航空發(fā)動機機匣數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)

扈博琴

摘要：在航空發(fā)動機當(dāng)中，機匣作為關(guān)鍵部件而存在。形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及材料加工難度較大是機匣的明顯特征，因此其加工質(zhì)量長期得不到有效提升。在分析機匣的過程當(dāng)中，我們可從結(jié)構(gòu)特點以及加工制造技術(shù)難點著手，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對多軸數(shù)控加工工藝方法的進(jìn)一步構(gòu)建，這對航空機匣加工質(zhì)量以及效率問題的改善有重要作用。該類方法在航空那薄壁件零件數(shù)控加工中所起到的作用與價值不可替代。

關(guān)鍵詞：薄壁件；機匣；工藝參數(shù)；數(shù)控加工

現(xiàn)階段機匣數(shù)控多軸銑削加工仍然面對相當(dāng)多的重點與難點問題，其中有加工制造過程當(dāng)中所涉及到的變形機理、規(guī)律以及機匣制造的變形控制方法等。通過對航空發(fā)動機機匣數(shù)控加工實踐與研究后可以發(fā)現(xiàn)，機匣的加工工藝方法必須實現(xiàn)對加工效率的保障，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)對控制加工變形以及有效提升生產(chǎn)效率目標(biāo)的滿足。類似薄壁零件數(shù)控加工也可對該種方法進(jìn)行科學(xué)使用，這對航空發(fā)動機薄壁件數(shù)控加工工作的順利開展有現(xiàn)實意義。

一、發(fā)動機機匣種類與結(jié)構(gòu)特點

1.發(fā)動機機匣分類

在劃分航空發(fā)動機機匣的過程當(dāng)中，可將設(shè)計結(jié)構(gòu)、功能與材料等作為主要依據(jù)進(jìn)行。機匣類零件如果按照設(shè)計結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)對環(huán)形機匣以及箱體機匣的獲取。進(jìn)一步細(xì)化環(huán)形機匣后可以取得整體環(huán)形機匣、對開環(huán)形機匣和帶整流支板的環(huán)形機匣。燃燒室機匣、渦輪機匣等可對整體環(huán)形機匣進(jìn)行直觀體現(xiàn)。氣機匣、中介機匣、擴散機匣等都在帶整流支板機匣的涵蓋范圍之內(nèi)。按照功能可將機匣分為進(jìn)氣處理機匣、低壓壓氣機機匣、高壓壓氣機機匣、燃燒室機匣等，注意軸承機匣、渦輪機匣、加力燃燒室機匣也在上述范圍的涵蓋之內(nèi)，從渦扇發(fā)動機角度來說，機匣與渦噴發(fā)動機之間存在著較為明顯的差異。進(jìn)氣機匣、風(fēng)扇機匣以及中介機匣是存在于渦扇發(fā)動機上的主要機匣。鋁合金，鈦合金以及高強度鋼等是按照材料劃分機匣類零件所取得的結(jié)果，一般情況下，鈦合金材料以及鋁合金材料會在風(fēng)扇機匣與附件機匣中進(jìn)行使用。高強度鋼材料主要是針對壓氣機機匣進(jìn)行使用。

2.發(fā)動機機匣結(jié)構(gòu)特點

（1）整體式環(huán)形機匣結(jié)構(gòu)特點

由機匣壁和前后安裝邊組成，一般為薄壁的圓錐體或圓柱狀，殼體外表面有環(huán)形加強筋、環(huán)帶、凸臺；內(nèi)表面有環(huán)形槽、圓柱環(huán)帶及螺旋槽；圓柱環(huán)帶上分布有圓周的斜孔；殼體壁上設(shè)有徑向孔、異形孔及異性槽等。

（2）對開式環(huán)形機匣結(jié)構(gòu)特點

該類機匣一般帶有縱向安裝邊，呈圓錐體或圓柱體狀，內(nèi)表面具有環(huán)形槽或T型槽及螺旋槽；外表面具有加強筋、支撐臺、限位凸臺、各種功能凸臺和異性凸臺；機匣壁上有安裝孔、定位孔、通氣孔、徑向孔和異形孔等。

（3）帶整流支板機匣結(jié)構(gòu)特點

該類機匣有鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)，一般由外環(huán)、內(nèi)環(huán)及空心整流支板組成。內(nèi)外環(huán)壁較厚，設(shè)置有徑向孔洞；內(nèi)環(huán)端面有螺栓孔洞；外環(huán)上有定位孔、連接孔；外表面有安裝座和平面等。

（4）箱體機匣結(jié)構(gòu)特點

該類機匣結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜、壁薄、剛性差，殼體表面具有安裝孔、平面、接合面、基準(zhǔn)面、定位銷孔、螺紋孔、油路孔等。毛坯多為砂型鑄造鎂合金。從上述結(jié)構(gòu)可以看出，機匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料多為難加工材料，壁薄、局部結(jié)構(gòu)剛性差，孔系、凸臺、槽多，這些特點對機匣后序加工造成了很大困難。發(fā)動機機匣加工技術(shù)難點機匣加工技術(shù)難點一方面體現(xiàn)在機匣材料本身難加工性上，另一方面是發(fā)動機機匣結(jié)構(gòu)特點帶來的難加工。

二、材料特性造成加工難點

發(fā)動機機匣一般選擇的是難加工材料，材料方面難度主要體現(xiàn)在：采用不銹鋼材料的機匣，切削溫度也要高，加工過程容易出現(xiàn)黏附，刀具前刀面容易形成積屑瘤，由于材料塑性和韌性，加工表面會有撕扯現(xiàn)象。采用鈦合金材料的機匣，切削加工過程中，切削變形系數(shù)接近于l，因此，在刀具前刀面滑動摩擦劇烈，造成刀具磨損嚴(yán)重。

由于材料化學(xué)活性大、親和力強，易于產(chǎn)生表面硬化和黏刀現(xiàn)象。再次，鈦合金彈性模量小，零件回彈量大，會加劇刀具后刀面的磨損。采用高溫合金的機匣，切削力為一般鋼材2～3倍，刀具磨損嚴(yán)重，易于形成擴散磨損和氧化磨損，加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。由于材料導(dǎo)熱系數(shù)低，切削熱集中在刀尖附近，溫度高。切屑由于高韌性，易于形成卷屑，不易清除。采用鎂合金材料機匣，加工性相對較好，但細(xì)小切屑容易燃燒，另外加工過程氧化嚴(yán)重。

三、發(fā)動機機匣加工工藝策略

機匣作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，其制造質(zhì)量的高低對航空發(fā)動機的整體性能有很大影響，而要解決機匣的制造難點，需要的是系統(tǒng)工程技術(shù)，它不僅涉及到刀具技術(shù)、材料技術(shù)、還與編程技術(shù)、管理技術(shù)等密切關(guān)聯(lián)。本課題組通過多年實踐總結(jié)，針對機匣的結(jié)構(gòu)特點和工藝難點提出了一套針對機匣加工的優(yōu)化工藝。

1.面向加工的機匣參數(shù)建模

機匣的參數(shù)建模需要根據(jù)具體機匣結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行。首先需要進(jìn)行機匣零件的結(jié)構(gòu)特征分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀，結(jié)合加工特點及形體特征劃分特征單元，并分解成基本的特征系。其次，根據(jù)建立的基本特征系之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系或者約束條件，建立關(guān)聯(lián)表達(dá)式和特征分叉樹。分析各特征所依賴的基準(zhǔn)關(guān)系及約束關(guān)系，在這些基礎(chǔ)上確定形位尺寸加以數(shù)值約束，并由此創(chuàng)建機匣的機體特征，在機體特征上進(jìn)一步創(chuàng)建附加特征。

而其余特征均是基于回轉(zhuǎn)特征創(chuàng)建，可以看做是子特征。面向制造而言，主特征又包含了外形和內(nèi)形特征系。外形特征系包含有安裝邊、回轉(zhuǎn)殼體、臺階面等。其中回轉(zhuǎn)特征系最為復(fù)雜，包含的結(jié)構(gòu)特征最多。例如，在特征區(qū)域下，包含了安裝孔特征系、腔槽特征系、凸臺特征系等。這些特征系構(gòu)成了最基本的加工制造單元，內(nèi)形特征系包含了前安裝邊、后安裝邊和回轉(zhuǎn)內(nèi)腔特征系。前后安裝邊包含了機匣加工過程中最重要的加工基準(zhǔn)特征。

2.機匣工藝路線優(yōu)化

針對機匣加工過程中變形問題，課題組經(jīng)過實踐與研究總結(jié)，對工藝過程從初始毛坯到切削工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。毛坯制備時，在保證考慮最大加工誤差的情況下能夠完成零件加工，同時應(yīng)與機匣最終加工成形輪廓相近，這樣既有利于切削加工，也能夠節(jié)省材料。一般情況下，毛坯還應(yīng)盡可能預(yù)留裝夾位置。在裝夾方式與基準(zhǔn)選擇上一般選用大、小端面及其外圓作為定位基準(zhǔn)，夾緊力一般沿著軸向加載在安裝邊表面或者沿著徑向加載在外圓上，這樣可有效利用機匣自身結(jié)構(gòu)，避免額外規(guī)劃工藝凸臺。針對機匣的典型結(jié)構(gòu)，課題組以一種具有代表性的某燃燒室機匣為例，進(jìn)行了機匣的夾具設(shè)計。

結(jié)語：

航空發(fā)動機機匣空間結(jié)構(gòu)在整體上較為復(fù)雜，面臨難度較大的材料加工工作，尤其是零件表面對加工精度提出相當(dāng)高的要求。在實際針對機匣加工技術(shù)難點進(jìn)行分析的過程當(dāng)中，我們可從多軸數(shù)控加工角度著手，這對機匣結(jié)構(gòu)特征、數(shù)控加工難點等內(nèi)容的進(jìn)一步確定有積極作用。注意必須在這一過程當(dāng)中結(jié)合實際制定有針對性的策略，綜合工藝方案現(xiàn)階段已經(jīng)逐步實現(xiàn)在機匣數(shù)控加工中的大面積使用，取得較為良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李國明.航空發(fā)動機機匣數(shù)控加工工藝研究[D].大連理工大學(xué)，2012.

[2]楊文彪，張濤.航空發(fā)動機機匣數(shù)控加工方法探究[J].數(shù)字化用戶，2017，23（32）.