航空發(fā)動機機匣類零件數控程序優(yōu)化策略研究

王麗花 俸躍偉

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，遼寧沈陽 110043)

航空發(fā)動機零件結構復雜、壁薄、材料難加工。數控技術在復雜零件的加工、高精度加工尺寸的保證中凸顯優(yōu)勢，在航空發(fā)動機的研制、生產中發(fā)揮著重要重用。隨著型號生產及研制規(guī)模的不斷擴大，應用數控設備進行零件加工的范圍不斷擴大，用戶對數控程序的編制質量要求越來越高。一個好的加工程序不僅能保證加工出符合要求的工件，還應能充分發(fā)揮數控機床的功能，使其安全、可靠、高效地運行。為此，為了提高數控機床的利用率，提高零件的加工質量，編程員應努力提高編程能力，編制出優(yōu)良的零件加工程序。

1 機匣零件的特點

航空發(fā)動機機匣型面其結構為薄壁筒形或薄壁環(huán)形，是航空發(fā)動機的重要承力部件，航空發(fā)動機機匣零件的質量關系到發(fā)動機工作的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。材料多采用鈦合金、不銹鋼、高溫耐熱合金等航空難加工材料。在機匣內外壁上均布有多組尺寸形狀相同，但結構復雜的減重型槽和安裝凸臺。機匣毛坯多為鑄造或鍛造的圓筒或圓環(huán)，從毛坯機加工至復雜結構的機匣成品，去除量將近2/3或更多。機匣件具有剛性低、精度要求高、加工工藝性差的特點，在其制造和使用過程中產生容易產生變形問題，因此在數控程序編制過程中，要充分考慮切削力對工件變形的影響。

2 數控加工程序的評價

一個工件的加工程序不是唯一的，諸多方案中有一個最優(yōu)的，可以從以下幾方面進行評價:

(1)保證程序是正確的，工件加工質量穩(wěn)定。

(2)程序方便調試和修改，程序的可讀性好。

(3)程序的穩(wěn)定性好，當刀具半徑變化或工件安裝位置變化，程序無需修改。

(4)充分發(fā)揮系統(tǒng)功能，使程序最短。

(5)程序的通用性好，若有系列工件，只需編一種，其余只要修改關鍵參數，程序即可使用。

(6)運行成本低。

(7)后續(xù)加工成本低，考慮刀具成本及對下工序加工影響。

(8)對于薄壁類工件，考慮工件結構特點，調整工件走刀路徑對工件變形的影響。

具體的工件，究竟確定什么樣的加工程序，要根據實際情況確定，編程人員要有優(yōu)化意識。

3 航空機匣類工件對于數控程序的要求

(1)數控程序的編制要考慮走刀路徑對工件變形的影響

對于機匣類工件，其止口尺寸比較關鍵，不同的走刀路徑對加工變形存在影響。國外發(fā)動機制造的先進工藝，對于不同結構的工件，加工走刀路徑不同，并且按工步進行圖示，規(guī)劃的非常細致。目前我們數控加工工序的切削走刀路徑由數控編程員根據自己的經驗和工人的加工習慣來確定，安排的切削走刀路徑只考慮是否方便加工，通常一次走刀能完成表面編制到一個數控程序中，而沒有充分考慮走刀路徑不同所導致的不同切削力對機匣加工變形的影響。

(2)數控程序的編制要考慮工件加工效率及加工安全性問題

由于對航空發(fā)動機特殊性能的要求，工件材料多為高溫合金、鈦合金材料，大多工件外形比較復雜，工藝路線復雜，加工所需周期長，加工需要數控車床及五坐標聯動數控銑床，工件本身費用及加工成本高，因此對工件加工的穩(wěn)定性和數控程序的正確性及高效性提出了很高的要求。目前編制的程序大多采用輪廓編程方式，即根據工序圖紙編制工件的最終尺寸軌跡，上刀量需要工人根據經驗手動輸入，容易發(fā)生錯誤且加功參數不固化。借助UGCAM軟件編制的循環(huán)數控程序可以避免這些弊端，在軟件中只需要設定走刀次數、切削量和余量，UG軟件會自動計算刀具軌跡，減少了人工計算工作量，循環(huán)數控程序最大優(yōu)點就是減少了操作者停機檢測時間和取消了修改刀補值，大大提高了工件的加工效率。

4 數控加工程序優(yōu)化實例

某復雜零件是航空發(fā)動機典型機匣，材料為高溫合金，最大直徑為φ678 mm，零件壁厚為1.7 mm，機匣毛坯為鍛造的圓環(huán)，從毛坯加工至復雜結構的機匣成品，需去除80%以上的加工余量。機匣外型面無橫向加強筋，切削加工后易發(fā)生變形。通過對現場工藝規(guī)程及實際加工情況的分析，對工件數控加工程序走刀路徑進行優(yōu)化，采用對稱加工、相對走刀方式，調整了工件加工順序，使用UG編程軟件編制循環(huán)程序，從而控制工件變形，提高工件加工效率，通過現場加工驗證取得良好效果。

4.1 走刀路徑的調整

通過分析監(jiān)測數據，對工件車加工和銑加工走刀方式進行調整，主要的思想是采用對稱加工、相對走刀方式，控制工件變形。車加工采用相對走刀方式替代連續(xù)走刀方式，銑加工采用分區(qū)域對稱銑削方式，有利于工件應力相互抵消，對于工件變形起到一定的抑制作用，提高工件表面加工質量。

圖1所示為車加工工件內斜面的走刀路線對比圖，圖中用順序號標注表面的加工順序，用箭頭先標注刀具切削方向;傳統(tǒng)加工方式車削如圖1a中內圓斜面用一把刀具將整個斜面加工完成，因此加工過程中采用一個方向的走刀路徑，這種加工方法在加工過程中一直受一個方向的切削力，雖然編程簡單，但沒有考慮切削力對工件變形的影響;改進后的加工方式采用從上到下與從下到上相對走刀方式來完成斜面的加工，從而抵消一部分切削力，利于控制工件變形。

圖2為銑加工區(qū)域切削刀路分布圖，傳統(tǒng)銑削方式粗銑及半精銑采用周向銑削方式，從0°～360°按順序銑削;調整后的數控加工程序采用分區(qū)域對稱銑削方式，即把工件外形面按幾何特征分成區(qū)域，先銑加工0°～45°區(qū)域，然后對稱銑削 180°～225°區(qū)間，同理再銑加工45°～90°區(qū)域，然后對稱銑削315°～360°加工區(qū)域，其余區(qū)域以此類推。

4.2 循環(huán)程序的應用

傳統(tǒng)車加工程序編制最終輪廓程序，加工現場由工人憑經驗自主上刀，存在兩個缺點:切削深度不固定，不同的工人加工切削參數不同，質量不穩(wěn)定;第二是由于人為干預，刀補容易上錯，造成工件超差。本文利用UGCAM軟件編制了循環(huán)程序，如圖3所示為循環(huán)程序UG設置界面。通過調整后的加工程序，將切削參數、每次切削深度等信息全部在程序中設置，程序中自動設置好分層切削軌跡，不需要工人進行調整，調整后的加工程序適合于不同層次的工人加工，提供自動化程度，減少工人讓刀次數，降低加工風險，質量穩(wěn)定。如圖4所示為調整前后程序軌跡對比圖，圖中序號為加工順序號，箭頭為刀具切削方向:傳統(tǒng)車加工方式先將如圖中序號①所示的端面與外圓全部余量加工完之后，再依次將圖中②、③所示的止口及斜面的全部余量加工完，改進后的車加工方式采用分層切削的方式，先按圖中①～⑧所示的加工順序將端面、外圓、止口、斜面等表面均勻加工一層，再按圖中加工順序⑨～⑩12加工第二層，而且整個加工過程采用如圖中箭頭所示的相對走刀方式，粗銑和半精銑采用分層切削，控制每次切削深度不超過4 mm，每層全部銑完之后，再加工第二層，如此加工，有利于工件內部應力平衡分布，減少工件的扭曲變形。

5 結果討論與分析

在試驗加工過程中，通過走刀路徑的調整和循環(huán)程序的應用，提高了數控設備的利用率，減少了人為操作因素導致的錯誤，達到了控制工件變形的效果和工件加工質量的效果，為其他薄壁機匣件的加工方案提供了借鑒。

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