鄧元山，胡志星，冷紅標(biāo)，朱朝霞

中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

鋁鎂機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件，主要承接發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)、滑油潤(rùn)滑系統(tǒng)及外掛發(fā)動(dòng)機(jī)部件[1]，其外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)鑄油路多，尺寸精度高。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，故其加工工藝復(fù)雜，加工流程長(zhǎng)；加工方法比較傳統(tǒng)，切削方式有待改進(jìn)，切削效率不高；傳統(tǒng)刀具質(zhì)量不穩(wěn)定、反復(fù)裝夾誤差大，手工攻螺紋內(nèi)容多，易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。這些因素導(dǎo)致目前鋁鎂機(jī)匣加工周期長(zhǎng)、切削效率偏低及質(zhì)量穩(wěn)定性不好。

新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造精度要求越來(lái)越高，所需求的制造技術(shù)也在不斷升級(jí)，正由手工作業(yè)、機(jī)械化、數(shù)控化向自動(dòng)化、柔性化、智能化單元制造技術(shù)升級(jí)轉(zhuǎn)變，這種單元制造技術(shù)具有自動(dòng)找正、自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)補(bǔ)償功能和刀具管理、監(jiān)控功能。刀庫(kù)內(nèi)刀具可實(shí)現(xiàn)共享，加工程序可各自調(diào)用，在更換零件或更換工序時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)，連續(xù)不間斷加工，以滿足典型鋁鎂機(jī)匣的高效復(fù)合加工要求。

2 機(jī)匣高效復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 機(jī)匣高效復(fù)合加工工藝流程重構(gòu)

目前鋁鎂機(jī)匣加工工藝路線分粗加工、半精加工、精加工[2]；按加工設(shè)備可分為數(shù)控車(chē)床加工、數(shù)控立式加工中心加工、數(shù)控四軸機(jī)床加工、數(shù)控五軸機(jī)床加工、鉗修等工序，其特點(diǎn)是加工工序多、使用的設(shè)備多及生產(chǎn)周期長(zhǎng)。圖1、圖2所示的是典型零件鋁鎂機(jī)匣1和鋁鎂機(jī)匣2的原加工工藝流程。

圖1 鋁鎂機(jī)匣1原加工工藝流程

圖2 鋁鎂機(jī)匣2原加工工藝流程

如何重構(gòu)工藝流程、減少加工工序、縮短生產(chǎn)周期是本次研究的首要任務(wù)，經(jīng)研究分析，所需的條件：①要有更先進(jìn)的設(shè)備。②需分析試驗(yàn)工序集中的生產(chǎn)方式能否滿足質(zhì)量要求。③需對(duì)現(xiàn)有工件的裝夾技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。

（1）加工設(shè)備的選用 研究選用的是一臺(tái)高精度銑車(chē)復(fù)合五軸加工中心設(shè)備，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)車(chē)削、五軸銑削復(fù)合加工，使用的是高速高精的SHK100刀柄，機(jī)床主軸、床身、切削液配有恒溫冷卻裝置，可實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度檢測(cè)與補(bǔ)償，主軸最高轉(zhuǎn)速12000r/min，定位精度0.006mm，重復(fù)定位精度0.003mm，刀庫(kù)容量200把，可自動(dòng)交換工作臺(tái)8個(gè)，與MES相連能實(shí)現(xiàn)訂單式生產(chǎn)過(guò)程管控，單工序流或多工序、多品種混流生產(chǎn)，屬于單臺(tái)柔性復(fù)合制造單元。

（2）工序集中生產(chǎn)方式優(yōu)缺點(diǎn)分析 工序集中的優(yōu)點(diǎn)：①有利于采用高效的專用設(shè)備和數(shù)控機(jī)床，提高生產(chǎn)效率，減少工序數(shù)目，縮短工藝路線，簡(jiǎn)化生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)組織工作。②可減少機(jī)床數(shù)量、操作人員和占地面積。③能減少工件裝夾次數(shù)，不僅可保證各加工表面的相互位置精度，還能減少夾具數(shù)量和縮短裝夾工件的輔助時(shí)間。

工序集中的缺點(diǎn)：專用設(shè)備和工藝裝備投資大、調(diào)整維修比較麻煩、生產(chǎn)準(zhǔn)備調(diào)試加工周期長(zhǎng)，如果采用專用設(shè)備，不利于轉(zhuǎn)產(chǎn)。

隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，特別是復(fù)合加工中心的應(yīng)用，工藝路線的安排更趨向于工序集中。單件小批量、多品種生產(chǎn)時(shí)，更適合采用工序集中的復(fù)合加工、柔性生產(chǎn)方式。

（3）機(jī)匣裝夾方式的創(chuàng)新 原工藝路線中數(shù)控立式車(chē)床加工、五軸機(jī)床加工工序需獨(dú)立進(jìn)行，分別采用不同的夾具，現(xiàn)銑車(chē)復(fù)合加工，將工序加工內(nèi)容進(jìn)行集中，原有的夾具與現(xiàn)有的加工內(nèi)容會(huì)產(chǎn)生干涉，需對(duì)夾具進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其主要做法如下。

1）將原一面兩孔定位改為一面三孔定位。一面三孔定位限制了工件6個(gè)自由度，優(yōu)點(diǎn)是定位精度高且穩(wěn)定可靠，要注意的問(wèn)題是一面三孔定位屬于過(guò)定位，對(duì)夾具制造精度和零件定位孔的加工精度要求非常高，如優(yōu)化后典型零件鋁鎂機(jī)匣1加工的第一道工序——銑車(chē)復(fù)合機(jī)床加工的3×φ6mm的定位孔和第三道工序——銑車(chē)復(fù)合機(jī)床加工的3×φ7.9mm定位孔位置度都控制在0.015mm以內(nèi)，兩端端面平面度、平行度可達(dá)到0.01mm，完全能滿足過(guò)定位裝夾方式，特別是在第四道工序——銑車(chē)復(fù)合機(jī)床精車(chē)時(shí)，已無(wú)需操作人員再手動(dòng)找正零件中心與機(jī)床B軸中心重合，可以依靠夾具定位直接保證。

2）將原上端面壓緊、側(cè)面凸臺(tái)壓緊改為只靠面利用工藝螺栓孔反拉固定裝夾零件。如圖3所示，采用螺栓倒拉固定方式，壓緊在底端毛坯剛性好的部位，消除了零件壓緊變形誤差，解決了加工過(guò)程中夾具壓板、螺栓發(fā)生干涉的問(wèn)題。

圖3 零件裝夾示意

通過(guò)加工試驗(yàn)，重構(gòu)其加工工藝路線，使用銑車(chē)復(fù)合五軸加工單元，將加工工藝分為先零件正反兩面兩道粗加工、再正反兩面兩道精加工共4道工序來(lái)完成，有效簡(jiǎn)化了加工流程；同時(shí)利用現(xiàn)有設(shè)備新功能和加工技術(shù)創(chuàng)新，將原來(lái)人工攻螺紋、鉗工刮削等內(nèi)容轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工。最終，重構(gòu)的鋁鎂機(jī)匣1和鋁鎂機(jī)匣2加工工藝流程如圖4所示。

圖4 鋁鎂機(jī)匣重構(gòu)后的加工工藝流程

2.2 機(jī)匣高效復(fù)合加工中新的質(zhì)量控制技術(shù)

原有的機(jī)匣數(shù)控加工過(guò)程中，零件的工序質(zhì)量控制方式是每一批零件、每一道工序的第一個(gè)零件必須經(jīng)過(guò)三坐標(biāo)檢測(cè)并滿足首件二檢合格后方可往下加工，計(jì)量等待時(shí)間一般都＞2h，造成零件生產(chǎn)中斷，設(shè)備停機(jī)等待?，F(xiàn)通過(guò)機(jī)內(nèi)在線測(cè)量與補(bǔ)償加工技術(shù)，對(duì)工序中的關(guān)鍵重要尺寸進(jìn)行檢測(cè)控制，可取消每道工序的首件計(jì)量要求，只需在所有銑車(chē)復(fù)合工序加工完成后，對(duì)工件進(jìn)行全尺寸三坐標(biāo)計(jì)量檢測(cè)即可，有效減少了工序間的測(cè)量等待時(shí)間。

（1）機(jī)匣加工在機(jī)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用 具體如下。

1）優(yōu)化實(shí)時(shí)在線測(cè)量技術(shù)，確保關(guān)鍵重要尺寸精度 現(xiàn)有的銑車(chē)復(fù)合五軸加工中心設(shè)備自帶在機(jī)測(cè)量功能，能實(shí)現(xiàn)工序加工中的尺寸控制與補(bǔ)償，縮短了數(shù)控加工中工件的找正時(shí)間，提高了裝夾加工效率和產(chǎn)品合格率，為數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化加工提供了有力支撐。

其要點(diǎn)是零件關(guān)鍵重要尺寸應(yīng)放在所有粗加工、半精加工完成后再進(jìn)行，由于工序集中，加工時(shí)間較長(zhǎng)，所以在零件的自身應(yīng)力得到有效釋放后，再對(duì)關(guān)鍵重要尺寸進(jìn)行精加工，會(huì)獲得很好的幾何尺寸精度。其執(zhí)行過(guò)程中需注意的是：首先需將零件自動(dòng)沖洗干凈；測(cè)量前一定要先重新校準(zhǔn)測(cè)頭，再對(duì)零件進(jìn)行尺寸測(cè)量和工件零點(diǎn)找正；零件最后精加工切削參數(shù)要與試切時(shí)保持一致；同時(shí)在測(cè)量結(jié)果判斷時(shí)設(shè)置允許誤差值變化的公差范圍，超出公差范圍系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，以此來(lái)確保測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

2）實(shí)時(shí)找正工件原點(diǎn)，規(guī)避機(jī)床熱變形誤差。機(jī)床受自身結(jié)構(gòu)和工作溫度、環(huán)境溫度影響，在工作中從早至晚8h內(nèi)一般可產(chǎn)生0.03～0.06mm的熱變形誤差，主要影響Y軸與Z軸位置精度，如處理不好將會(huì)直接造成零件超差。其具體改進(jìn)方法是：在零件每道加工工序的夾具上設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)平面，在線測(cè)量系統(tǒng)使用前，先將測(cè)頭進(jìn)行自身實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，再進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)量找正及補(bǔ)償，以此判別、調(diào)整機(jī)床熱變形誤差和測(cè)量系統(tǒng)誤差。機(jī)床停機(jī)2h以上時(shí)，零件加工前要運(yùn)行預(yù)熱程序15min來(lái)確保機(jī)床主軸、床身處于熱平衡、熱穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）刀具壽命及狀態(tài)管理 具體如下。

刀具壽命控制主要通過(guò)機(jī)床系統(tǒng)的刀具壽命管理功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，每把刀均可設(shè)置切削控制時(shí)間和報(bào)警提示時(shí)間，加工中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄刀具的切削時(shí)間，當(dāng)切削時(shí)間達(dá)到下限報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)更換刀具提示報(bào)警，如未及時(shí)更換，此刀具將禁用，停止加工。

1）自動(dòng)對(duì)刀與破損監(jiān)測(cè)。該設(shè)備的刀庫(kù)中自帶機(jī)內(nèi)、機(jī)外紅外對(duì)刀系統(tǒng)，可采用標(biāo)準(zhǔn)刀進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)。刀具使用前根據(jù)需要執(zhí)行機(jī)內(nèi)自動(dòng)對(duì)刀，切削完返回刀庫(kù)后可進(jìn)行機(jī)外破損對(duì)刀檢測(cè)，當(dāng)?shù)毒咧睆?、長(zhǎng)度數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)出報(bào)警，提示刀具出現(xiàn)問(wèn)題。如果小尺寸刀具在加工中出現(xiàn)斷刀，再放回到刀庫(kù)時(shí)機(jī)外對(duì)刀裝置檢測(cè)后會(huì)發(fā)出報(bào)警，以確保加工過(guò)程受控，刀具監(jiān)控流程如圖5所示。

圖5 刀具監(jiān)控流程

2）自適應(yīng)切削功率監(jiān)控。功率監(jiān)視系統(tǒng)可在加工期間應(yīng)用功率監(jiān)視器對(duì)每把刀具所達(dá)到的最大吸收值進(jìn)行記錄學(xué)習(xí)，在主軸旋轉(zhuǎn)后和切削加工程序段（G1、G2 或G3）前插入功率監(jiān)視器指令PWM（50，2），即可對(duì)加工時(shí)異常情況進(jìn)行切削功率監(jiān)控。其PWM（50，2）的含義是對(duì)應(yīng)于主軸吸收值的50%的最大功率閾值，并且干預(yù)延遲為0.2s。

2.3 機(jī)匣高效加工中切削效率的優(yōu)化提升方案

（1）用銑削方式替代端面偏心槽的車(chē)削加工 鋁鎂機(jī)匣1端面有1個(gè)φ449.4mm偏心環(huán)槽，如圖6所示，一般選擇的加工工藝是數(shù)控車(chē)削，但圓槽中心與零件的回轉(zhuǎn)中心不重合，有25.4mm的偏心尺寸，數(shù)控車(chē)床加工前需要重新找正夾具25.4mm的偏心孔，是單獨(dú)一道數(shù)控車(chē)削工序。當(dāng)使用銑車(chē)復(fù)合設(shè)備時(shí)，可以使用銑削來(lái)替代數(shù)控車(chē)削，使用五軸的定向加工指令將坐標(biāo)系偏移25.4mm。由于銑槽加工時(shí)，零件不轉(zhuǎn)動(dòng)，所以工作臺(tái)不會(huì)產(chǎn)生離心力，利用小銑刀的高速旋轉(zhuǎn)，其加工效率比數(shù)控車(chē)削提高1倍，且無(wú)需再重新裝夾找正夾具和零件。

（2）用銑車(chē)方式替代原粗車(chē)加工 如圖6中A-A所示，零件毛坯小端φ C位置加工余量大，一般采用車(chē)削加工去除余量，但由于零件較大，當(dāng)零件旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的離心力大，導(dǎo)致切削效率低、加工時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)采用銑刀高速高效的銑車(chē)混合方式代替粗車(chē)加工，再采用車(chē)刀精車(chē)至最終尺寸，零件的切削時(shí)間可減少1h，時(shí)間縮短75.6%。

圖6 鋁鎂機(jī)匣1端面偏心環(huán)槽示意

（3）切削刀具的選用與改進(jìn) 在航空機(jī)匣高效數(shù)控加工中，刀具選擇直接影響著零件的加工質(zhì)量、效率。在選擇刀具時(shí)，主要考慮刀具的切削性能、可靠性和加工精度[3]。

1）三刃鉆在螺紋底孔與螺栓孔加工中的應(yīng)用。三刃整體合金鉆頭屬于中型硬質(zhì)合金鉆頭，在螺紋底孔與螺栓孔加工中可用三刃鉆取代原中心鉆、鉆頭、鏜刀，一次加工至尺寸，加工效率比麻花鉆提高3～5倍，且孔徑尺寸穩(wěn)定，位置度和垂直度好。其主要特點(diǎn)：①比二刃麻花鉆頭鉆心厚、強(qiáng)度高，從而補(bǔ)償了硬質(zhì)合金韌性差的弱點(diǎn)。②刀尖前端形成特殊形狀，切削時(shí)可自動(dòng)定心，無(wú)需加工中心孔。③切削刃多、定心好使得每轉(zhuǎn)進(jìn)給量增大2～3倍，又可進(jìn)行高速切削，從而可大幅縮短加工時(shí)間。④加工精度高，尺寸精度達(dá)H7，位置精度可提高1倍。⑤刀具壽命長(zhǎng)，加工合金鋼、鑄鐵和鋁合金可分別增大1～2倍。⑥切削刃多，鉆頭定心好，適合加工孔深為3～4倍徑的孔。

2）鋁鎂合金專用銑刀與復(fù)合刀具的應(yīng)用。采用鋁鎂合金專用銑刀，實(shí)現(xiàn)機(jī)匣的高速、高效優(yōu)質(zhì)加工。該銑刀一般采用0.6μm超細(xì)微高速鋼材料制成，熱處理淬火后硬度58HRC，具有很高的耐磨性和強(qiáng)度，屬于高硬度高速切削應(yīng)用銑刀。刀具一般采用三刃、35°螺旋角，雙刃帶+圓弧韌帶設(shè)計(jì)，超大容量排屑槽，使得排屑更流暢，刃口持久鋒利，切削力小，尺寸控制好。

將同位置多尺寸的臺(tái)階孔加工中原使用的中心鉆、鉆頭、埋鉆、鏜刀和倒圓、倒角等刀具合并設(shè)計(jì)為復(fù)合刀具，一次將多組尺寸加工到位，例如用60°、90°、120°三把倒角銑刀代替原各專用定尺寸倒角刀，用埋孔和高速銑削的方式加工倒角尺寸和去除毛刺，有效減少了刀具數(shù)量、換刀時(shí)間和鉗工工作量。

（4）對(duì)數(shù)控攻螺紋技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與提升，取代鉗工手工攻螺紋操作 在本次研究過(guò)程中所有螺紋都是通過(guò)數(shù)控攻螺紋來(lái)完成的，有效取代了鉗工手動(dòng)攻螺紋作業(yè)，提高了螺紋加工精度和生產(chǎn)效率。由于數(shù)控攻螺紋針對(duì)螺紋超差的補(bǔ)救措施比較少，所以易造成整個(gè)機(jī)匣報(bào)廢。分析螺紋超差的主要情況有絲錐發(fā)生斷裂引起螺紋破損超差，主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給同步誤差過(guò)大造成螺紋尺寸超差，絲錐跳動(dòng)過(guò)大、攻螺紋時(shí)絲錐位置與底孔位置同軸度不好引起螺紋超差等，特別是加工中徑公差帶只有0.03～0.05mm的AJ螺紋時(shí)困難更大。其解決方案如下。

1）優(yōu)化攻螺紋程序。所使用設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)為西門(mén)子840D sl，其中CYCLE84攻螺紋指令中有多項(xiàng)細(xì)節(jié)功能選項(xiàng)，對(duì)預(yù)防絲錐斷裂，螺紋尺寸超差有較好的保護(hù)作用，主要功能：①主軸定向準(zhǔn)停功能?？蓪?shí)現(xiàn)一個(gè)螺紋孔多次重復(fù)攻螺紋而不亂牙。②前饋控制功能（FFWON）?？墒构ヂ菁y加工過(guò)程中動(dòng)作連續(xù)平順。③加速度優(yōu)化功能。能有效減少攻螺紋時(shí)的沖擊力，預(yù)防絲錐瞬間切削力增大導(dǎo)致的絲錐斷裂。④底部暫停延時(shí)功能。絲錐斷刀80%都發(fā)生在退刀時(shí)主軸反轉(zhuǎn)的那一瞬間，此功能配合預(yù)控制、加速度、加速功能的使用，絲錐加工到底端時(shí)會(huì)精準(zhǔn)地停下來(lái)，然后再慢速啟動(dòng)平穩(wěn)回退，可有效避免主軸反轉(zhuǎn)時(shí)瞬間扭矩增大和減小進(jìn)退刀慣性。

2）微量柔性攻螺紋刀柄的使用。微量柔性攻螺紋刀柄在軸向和徑向分別有0.5mm和0.2mm的浮動(dòng)變化量，既能獲得好的螺紋位置與尺寸精度，又能緩沖抵消各種伺服誤差和瞬間扭矩增大的問(wèn)題，起到保護(hù)絲錐和提高螺紋精度的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)采用銑車(chē)復(fù)合技術(shù)重構(gòu)優(yōu)化工藝路線、使用高效加工方法、應(yīng)用在線測(cè)量技術(shù)、改進(jìn)原機(jī)匣加工的刀具、使用設(shè)備刀具管理功能監(jiān)控刀具壽命和創(chuàng)新零件裝夾方式等方面，全面提升鋁鎂機(jī)匣加工品質(zhì)，將鋁鎂機(jī)匣加工周期整體縮短50%，切削效率提升60%以上，質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。

通過(guò)應(yīng)用在機(jī)自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)找正和刀具壽命監(jiān)控等新技術(shù)及對(duì)切削方式、加工刀具、裝夾方式的改進(jìn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)鋁鎂機(jī)匣高效復(fù)合加工，為同類加工提供一定的借鑒方法。