王明河 趙興福 　梁傳宇

摘要：航空發(fā)動機機匣類零件是發(fā)動機關(guān)鍵的零部件，傳統(tǒng)加工工藝不僅加工工藝難度大、加工成本高，而且加工周期長。針對航空發(fā)動機機匣類零件加工難題，應(yīng)用數(shù)控設(shè)備進行零件加工，能夠有效解決機匣類加工難題。但是在實際加工中，數(shù)控程序編制的質(zhì)量直接影響加工質(zhì)量。因此，為了能夠提高航空發(fā)動機機匣類零件的加工質(zhì)量，下面結(jié)合機匣類零件的特點詳細分析了數(shù)控程序路徑的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；機匣；零件；數(shù)控程序；優(yōu)化

1.航空發(fā)動機機匣類零件的特點

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，目前我國航空發(fā)動機制造技術(shù)已經(jīng)成為綜合國力和科技水平的重要標志之一，為了不斷提高發(fā)動機制造技術(shù)，近年來發(fā)動機的性能和結(jié)構(gòu)也在不斷的提高和改進，其中航空發(fā)動機機匣結(jié)構(gòu)也越來越先進，也越來越復(fù)雜。航空發(fā)動機機匣類零件類常用的主要是鈦合金、高溫合金、不銹鋼以及硬質(zhì)合金、復(fù)合材料等，加工難度非常大。航空發(fā)動機機匣類零件空間曲面形狀復(fù)雜，其中機匣零件結(jié)構(gòu)特點為中空外環(huán)形面，外環(huán)形面一般分布有條數(shù)不等的環(huán)形凸緣，機匣表面分布有形狀各不相同凸臺等。由于機匣毛坯是自鍛件，加工余量很大，而且零件材料切削難度大，表面質(zhì)量精度高，要求沒有裂紋、鑄層等冶金缺陷，所以進一步增加零件的加工難度。在機匣類零件加工的過程中，為了保證尺寸加工精度和零件表面加工質(zhì)量，同時也進一步為了防止零件加工后變形，所以在數(shù)控程序編制中應(yīng)綜合考慮，以提高加工質(zhì)量。

2.機匣類零件數(shù)控程序路徑的優(yōu)化方案分析

某航空發(fā)動機機匣零件其最大直徑為Φ678mm，零件壁厚1.7mm，其材料為鈦合金，毛坯為鍛造圓環(huán)，其從毛坯加工到機匣成品約需要去除80%以上的加工余量，由于發(fā)動機機匣外型面無橫向加強筋，所以加工后容易發(fā)生變形，通過對機匣加工工序和走刀路徑進行優(yōu)化，使用UG編程軟件編制循環(huán)程序控制工件變形，以期提高加工質(zhì)量和效率。

2.1.機匣工序的優(yōu)化分析

在航空發(fā)動機機匣類零件加工中，數(shù)控加工工序的選擇是影響加工質(zhì)量的最大的環(huán)節(jié)，也是提高加工率效的重要的步驟，也是加工耗時最長、技術(shù)難度最大的一個環(huán)節(jié)。一般情況下，機匣加工中大多數(shù)金屬去除量都是采用數(shù)控手段去除。機匣類零件加工方案的確定一般由設(shè)計圖紙的工藝分析和工序劃分組成，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)有較好的工藝性，應(yīng)該注意零件各個加工部位結(jié)構(gòu)是否符合數(shù)控加工、便于數(shù)控加工，另外還應(yīng)該注意零件尺寸精度是否符合加工要求，尺寸是否充足或者是否存在封閉尺寸。

2.2.走刀路徑的優(yōu)化分析

通過分析機匣結(jié)構(gòu)及其特點，對工件車削加工和銑削加工走刀的方式進行工藝設(shè)計，其走刀路線主要采用刀路相對走刀和區(qū)域?qū)ΨQ加工走刀方式，以能夠控制工件變形。其中銑加工主要采用分區(qū)域?qū)ΨQ銑削加工，而車加工決定采用相對走刀方式，以消除工件應(yīng)力，對工件變形起到抑制的作用。

車加工機匣內(nèi)斜面的走刀路線主要設(shè)計了兩種方式，一種是傳統(tǒng)的，一種是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的，對比效果如圖1所示。圖中順序號為加工順序，箭頭表示刀具切削方向。圖（a）所示為傳統(tǒng)加工方式車削圖，圖中內(nèi)圓斜面主要采用一把刀具將整個斜面加工完成，所以其在加工的過程中主要采用一個方向的走刀路徑，這種方式編程特點是簡單，但是在加工過程中一直受到一個方向的切削力，且在每一層切削中都會形成最長的薄壁，所以切削力很容易引起工件的變形。而優(yōu)化改進后的加工方式主要采用從下到上和從上到下相對走刀的方式進行加工斜面，兩個刀路對向加工，切削層深交錯疊進，保證每一次切削都處在機匣壁較短、較厚，剛性較好的狀態(tài)中，這種加工方式能夠有效的抵消切削力，減小零件變形。

圖1 車斜面走刀路徑對比圖

一般地，銑削加工傳統(tǒng)的銑削方式主要采用周向順次銑削方式，其主要從0°到360°順銑削，加工區(qū)域順序及切削走刀路線分布如圖2所示，順次加工區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3，而優(yōu)化后的銑削方式為分區(qū)域?qū)ΨQ銑削，即將工件外形面根據(jù)其幾何特征分為不同的區(qū)域，在加工的過程中，首先進行加工0°到45°的區(qū)域，然后在對稱銑削180°到225°的區(qū)域，然后接著銑削加工45°到90°和315°到360°的區(qū)域。這種優(yōu)化的區(qū)域?qū)ΨQ銑削方式可以使零件各向均勻變形，能夠更好的控制零件的表面余量和型面精度。

圖2 區(qū)域切削刀路分布圖

2.3.循環(huán)程序的應(yīng)用

在航空發(fā)動機機匣零件加工中，傳統(tǒng)車削加工的程序編制為輪廓程序，其加工現(xiàn)場主要由工人憑著經(jīng)驗自主進行加工，在加工的過程中，由于不同工人加工切削參數(shù)不一致，所以質(zhì)量不穩(wěn)定，另外由于人為干預(yù)，容易造成在數(shù)控加工中補刀錯誤，進而導(dǎo)致工件報廢。為了有效避免上述問題，本例采用UG軟件編制循環(huán)程序，通過調(diào)整加工程序和切削參數(shù)等信息，并在程序中自動設(shè)置好分層的切屑軌跡，即可不需要進行人工調(diào)整，就能夠?qū)崿F(xiàn)自動加工，同時還能夠有效減少工人讓刀次數(shù)，進而達到降低加工風(fēng)險和提高加工質(zhì)量的目的。下圖為循環(huán)程序的UG設(shè)置界面。

圖3 循環(huán)程序UG設(shè)置界面

其中調(diào)整前后的程序軌跡對比圖如下圖4所示，其中加工順序為圖中序號所示，而切削方向用箭頭表示。由圖4所示：傳統(tǒng)的車加工方式首先將①的外圓和端面全部的余量加工完成之后，再進行加工②③的止口和斜面的余量，而優(yōu)化改進后的車加工方式主要采用分層切削的方式進行加工：首先按照圖中所示的①到⑧的加工順序?qū)⒐ぜ系亩嗣?、外圓以及止口和斜面等表面均勻的加工一層，然后再按照⑨～⑩的順序加工第二層，整個加工過程都采用相對走刀的方式進行加工，其中粗加工和半精加工主要采用分層切削，同時還保證其加工深度在2mm以下，每一層全部切削完成之后，再開始切削第二層，逐層遞進，直到整個工件加工完成。這種加工方式不僅能夠?qū)⒐ぜ?nèi)部應(yīng)力均勻釋放，而且還能夠有效減少扭曲變形，提高工件加工質(zhì)量。

圖4循環(huán)程序調(diào)整前后程序軌跡對比圖

3.加工結(jié)果分析

通過在機匣零件加工中對走刀路徑進行優(yōu)化改進以及運用循環(huán)程序，不僅能夠有效減少零件加工中人為操作造成的錯誤，而且實現(xiàn)了自動加工和提高生產(chǎn)效率，另外通過對數(shù)控程序路徑進行優(yōu)化，也能夠有效控制工件變形，提高加工質(zhì)量，值得推廣應(yīng)用。

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作者簡介：

王明河（1973-），男（漢族），本科學(xué)歷，哈爾濱市，中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司，主任工藝師/高級工程師，中航工業(yè)發(fā)動機集團公司二級專家，研究方向：數(shù)控加工與仿真應(yīng)用技術(shù)及高速加工技術(shù)研究。