王鐵海

摘 要：作為航空器心臟的關(guān)鍵組成部件，航空發(fā)動機機匣在制造業(yè)領(lǐng)域具備非常特殊的地位， 本文討論了優(yōu)化航空發(fā)動機機匣加工技術(shù)的意義，指出了機匣加工工藝優(yōu)化的目標，最后，分析比較了幾種不同的航空發(fā)動機機匣加工工藝。

關(guān)鍵詞：航空;發(fā)動機;機匣;加工

1.優(yōu)化航空發(fā)動機機匣加工技術(shù)的意義

飛機已經(jīng)成為全世界普遍使用的交通工具和運輸工具。在今年的新冠疫情期間，航空運輸由于其高效的特點在全球范圍內(nèi)抗擊疫情中發(fā)揮了重大作用。航空運輸和交通以及與之相關(guān)的各項產(chǎn)業(yè)在全世界各國的地位和作用都越來越重要。

飛行器制造產(chǎn)業(yè)是一個國家和地區(qū)科技、制造業(yè)乃至綜合實力的整體體現(xiàn)，與之相關(guān)聯(lián)的可以有數(shù)千家企業(yè)、機構(gòu)，和幾十萬從業(yè)人員，對一個國家的科技水平、經(jīng)濟發(fā)展甚至是軍事安全都有著很大影響。

發(fā)動機是航空器的最核心組成部分，航空發(fā)動機的制造工藝水平代表了一個國家的科技實力和制造業(yè)實力，體現(xiàn)了這個國家在諸多領(lǐng)域內(nèi)的科技水平。航空發(fā)動機機匣起到支撐起發(fā)動機的框架作用，是航空發(fā)動機不可缺少的構(gòu)成部分。不同類型的航空器，所采用的發(fā)動機不同，發(fā)動機機匣也因而有著顯著不同。發(fā)動機機匣種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣，加工要求精度高，制造成本高，周期也比較長，航空發(fā)動機機匣的工作環(huán)境惡劣，低溫、強風、高壓等諸多不利于發(fā)動機機匣穩(wěn)定的因素都伴隨著發(fā)動機機匣的工作。隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代航空器發(fā)動機的工藝水平不斷提升，新設(shè)計、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。各種合金、復(fù)合材料接連出現(xiàn)。機匣結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，所整合的功能也越來越多，越來越強大，給機匣零件也提出了更高的制造要求。與此同時，加工過程中存在的制造成本高、效率低等問題與機匣功能要求越來越高形成了尖銳矛盾。因此，不斷提高和完善航空發(fā)動機機匣加工工藝對于航空器制造水平提高有著十分重大的意義。

2 機匣加工工藝優(yōu)化的目標

不同工藝方案必然存在著不同的參數(shù)，優(yōu)化加工工藝，就是通過確定合理參數(shù)，使制造水平達到最高，這就是加工工藝優(yōu)化的目標。質(zhì)量、效率、成本三者構(gòu)成了互相制約互相影響的工藝優(yōu)化目標。

3 幾種工藝對比

3.1 多軸數(shù)控銑削

我國航空發(fā)動機的機匣型面，基本都是使用多軸數(shù)控銑削完成。發(fā)動機機匣的傳統(tǒng)加工工藝幾乎已經(jīng)發(fā)展到極致，下一階段的工藝提高必然要依靠數(shù)字化手段。數(shù)字化的工藝系統(tǒng)能夠是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可以通過適當設(shè)置參數(shù)，使用軟件調(diào)節(jié)來自動適應(yīng)各種不同情況的生產(chǎn)實際，全面提升發(fā)動機機匣的工藝水平。數(shù)控機床就是數(shù)字化工藝的一個具體體現(xiàn)，數(shù)控機床甫一出現(xiàn)就立即引起了全球工業(yè)界的高度重視。數(shù)控機床是我國制造業(yè)不能錯過的發(fā)展機遇，只有數(shù)控機床能夠?qū)崿F(xiàn)制造業(yè)的加工自動化。數(shù)控機床的發(fā)展，提出了對掌握數(shù)控技術(shù)的人才要求。今后的數(shù)控技術(shù)將不僅僅局限在制造業(yè)領(lǐng)域，而是會對社會的方方面面和各個行業(yè)都產(chǎn)生深遠影響。

航空發(fā)動機機匣零件外部表面呈環(huán)形，分兩部分，有兩條環(huán)形帶狀凸起邊緣，呈對稱狀。機匣毛坯是自鍛件，加工余量較多，一般來說，機匣零件所使用的材料強度較大，難于切削，為了加工精度和質(zhì)量有保障，避免零件加工失敗，外型表面的加工應(yīng)當分層、塊進行，通過科學設(shè)計走刀路徑，留好加工余量，分多次加工完成，可以有效避免材料變形。

3.2 電火花高效放電銑

電火花高效放電銑類似于數(shù)控銑削，是使用一定長度的銅質(zhì)導(dǎo)管做為電極，通過導(dǎo)向裝置實現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)向，加工時，銅質(zhì)導(dǎo)管在高速旋轉(zhuǎn)，同時在導(dǎo)管與機匣零件間施加高頻大強度脈沖電流，加工區(qū)域以液體保持冷卻、排出加工碎屑，再使用軟件系統(tǒng)控制運動，形成加工形狀，實現(xiàn)高效高質(zhì)量加工。

電火花高效放電銑加工工藝具有以下特點。一是可用于復(fù)雜表面發(fā)動機機匣零件加工;二是加工出的機匣表面顯微裂紋和再鑄層厚度都比較大;三是對加工時間要求高，材料表面受電擊會大量產(chǎn)熱，易影響加工精度，甚至燒傷零件表面;四是與其他工藝相比，加工效率高;五是環(huán)境友好，無污染;六是設(shè)備成本適中。

電火花高效放電銑的放電產(chǎn)熱會使工件表面產(chǎn)生裂紋、并形成再鑄層，并且此過程較為隨機，難于控制。此外，銅質(zhì)導(dǎo)管會在加工過程中不斷消耗，為了達到較高的加工效率有必要加大電流強度，而這又會進一步導(dǎo)致裂紋加深、再鑄層加深。因此此工藝適用于表面形狀復(fù)雜不規(guī)則的零件。

3.3 電解加工

電解加工根據(jù)零件尺寸設(shè)計加工程序，通過周期式循環(huán)，進行加工。在周期內(nèi)的小間隔進行作業(yè)，大間隔進行沖洗，保障了加工精度。通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)自動測量和反饋加工余量，自動確定加工間隙，當一個電解周期結(jié)束后，電極退回，沖洗液進行自動沖洗，排除廢液。電極退回的過程中斷電，可以避免過度加工。一個周期加工結(jié)束后，系統(tǒng)再重新評估電極位置，計算加工余量，移動電極到適當位置，再次加工，如此反復(fù)至加工結(jié)束。

電解加工工藝有以下特點。一是加工精度高，電解加工的加工間隙小，因此可以實現(xiàn)高精度加工;二是加工效率高，通過電極的陽極溶解反映，實現(xiàn)蝕除，對電流利用效率高，因此加工效率也比較高;三是雜散腐蝕減小，棱邊、銳度提高;四是加工穩(wěn)定性好，在電極退回過程中，電解液被自動抽吸，完成更新;五是加工表面較為光滑，質(zhì)量好;六是加工難度相對較低。

與其他工藝相比較，電解加工工藝表面無溫度劇烈變化、反映過程平緩，不形成顯微裂紋，工藝簡單，雖然不適于表面形狀復(fù)雜不規(guī)則的零件，但對于加工較為簡單、難度低的零件，可以大批量加工，生產(chǎn)效率較高。

3.4 磨粒流加工

磨粒流加工即使用加入了磨料的流體，通過高壓噴射，切割、磨削工件表面，起到加工的作用。該工藝還可以優(yōu)化流動系數(shù)或提高某些零件的高、低周疲勞強度。磨料流加工是指在含磨料、粘彈性化合物或磨料介質(zhì)的壓力下，通過夾具在待拋光、去毛刺和半徑區(qū)域上來回流動。該工藝已廣泛用于汽車零部件的精加工：進排氣管、進氣門、增壓腔、噴油器、噴油嘴、氣缸頭、渦輪殼體和葉片、花鍵、齒輪、制動器等。工作時，裝有零件的夾具固緊在上、下介質(zhì)缸中間形成封閉的通道，磨流介質(zhì)在擠壓力作用下從下介質(zhì)缸開始，通過欲加工工件被表面擠壓到上介質(zhì)缸，然后磨流介質(zhì)再從上介質(zhì)缸反向流過夾具、工件到達下介質(zhì)缸，完成一個加工循環(huán)，選定加工參數(shù)可實現(xiàn)自動循環(huán)加工和自動停止。

3.5 仿真加工

航空工藝設(shè)計成本高、周期長，這兩個特點不僅增加了傳統(tǒng)工藝設(shè)計的難度，而且是傳統(tǒng)工藝無法根本解決的。能夠解決各類歐式幾何或非歐幾何對象的快速構(gòu)造和處理問題，從而為各類生產(chǎn)過程的仿真提供有力支撐。因此，對發(fā)動機關(guān)鍵零部件傳統(tǒng)工藝采用數(shù)字化仿真加工手段進行優(yōu)化改造勢在必行。工藝仿真能夠在三維沉浸感的虛擬環(huán)境中真實再現(xiàn)一個具體的工藝過程，并且允許用戶實時操作工藝設(shè)備或改變相關(guān)參數(shù)。它是產(chǎn)品設(shè)計與制造過程的有力輔助工具。即在開始真正加工之前，通過軟件模擬出完整的加工過程，通過模擬加工過程來發(fā)現(xiàn)問題，清除各種錯誤，減少實際加工出現(xiàn)問題的可能性，以達到改進設(shè)計方案，完善加工過程，提高加工工藝的控制力，減少工時的目的。這要求仿真系統(tǒng)能夠快速地構(gòu)造、修改、刪除各種類型的幾何模型，如鍛造過程的毛坯變形、石塊破碎過程的石塊對象生成和消亡，而目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)幾何模型構(gòu)造、變形、破碎恰是瓶頸之一。它作用包括清除編程錯誤和改進切削效率 ，提高數(shù)控程序?qū)τ膊馁|(zhì)零件、薄壁零件的切削性能。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動機機匣表面不規(guī)則，形狀多變不統(tǒng)一，加工使用的材料也多為強度大、硬度高的合金等，零件表面也不能存在過多、過深的顯微裂紋，加工難度大、精度要求高。發(fā)動機機匣的制造一直都是航空器制造領(lǐng)域內(nèi)的一個難題。本文分析討論了機匣加工的幾種工藝，希望能對發(fā)動機機匣的加工技術(shù)研究起到拋磚引玉的作用。各種工藝有不同的適用條件，也有不同的特點。因此，必須要根據(jù)機匣設(shè)計方案，科學選擇加工工藝，設(shè)置加工參數(shù)，通過數(shù)字化手段提高加工精度，不斷完善加工工藝。

參考文獻：

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[2]張正義.面向三維復(fù)雜零件工藝優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].華中科技大學，2008.