座輪廓均須使用銑加工方法加工成型;17 個支板與外環(huán)通過精密孔定位、特制螺母擰緊、銷釘固定,支板與內(nèi)環(huán)前后段2個半部通過螺釘擰緊、34個直徑φ5mm、長34mm 的銷釘固定;裝配后須對前軸承機匣進行組合精加工,前軸承機匣前后端面跳動為0.02mm,與進氣機匣外環(huán)基準的徑向同軸度為φ0.01mm。

        圖1 裝配式進氣機匣三維模型

        由于目前缺少完全裝配式結構進氣機匣的加工經(jīng)驗,為確保首臺產(chǎn)品合格交付,須根據(jù)現(xiàn)有批量生產(chǎn)進氣機匣的加工方法以及設計相關意圖制定特殊工藝方案。

        與傳統(tǒng)進氣機匣相比,裝配式進氣機匣具備以下4 個特點:1)進氣外環(huán)安裝座及型面須銑加工整體成型,加工去除量成倍增加。2)支板內(nèi)外側均通過精密孔及凹槽定位、螺母及銷釘緊固,裝配時支板懸空,裝配穩(wěn)定性差。3)支板通過3D 打印方法快速成型,支板的尺寸精度及材料的機加性能無法確定。4)前軸承機匣的精密尺寸須進行組合加工,且螺樁等裝配件會影響組合件的加工可達性。

        該文按照零組件研制的流程,從專用工裝、路線安排、加工方法、裝配方案等幾個方面著手,結合梳理出的零件結構特點,對零件的工藝方案進行制定,保證零件首臺合格交付。

        2 專用刀具加工驗證

        2.1 外環(huán)集氣腔深斜槽銑加工

        裝配式進氣機匣外環(huán)集氣腔位置,存在多處斜槽結構,寬6mm 斜槽的側壁圓角為R3mm,須選用直徑φ6mm且懸長大于40mm 的銑刀進行加工,刀具的長徑比在7 倍以上,刀具的加工剛性差。

        切削時為盡可能地減少刀具受力彎曲,采用小切深、多分層、三軸聯(lián)動(端刃、側刃同時參與切削)的加工方法,每層切削深度0.5mm,共計加工40 余層,加工路線為沿槽外側平面進行平行走刀,可有效控制刀具變形,減小讓刀量。

        2.2 外環(huán)集氣腔根部圓角銑加工

        裝配式進氣機匣外環(huán)集氣腔槽底有大圓角加工尺寸要求,須使用前端R2.5mm 的T 型銑刀加工,但其刀桿僅為5mm,刀具的剛性很差,且刀具端R過大時加工受力大,銑加工凹槽內(nèi)腔時刀具消耗約為0.5 把刀/槽(共17個槽)。

        將凹槽內(nèi)腔尺寸與T 型銑刀尺寸進行對比,決定增加無端R的T 型銑刀對轉接圓角大余量位置進行銑加工去除,將圓角根部的加工余量從單邊7mm 降低至單邊2mm,之后再使用前端R2.5mm 的T 型銑刀保證最終尺寸;經(jīng)調(diào)整后,將該位置的刀具消耗從0.5 把刀/槽降低至0.05 把刀/槽,加工時間從2h/槽降低至0.5h/槽。

        3 專用夾具現(xiàn)場驗證

        3.1 加工用夾具設計與使用

        為提高加工系統(tǒng)剛性,設計并制作機械加工專用夾具,零件裝夾狀態(tài)如圖2 所示。由于零件的組合加工內(nèi)容涉及內(nèi)、外環(huán)多個位置的精密止口尺寸,須使用專用夾具進行輔助加工;使用外環(huán)前端安裝邊支撐并壓緊,配備薄壓板(壓板前沿厚度<9mm);輔助支撐內(nèi)環(huán)前段端面,提高加工系統(tǒng)剛性,輔助支撐可自由調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)輔助支撐時在零件內(nèi)環(huán)上端面進行壓表測量,保證輔助支撐接觸零件后壓表的示數(shù)無變化,防止輔助支撐將零件擠壓變形,控制零件裝夾及系統(tǒng)剛性不足引起的變形。

        圖2 加工裝夾示意圖

        3.2 裝配用夾具設計與使用

        為保證組合件裝配操作的可執(zhí)行性,設計并制作專用裝配夾具輔助定位支板及內(nèi)環(huán)各組成件實現(xiàn)裝配。設定外環(huán)前端的端面及其外圓止口作為裝夾定位基準,并在內(nèi)環(huán)位置以內(nèi)環(huán)前段的端面及其內(nèi)止口制作一個輔助支撐環(huán),內(nèi)、外環(huán)的高低差按照理論數(shù)值進行設定。裝配時按照“外環(huán)殼體—內(nèi)環(huán)前段—17 個支板—內(nèi)環(huán)組件”的順序依次進行各組成零件的放置與配合,進而完成相應的全部裝配工作。

        4 外環(huán)高效銑加工現(xiàn)場驗證

        4.1 外環(huán)高效銑加工

        由于該進氣機匣的支板為裝配結構,進氣外環(huán)的支板安裝座須隨同外環(huán)殼體整體機加成型。傳統(tǒng)進氣機匣外環(huán)僅須進行車加工及銑窗口,新結構進氣機匣外環(huán)則須進行大量的五軸型腔銑加工。進氣外環(huán)的總材料去除率高達90%,其中銑加工材料去除量占總去除量的約34%,銑加工量過大,銑加工最深位置超過32mm,常規(guī)層銑加工會消耗大量的時間,同時會損耗大量的刀具。

        合理運用螺旋銑加工技術及擺線銑加工技術[2]。在銑加工外環(huán)徑向孔時,使用φ10mm 端銑刀進行螺旋插補銑加工,使φ16mm、φ18mm、φ21mm 三種規(guī)格孔使用一種刀具一次加工完成;在加工外環(huán)安裝座間大區(qū)域、大余量位置時,采用層銑開槽、擺線高效銑加工的方式去除大余量,層銑開槽的目的是為擺線銑加工預留進退刀空間,應用擺線銑加工方法對安裝座間32mm 深余量進行去除,設定加工殘留高度0.005mm,每層切深約1mm,轉速1200r/min,進給速度600mm/min,加工效率是層銑的3 倍以上,且最大程度地使用了刀具的切削刃全長。擺線高效銑加工去除余量后零件各位置的狀態(tài)如圖3 所示。

        圖3 擺線銑加工效果圖

        4.2 外環(huán)根部圓角高效加工

        進氣外環(huán)的外型面徑向圓角和根部圓角均要求R為3mm,即所有型面的清根加工必須使用φ6mm 球銑刀進行,而側壁最深位置超過35mm,加工讓刀嚴重,須反復上刀,嚴重影響加工效率。

        為避免使用φ6mm 球銑刀進行過大余量的清跟加工,應使用不同規(guī)格的刀具逐步去除根部余量。首先使用φ20mm 端R3mm 銑刀將側壁余量去除至0.2mm,再使用φ10mm 端R3mm 銑刀將側壁余量完全清除、僅剩余圓角位置余量,最后選用刃長大于35mm 的φ6mm 球銑刀使用輪廓程序進行型面清根加工,最大程度地減少讓刀量,保證在圓角位置使用φ6mm 球銑刀一次走刀即可加工合格,消除重復走刀、提高加工效率。

        4.3 精密配合尺寸及技術條件加工

        內(nèi)環(huán)尺寸及其技術條件比基準的設計要求高,常規(guī)工藝路線為先加工基準、再進行精密尺寸加工[3],該方法很難保證最終的技術條件合格。

        通過工藝評審后確定:焊接組件加工后在基準位置單邊預留0.2mm 余量、裝配組件加工后在高精度要求位置單邊預留0.2mm 余量,在完成除裝配螺樁以外的零組件全部加工及裝配工作后,最后進行所有精密尺寸及基準位置的組合精加工,保證其技術條件符合設計要求。

        對裝配組件組合精車前后自由狀態(tài)的跳動值進行檢測。組合精車前,外環(huán)基準面A 端跳為0.035mm、基準圓B 圓跳為0.12mm,內(nèi)環(huán)最上側端面C 端跳為0.03mm、圓面D 圓跳為0.01mm,對比余量的設定,變形量在加工余量范圍內(nèi),可滿足機加需求。組合精車后,外環(huán)基準面A端跳為0.02mm、基準圓B 圓跳為0.04mm,內(nèi)環(huán)前后端面端跳為0.01mm、圓面D 圓度為0.005mm。各車加工的精密配合尺寸及其技術條件均滿足設計要求。

        5 3D 打印支板的機加性能探索

        裝配式進氣機匣的支板單件自身由焊接成型更改為3D 打印快速成型,支板結構如圖4 所示,該材質(zhì)零件此前無相關的機械加工經(jīng)驗。且在裝配組件中,須在支板外側螺紋結合處加工精密銷釘孔17 個,該位置為斷屑加工且兩側的材料不一致,加工尺寸為φ3mm+0.01mm;還須在支板內(nèi)側加工φ20mm+0.033mm 精密定位孔4 個、φ5mm+0.03mm 精密配合孔34 個,且均存在與其他零件接觸位置,產(chǎn)生2 種材質(zhì)零件同時參與加工的問題。

        圖4 3D 打印材質(zhì)進氣支板

        支板外側螺紋結合處精密銷釘孔的加工,確定并應用的加工方案:φ2.5mm 端銑刀豁窩—φ2mm 中心鉆打點—φ2.5mm 合金鉆頭鉆底孔—φ2.9mm 合金擴孔刀擴孔—φ8mm 倒角刀孔口倒角—φ3mm 合金鉸刀鉸孔(鉸刀刃長在8mm~10mm、刀具裝夾懸長20mm)。緊固螺母表面的鍍銀起到隔絕螺紋結合面的作用,對加工性能無明顯影響;3D 打印材質(zhì)支板的加工性能與重力澆鑄材質(zhì)鑄造零件的加工性能相似,硬度略高,加工時應略微降低進給速度,避免刀具崩刃。

        內(nèi)環(huán)徑向孔組合精加工必須使用直角彎頭進行,由于內(nèi)環(huán)空間狹窄,加工位置的直徑尺寸不足φ198mm,彎頭及刀具在零件內(nèi)部極易發(fā)生干涉碰撞。選用φ19.8mm、φ21.8mm 合金擴刀和φ20mm、φ22mm 合金鉸刀,刀具刃長及懸長在40mm~50mm,過小會導致加工不到孔底、過大會導致彎頭后部與零件碰撞;刀具總長在80mm~90mm,刀柄過長時彎頭無法全部夾持,會變相增加懸長;刀柄直徑應為φ20mm,使用的刀具如圖5 所示。在程序試運行時,須關注彎頭、刀具與零件內(nèi)腔在5 個方向的間隙量,避免發(fā)生碰撞。

        圖5 加工使用的刀具圖

        內(nèi)環(huán)存在34個φ5mm+0.03mm 深34.5mm 的銷釘孔,且孔位于凹槽底部,孔口距離凹槽上端面距離為30.6mm,這就需要刀具不僅要有足夠的刃長、還要有足夠的懸長。選用φ4.5mm 合金鉆頭、φ4.9mm 合金擴刀和φ5mm+0.02mm 合金鉸刀,所有刀具的有效刃長大于35mm,且刀具的懸長(直徑不大于φ5mm 的距離)大于65mm,刀柄位置變徑加粗至φ6mm。鉆底孔時分層加工,每層加工深度為3mm~4mm,擴孔、鉸孔可一次加工至孔底,實現(xiàn)該位置的組合精加工。

        6 結論

        該技術針對裝配式進氣機匣的加工模式進行探索,從零組件結構分析、加工路線制定、裝配操作方法等方面著手,針對裝配式進氣機匣的結構特點,確定出合理的工藝路線、余量分配、精密尺寸及技術條件的控制方法,形成一套適合新結構裝配式進氣機匣現(xiàn)場加工使用的工藝文件,完成首臺裝配式進氣機匣的研制加工并全尺寸合格交付,對后續(xù)該類型家族零件的加工及裝配提供可借鑒的成熟經(jīng)驗。

        該技術改變了傳統(tǒng)進氣機匣以焊接為主的加工理念,嘗試進行裝配式結構進氣機匣的探索與研制,也為后續(xù)進氣機匣的設計改進優(yōu)化提供支持。

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