馮湛

[摘 ?要]某型機高壓壓氣機前機匣是一個結(jié)構(gòu)復雜、技術(shù)含量高、加工難度大的大型精密薄壁對開機匣。整個機匣上各種徑向孔、軸向孔多達500余個?？椎姆N類繁多，尺寸公差與技術(shù)條件要求嚴格，表面粗糙度要求高。在發(fā)動機類零件的鉆、鏜、鉸孔加工中具有一定的代表性。本文著重介紹前機匣高效孔加工工藝改進過程和實施方法。

[關(guān)鍵詞]高效鉆 ?鏜 ?鉸切削 ?工藝路線

中圖分類號：TG124.8 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0021-03

1、引言

航空發(fā)動機的制造是一個國家制造業(yè)的典型代表，它集制造業(yè)的設(shè)計、工藝、材料、加工、質(zhì)量控制等領(lǐng)域的高、精、尖技術(shù)為一體。結(jié)構(gòu)復雜、壁薄、材料難加工、尺寸精度高是發(fā)動機零件的典型特征。與飛機等其它裝備相比，航空發(fā)動機制造在材料、結(jié)構(gòu)空間的可加工性、精度等諸方面有更高的要求，更能體現(xiàn)一個國家制造業(yè)的制造水平。

擴大新機的生產(chǎn)能力這是國防建設(shè)的需要，也是國際形勢的需要，重要的是對航空發(fā)動機行業(yè)生產(chǎn)能力和水平的巨大考驗和挑戰(zhàn)。根據(jù)以往的情況來看，提高年產(chǎn)能力的形成僅靠傳統(tǒng)技術(shù)改造的設(shè)備投入（數(shù)控加工設(shè)備占較大比例）是不可能達到的，畢竟資金、場地、熟練的操作者等等都是有限的。因此，必須在技術(shù)改造引進加工設(shè)備的同時，注重提高設(shè)備的應用水平和應用效率才是根本。因此，我們應該在某新型發(fā)動機轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)之前以先進制造技術(shù)中的核心技術(shù)之一——數(shù)控加工技術(shù)為突破口，以及機匣類零件中的關(guān)鍵零件為載體，展開高效數(shù)控加工技術(shù)在發(fā)動機零件制造中的應用研究，達到提升整個航空發(fā)動機行業(yè)數(shù)控加工技術(shù)水平和數(shù)控加工效率的目的。

本項目以某型機發(fā)動機前機匣為載體，進行了詳細的工藝分析。目前現(xiàn)有的鉆孔、鏜孔和鉸孔加工程序，其工藝是80年代首件試制時編制的，多年以來一直就沒有進一步完善與提高，沿襲了普通設(shè)備加工的切削參數(shù)。因此與外型面的銑加工，內(nèi)型腔的車加工一起構(gòu)成了前機匣的三大重要“瓶頸”工序。這種加工格局存在一定的不足，再不進行改進，就不能滿足某型機定型后批量生產(chǎn)的需要，在解決了前機匣外型面的高效銑削后，精密孔的高效加工就成了我們重點研究的當務之急。只有解決了三大典型工序，才有可能建立起機匣加工的高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)線。為解決這一問題，從2003年起，我們對機匣的三大工序陸續(xù)采用新工藝、新技術(shù)，進行了全面的研究，前機匣高效精密鏜孔加工技術(shù)研究是其中的一個重要分支。

2、前機匣零件結(jié)構(gòu)分析

發(fā)動機高壓壓氣機前機匣是某型機機械加工中結(jié)構(gòu)最復雜的機匣，其加工周期長，技術(shù)要求高、加工難度大。機匣材料是鈦合金，為對開式結(jié)構(gòu)。該零件在制造過程中有三大關(guān)鍵工序，即：外形面銑削加工、內(nèi)形面車削加工和徑向鏜孔加工，這三道工序都具備了加工周期長，難度高的特點。前機匣僅徑向孔、前、后端面孔，對開縱向結(jié)合面裝配連接孔等就多達500多個。 其中包含280個鑲?cè)~片的徑向孔，分布在外型面的0-3級梁上（見圖2.1）。

孔直徑公差為0.018，位置度不超過0.1。這些孔兩側(cè)都有臺階孔（見圖2.2）。

而整個機匣內(nèi)外型腔車、銑加工完畢后，整個機匣壁厚只有2.5毫米，由于機匣壁較薄，孔加工時會對加工尺寸產(chǎn)生影響。除此之外，前、后安裝邊上分布有高精度的軸向定位孔與連接孔。機匣的上、下兩半部對開結(jié)合處有連接裝配孔。在1-6級腔槽中又分布有構(gòu)型復雜的各種直的、斜的凸臺、一些臺階孔就位于這些凸臺上。斜凸臺上的孔與發(fā)動機軸線空間夾角不盡相同，需要在五坐標加工中心上主軸擺動一定角度才能加工。如采用普通設(shè)備，每加工一個空間角度不同的孔，就要配一套工裝，無論在加工成本上，還是在加工周期上，都不劃算。前機匣的這種結(jié)構(gòu)給加工帶來了相當大的難度。

3.高效精密孔加工工藝路線、加工方法優(yōu)化

3.1 工裝夾具的調(diào)整

我們對現(xiàn)行的鏜孔夾具作了分析，現(xiàn)有的夾具材料是原來車間自己設(shè)計的鋁盤，材料較軟，多年使用后，局部已經(jīng)不平。而本道工序?qū)ξ恢枚鹊囊筝^高，夾具的基本狀態(tài)不佳，勢必對加工的結(jié)果有影響?；诖?，我們對前機匣一些工序的夾具進行了篩選分析，發(fā)現(xiàn)本道工序的夾緊限位尺寸與鏜軸向孔工序相同，這兩道工序可以公用一個夾具，該夾具是具有正式工裝號的夾具，這樣既保證了夾緊的狀態(tài)又可以節(jié)省科研試制的成本。改進零件的裝夾方案，增加工藝系統(tǒng)的剛性，對高效加工至關(guān)重要。

3.2 工藝性分析及加工方法的優(yōu)化

原精鏜工序在NOVAR四坐標加工中心上進行，該設(shè)備是90年代引進的。280個鑲?cè)~片的精密徑向孔形狀見圖2.2與圖2.3，孔直徑公差是：0.018，位置公差是0.1，孔的內(nèi)、外兩側(cè)均有臺階，非常難加工。原來的加工路線是：打點→鉆孔→鏜孔→鉸孔→反锪內(nèi)腔臺階孔→正锪外腔臺階孔。特別是機匣的內(nèi)腔臺階孔按原加工方法采用的是反锪加工。一般來說反锪刀頭與刀桿是兩體，如果加工一個內(nèi)臺階孔，首先主軸夾持反锪刀桿從底孔緩緩進入內(nèi)腔一定長度。主軸停止進給，由守候在工作臺上的操作者手工將反锪刀頭裝到反锪刀桿上，主軸開始運轉(zhuǎn)，才能開始加工內(nèi)部臺階孔。加工完畢，則需要操作者手工再次卸下反锪刀頭，主軸從孔中徐徐退出，轉(zhuǎn)到下一個待加工孔的中心，再重復上述過程。雖然零件是在數(shù)控加工中心上加工的，但是裝刀、卸刀這兩個動作卻是由人工手動完成的，而且需要二個操作者，一個在臺下操作數(shù)控機床，另一個守在工作臺上裝刀、卸刀，極大的降低了該道工序的加工效率。反锪工步是使鏜孔工序構(gòu)成前機匣的三大瓶頸工序的主要原因之一。

針對這一薄弱環(huán)節(jié)，我們進行了大刀闊斧的改革。經(jīng)過分析在機匣外側(cè)加工內(nèi)臺階孔，只有反锪這一條路。首先設(shè)想可否將外側(cè)反锪孔加工改為在機匣內(nèi)側(cè)正銑孔加工，但這需要如下幾個條件：

1）機匣內(nèi)徑足夠大，使得主軸頭可以進入機匣內(nèi)腔。

2）加工中心由臥式轉(zhuǎn)為立式，但可通過配備主軸直角轉(zhuǎn)換頭完成立臥轉(zhuǎn)換，達到在機匣內(nèi)腔正向銑孔加工的目地。

但一般加工中心不配主軸直角轉(zhuǎn)換頭，我們按照加工精度，以及一次裝夾盡可能加工多部位的原則，將機匣線95車間的數(shù)控設(shè)備進行了篩選，最后選定德國五坐標加工中心（新BOKO），作為鏜孔加工的主要設(shè)備，并將另一臺四坐標機床上的主軸直角轉(zhuǎn)換頭，經(jīng)過一些工藝上的改進，安裝到新BOKO主軸上，使這臺設(shè)備具備正銑孔的條件。這樣每加工一個孔，就省去了裝刀頭、卸刀頭兩個不必要的非接觸零件的加工環(huán)節(jié)。使該工序的加工完全實現(xiàn)了名副其實的自動化，而非以前的半手動加工。

經(jīng)過加工試驗，內(nèi)腔臺階孔從反锪加工改為正銑加工有如下幾個顯著優(yōu)點：

1.φ19.8的內(nèi)臺階孔加工效率明顯提高。

2. 內(nèi)臺階孔臺階面至圓心的徑向尺寸（見圖2.2所示）、和內(nèi)臺階孔臺階面至機匣外壁的厚度尺寸（見圖2.3，尺寸5）。這兩個尺寸是組合件裝配工序中重要裝配尺寸，原來容易超差。經(jīng)過修改加工工藝后，加工手段和以前比先進，刀具質(zhì)量比原來可靠，刀具長度補償用對刀儀器保證，消除了反锪刀由于剛性差，在加工中產(chǎn)生的間隙。加工刀具固定后，我們摸索出在特定的切削參數(shù)下的讓刀規(guī)律，并把它一次性加入刀具補償量中，使得加工質(zhì)量明顯提高。

同樣，我們對加工280個鑲?cè)~片的徑向孔旁的限位窩（形狀見圖3.1）加工也采取了同樣對策，利用主軸直角轉(zhuǎn)換頭，并重新選擇了適合正銑加工的刀具，將反锪加工轉(zhuǎn)化為正銑加工，僅此兩項關(guān)鍵重大措施就將280個φ19.8的內(nèi)壁臺階孔和限位窩的加工效率成倍提高。并由于將反锪刀換成了φ19.8立銑刀，其刀具的剛性是反锪刀不能比擬的，加工時讓刀明顯減少，該部位的反復加工次數(shù)減少，有效的保證了內(nèi)壁臺階孔的直徑尺寸，使得以往容易超差的這個尺寸合格率上升。取得了加工效率和質(zhì)量上的雙贏。

3.3 精密孔表面粗糙度改善方法

280個徑向孔的粗糙度Ra為0.8，原工藝方法加工后孔內(nèi)壁經(jīng)常有劃痕，需要增加人工拋修工序，才能達到設(shè)計要求。粗糙度不能滿足設(shè)計要求一直是本工序亟待解決的問題，幾經(jīng)反復調(diào)整，收效甚微。針對這一問題，我們重新收集了各種鉸刀生產(chǎn)廠家的資料，從中優(yōu)選了可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金機夾鉸刀進行嘗試。這種鉸刀只有單刃，齒數(shù)少于標準鉸刀。但增大了容屑空間和刀齒強度，使切屑向下排出，不會摩擦、劃傷孔壁，因而使加工后的孔粗糙度一次合格，不必拋修就滿足了設(shè)計需求。又由于刀具的耐磨性增強，一片刀片就能將四級280個徑向孔全部加工完畢，中間不用換刀，減少了原來中途刀具磨損換刀后必須空走刀或修改程序的過程。即節(jié)省了空走刀時間，又消除了改錯程序帶來的質(zhì)量隱患。

3.4 合理選刀，簡化加工路線

在機匣的第六級腔槽分布有若干個φ34的空間角度孔，由于孔直徑較大，從打中心定位點開始，到最后直徑φ32，中間采用了7種鉆頭，加工時間較長。以前普通刀具加工的工藝路線是：φ3中心鉆打點→φ8鉆頭鉆底孔→φ14擴孔→φ20擴孔→φ26擴孔→φ28擴孔→φ30擴孔→φ32擴孔。我們選用了新型的U鉆加工該孔，僅使用φ20、φ32兩種U鉆，就把該孔圓滿的加工出來，且省去了打點過程。U鉆屬于可轉(zhuǎn)位的硬質(zhì)合金機夾刀，它的切削速度要高于高速鋼鉆頭的切削速度，因此，這些較大直徑引氣孔的加工，除了加工路線縮短外，加工時間和原來比較也大為縮短。

4 孔加工選用刀具及切削參數(shù)

鈦合金加工時變形系數(shù)小，這是它的一個顯著特點，切屑在前刀面上滑動摩擦的路程增大，繼而加速了刀具磨損。其次由于鈦合金的導熱系數(shù)很小，使得鈦合金加工時切削溫度高。由于切屑與前刀面的接觸長度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時，由于鈦合金的彈性摩量小，加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。綜上所述，鉆孔加工應盡量選擇硬質(zhì)合金刀具。

鉆孔為半封閉式切削，鈦合金鉆孔過程中切削溫度很高，鉆孔后回彈大，鉆屑長而薄，易粘結(jié)而不易排出。因此要求鉆頭具有高的強度和較好的剛性，鉆頭與鈦合金的化學親和性要小，因此采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆底孔。原來未攻關(guān)前鉆四級葉片底孔的鉆頭是兩個刃的復合鉆鉸刀，經(jīng)過使用發(fā)現(xiàn)，效果并不理想，本身鉆完之后直接鉸，未經(jīng)過鏜孔。一旦機床的狀態(tài)稍微不穩(wěn)定，由于孔的位置度較精，難以保證，很容易超差。因此，我們淘汰了這種刀具，直接采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆底孔。

作為一種嘗試，這次加工還選用了一種新型結(jié)構(gòu)的鉸刀，單刃機夾鉸刀。它的優(yōu)點是不用刃磨就可以調(diào)整鉸刀的直徑，這是普通鉸刀無法比擬的。在使用中感覺效果不錯，切削速度高，加工后表面粗糙度值低。硬度和耐磨性較高，一把刀可以加工完280個精密孔，中途不用換刀。還具有較好的經(jīng)濟性。

切削參數(shù)是加工過程中對切削力影響最主要的因素。由于切削參數(shù)選擇不當導致切削力過大，刀具耐用度降低，致使刀具磨損嚴重，零件表面殘余應力增加，加工質(zhì)量下降等都會降低數(shù)控加工的效率，因此數(shù)控加工中切削參數(shù)的合理和優(yōu)化選擇非常重要，也是高效加工中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。結(jié)合鈦合金材料的切削性能和所采用刀具的耐用度，還要綜合考慮加工中的變形因素給尺寸精度帶來的影響等等。通過對機匣加工過程的摸索，試驗，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累，粗鉸余量在0.2～0.5mm之間，精鉸余量在0.1～0.4之間，直徑小時取小值，反之取大值。鉸刀切削用量Vc=15～50m/min，F(xiàn)=0.1～0.5mm/r，可以根據(jù)孔直徑和加工各種條件再進一步調(diào)整。

5.結(jié)束語

前機匣高效精密鏜孔加工攻關(guān)效果十分顯著，主要體現(xiàn)在：

1）加工效率顯著提高

通過調(diào)整加工方法、改變與優(yōu)化原來的工藝路線、更換加工設(shè)備、工裝、采用新型機夾刀具、重新編制數(shù)控加工程序、調(diào)整走刀路線等一系列新舉措，使精密孔的加工周期明顯減少，同時也省掉精密內(nèi)孔的鉗修時間。攻關(guān)前本道工序加工時間是160小時，攻關(guān)后首件只用80小時，并節(jié)省拋修時間32小時，通過進一步完善，目前為止加工一件只用40小時，加工效率成倍提高。

2）產(chǎn)品表面質(zhì)量大幅度提高

原來的280個精密孔，表面粗糙度只能達到Ra1.6，采用新型刀具加工后表面粗糙度達到Ra0.8，達到設(shè)計要求。

3）節(jié)省勞動力

原鏜徑向孔時，每班需要兩個操作者，現(xiàn)在每班只需要一人。

近20年來，為了提高發(fā)動機的性能，鈦合金用量顯著增加，鈦合金在飛機和發(fā)動機中的使用量也是衡量期限的重要指標之一，如美國第四代飛機機體鈦合金使用量已達41%，因而掌握鈦合金材料的加工性能與加工技術(shù)，顯得愈來愈重要。鈦合金材料精密鏜孔高效加工技術(shù)的研究與應用在我公司剛剛開始，它解決了前機匣生產(chǎn)中的“瓶頸”工序之一，為今年某型機批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)?？蒲心軌蚪夥派a(chǎn)力是一個不爭的事實，我們力爭結(jié)合公司目前生產(chǎn)線緊急需求和長遠發(fā)展，開展應用先進技術(shù)，優(yōu)化改進已有工藝，并開展新工藝的研究;進一步加快科技成果工程化這一過程，讓我們的科研成果扎扎實實的體現(xiàn)在黎明公司的發(fā)動機零件生產(chǎn)中。