沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司 徐吉存

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工藝性差、精度要求高、加工余量大、剛性差等特點(diǎn)，在其加工過(guò)程中易產(chǎn)生加工變形。通過(guò)研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的加工機(jī)床、刀具應(yīng)用等加工工藝，分析機(jī)匣加工變形的原因，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯特點(diǎn)及加工工藝方法，提出的加工變形控制的措施，對(duì)薄壁類機(jī)匣的加工有一定的指導(dǎo)作用。

航空航天技術(shù)發(fā)展日新月異，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)首當(dāng)其沖，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心關(guān)鍵部件的機(jī)匣，為了滿足其功能需求結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越先進(jìn)復(fù)雜，機(jī)匣類零件的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的也變得復(fù)雜，機(jī)匣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越先進(jìn)、精巧，單一機(jī)匣所具有的功能也越來(lái)越多，同時(shí)加工制造的難度也大大增加。機(jī)匣屬于薄壁圓盤型零件，控制加工變形顯得尤為關(guān)鍵，這就要求制造機(jī)匣零件的工藝方法不斷得到改進(jìn)與提高。

一、機(jī)匣加工工藝

1．加工工藝特點(diǎn)及切削機(jī)床的選擇

（1）加工工藝特點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣具有各種復(fù)雜形狀的凸臺(tái)和型腔等集合特征結(jié)構(gòu)，而且機(jī)匣在壁厚方面變化較大，對(duì)加工提出了很高要求。機(jī)匣加工表面主要分為內(nèi)、外兩部分，如圖1所示。由于其外部需要連接到許多如電氣、冷卻、油路及管路等附件系統(tǒng),導(dǎo)致其表面形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)機(jī)加要求比較高，尤其是對(duì)位置和尺寸精度要求較高；另外發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的內(nèi)部主要是承載其壓氣機(jī)的渦輪葉片，包括動(dòng)、靜力葉片，這些都是其關(guān)鍵的動(dòng)力輸出部分，所以也對(duì)制造精度要求較高。綜上所述，機(jī)匣制造加工工藝的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在材料切除率高、薄壁易變形、材料難切削和對(duì)刀具切削性能要求高等多個(gè)方面。

（2）切削機(jī)床的選擇

按照常規(guī)加工工藝路線，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣內(nèi)腔表面及前后安裝邊需要數(shù)控車削加工，外腔型面及安裝座采用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工，傳統(tǒng)加工涉及到二次裝夾誤差，難以保證加工精度要求。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣一般采用銑車復(fù)合加工方式，這樣可有效的避免二次裝夾帶來(lái)的找正誤差。機(jī)匣的加工裝卡位置如圖2所示。采用銑車復(fù)合技術(shù)，可以在一臺(tái)銑車復(fù)合加工中心上一次裝夾完成機(jī)匣的內(nèi)、外表面銑車加工，以及零件表面上孔加工。因此，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣整體薄壁環(huán)形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求，特制定了以下銑車復(fù)合加工方案，使端面基準(zhǔn)、端面孔及止口表面通過(guò)一次裝夾在一臺(tái)機(jī)床上加工完成，從而提高加工效率，保證加工質(zhì)量。夾具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮拆卸、定位和夾緊方便可靠，減少輔助時(shí)間，提高整體加工效率。

圖1 機(jī)匣內(nèi)、外壁

圖2 工件裝卡位置

2.刀具選擇

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工主要體現(xiàn)在高速、高效、高精等方面，刀具的合理選擇尤為關(guān)鍵。在選擇刀具時(shí)，首要考慮滿足加工精度，其次是可靠性及效率成本等因素。

（1）車刀的選擇

粗加工選擇頂角為80度菱形或四方雙面切削刀片，為了提高加工效率和節(jié)省成本，粗、半精和精加工可選擇同一把陶瓷車刀。

（2）銑刀的選擇

在粗加工銑削刀具的選擇時(shí)，應(yīng)在加工動(dòng)作空間允許的情況下盡可能地選用大直徑刀具，從而保證一次銑削面積盡可能大，不用頻繁換刀，既可以提高金屬切除率，又可以提高加工效率。精加工時(shí)避免選用一把刀加工所有的部位，應(yīng)根據(jù)不同的部位和不同的區(qū)域選用不同的刀。為了保證零件的光潔度及加工質(zhì)量，精銑宜使用帶圓角的整體硬質(zhì)合金銑刀。

（3）鉆頭的選擇

依據(jù)孔徑大小及相應(yīng)精度要求不同選取鉆頭，直徑大的孔徑選用U鉆頭，精度要求不高的一般孔徑采用帶涂層的硬質(zhì)合金鉆頭，對(duì)于精度要求較高（7級(jí)精度以上）的孔采用鉆、擴(kuò)、鉸來(lái)加工。為了提高加工效率和節(jié)省成本，10mm以上的鉸刀采用可換頭的形式。

3.工藝路線

按照上述的工藝編制方法與原則，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的工藝路線規(guī)劃如下如圖3所示：

圖3 機(jī)匣加工工藝路線

從工藝路線上來(lái)看，該零件的粗車前后端面及工藝定位孔加工用數(shù)控立車來(lái)加工實(shí)現(xiàn)，其它所有機(jī)加工序均在銑車復(fù)合加工中心上完成。

二、加工變形及其控制

1．加工變形影響因素

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣屬于典型的難加工材料制造的復(fù)雜薄壁零件，其加工變形問(wèn)題主要集中在毛坯處理和加工工藝安排上。

（1）毛坯影響

機(jī)匣類零件現(xiàn)在大量采用鋁合金、鈦合金、耐高溫合金、高強(qiáng)度鋼等鑄件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯屬于大尺寸、結(jié)構(gòu)型面復(fù)雜的精密鑄造件，受到國(guó)內(nèi)鑄造技術(shù)的限制難免會(huì)出現(xiàn)一些鑄造缺陷，如少肉缺肉現(xiàn)象及工藝鑄造基準(zhǔn)達(dá)不到要求等。由于工期緊，加工前及加工工序間的時(shí)效處理不充分也會(huì)給最終的加工精度造成很大危險(xiǎn)。

（2）加工工藝影響

加工工藝的影響主要在于裝卡剛度、走刀路線的合理規(guī)劃及切削參數(shù)的選擇等方面。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣件屬于大型薄壁零件，在裝卡過(guò)程中通過(guò)增加輔助支撐來(lái)提高工件的裝卡剛度，另外通過(guò)模擬仿真軟件規(guī)劃走刀路線及工藝切削參數(shù)優(yōu)化。

2．加工變形的控制

加工變形的控制主要從以下幾個(gè)方面考慮：應(yīng)力釋放、合理裝夾及在線檢測(cè)控制等。

（1）應(yīng)力釋放

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯在加工前需要進(jìn)行自然時(shí)效處理，通過(guò)合理安排加工工序使工件在加工過(guò)程中有應(yīng)力釋放過(guò)程。毛坯提前準(zhǔn)備時(shí)間宜在半年以上，至少是提前兩到三個(gè)月。另外合理分配粗、精加工余量，盡量減小精車的切削量，使切削應(yīng)力逐步均勻釋放，減小變形。

（2）合理裝夾定位

對(duì)機(jī)匣進(jìn)行合理的裝夾，能夠有效的減小發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的加工變形。盡可能采用一次裝夾，進(jìn)行機(jī)匣的完整加工。在機(jī)匣裝夾過(guò)程中宜采用輔助支撐或內(nèi)漲緊套的形式。定位方式采用一面兩銷，利用后端面的止口面作為加工定位面。

（3）工藝流程優(yōu)化及在線檢測(cè)控制

細(xì)化加工工藝流程，充分利用先面后孔、工序集中的工藝流程原則，優(yōu)化切削參數(shù)及走刀路線，合理分配粗精加工余量，充分釋放切削應(yīng)力。

由于錐體機(jī)匣外壁直徑尺寸和外壁安裝座表面距回轉(zhuǎn)中心距離尺寸的測(cè)量無(wú)法使用通用測(cè)具和專用測(cè)具實(shí)施手工測(cè)量。通常需要在全部尺寸加工結(jié)束后，從機(jī)床卸下，由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量上述尺寸，即離線檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)尺不合格需要返工時(shí)，只能在機(jī)床上重新裝夾、再次加工。二次裝夾在定位精度上引起的誤差，對(duì)零件返工合格率影響非常大。

為解決此類問(wèn)題，可以在銑車復(fù)合加工中心上使用在線檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形機(jī)匣外壁直徑等尺寸的在線檢測(cè)及控制。并對(duì)加工尺寸給予補(bǔ)償和修正，能夠提高機(jī)匣一次加工合格率。

三、結(jié)論

本文通過(guò)研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的加工機(jī)床、刀具及加工工藝路線，分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形的影響因素及控制方法。綜上所述，通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工工藝技術(shù)研究，能夠縮短機(jī)匣加工周期，減小加工變形，從而提高加工效率及加工精度，為機(jī)匣類零件的加工提供技術(shù)支持。 □