航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工技術(shù)探索

■中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 （遼寧 110043） 楊金發(fā) 韓德印 陳洋洋 王 菁

航空發(fā)動機(jī)（見圖1）材料與制造技術(shù)向著高溫化、輕量化、復(fù)合化、整體化和高效率、低成本的方向發(fā)展。航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件如機(jī)匣、整體葉盤等制造技術(shù)水平不斷提升。制造技術(shù)從先進(jìn)制造已開始發(fā)展到高端制造。航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工技術(shù)涉及數(shù)控機(jī)床、先進(jìn)刀具、高效編程、數(shù)控加工仿真和切削工藝與參數(shù)優(yōu)化等多個方面。

1.加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的機(jī)床工具特征

刀具在解決航空難加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工中起著至關(guān)重要的作用。先進(jìn)的航空產(chǎn)品要求航空零件具有更優(yōu)異的性能、更低的成本和更高的環(huán)保性。加工工藝要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重復(fù)精度和可再現(xiàn)性。航空鈦合金、高溫合金零件難切削的工件材料、復(fù)雜而薄壁的形狀、高精度的尺寸和表面粗糙度要求及大的金屬去除量等特點，對刀具質(zhì)量一致性提出了更高的要求。現(xiàn)代高效精準(zhǔn)加工要求刀具具有高精度、高耐磨性、高抗沖擊性和高可靠性的特點，即具有高性能刀具的全部特征。高質(zhì)量的刀具方案明顯標(biāo)志是刀具結(jié)構(gòu)形式、刀具材料與被加工零件的材料、結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

國外各著名數(shù)控機(jī)床制造商不遺余力的開發(fā)高性能數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步針對高動態(tài)響應(yīng)、高精度和高剛性等展開研發(fā)。高剛性以及高承載性能的線性導(dǎo)軌確保了全行程內(nèi)光滑連續(xù)地移動，獲得了工件的高幾何精度和表面質(zhì)量，也保證了高加工效率。機(jī)床的高剛性減小了加工系統(tǒng)的振動，延長了刀具使用壽命。

高性能刀具（見圖2）涉及刀具材料、刀具涂層技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、刀具配套技術(shù)及刀具的應(yīng)用等很多方面。刀具結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新體現(xiàn)在刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、切削負(fù)荷的合理分布、斷屑槽型以及各種新型可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)。零件的精準(zhǔn)加工對刀具的裝夾提出了新的要求，它要求裝夾精度高、徑向圓跳動小、夾持剛性好、結(jié)構(gòu)緊湊且操作簡單等。

圖1 國外航空發(fā)動機(jī)

圖2 模塊化刀具

2.航空發(fā)動機(jī)典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工

航空發(fā)動機(jī)大量采用鈦合金、高溫合金等難加工材料及復(fù)合材料，可加工性極差。機(jī)匣、整體葉盤等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生加工變形，尺寸精度以及技術(shù)條件要求難以保證。

（1）機(jī)匣加工技術(shù)。加工變形控制：機(jī)匣為弱剛性零件，毛坯質(zhì)量、工藝路線、加工余量的劃分、零件裝夾定位方式、定位間隙和壓緊力、刀具走刀路徑、切削參數(shù)、機(jī)床剛性和精度等都是機(jī)匣加工變形的影響因素，機(jī)匣加工變形的控制是一項系統(tǒng)工程。

控制加工變形采取的措施：①選擇正確的定位裝夾方法。機(jī)匣從粗加工到精加工涉及到車削、銑削和鉆孔等加工。對于去除余量和去除變形量的工序，應(yīng)該在機(jī)匣真實狀態(tài)下定位和裝夾，避免零件在定位和裝夾后產(chǎn)生彈性變形。夾具的徑向定位基準(zhǔn)不宜采用整環(huán)定位基準(zhǔn)，徑向基準(zhǔn)應(yīng)有一定的間隙，保證機(jī)匣件的工藝基準(zhǔn)面能自由安裝。②使用具有徑向可調(diào)輔助支撐的夾具。輔助支撐可以采用液壓可調(diào)式或者機(jī)械可調(diào)式。在調(diào)整徑向輔助支撐時，應(yīng)使支撐點與機(jī)匣剛好接觸，起到支撐作用即可減少機(jī)匣產(chǎn)生彈性變形。③合理規(guī)劃切削走刀路線。零件切削過程中走刀路線不同時，工件殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的后果不一樣，同時切削產(chǎn)生的應(yīng)力大小和狀態(tài)也不盡相同?？茖W(xué)合理的安排機(jī)匣的切削走刀路線能夠減小機(jī)匣加工后的變形量。應(yīng)該分層、交替和對稱去除加工余量，采用相對或相背的走刀路線。

在銑削時產(chǎn)出振動的原因主要有：刀具夾緊不牢固、零件夾緊不牢固及刀具懸伸大等。銑削時改進(jìn)措施：通過減少徑向和軸向切削深度來減小切削力；選擇具有疏齒距和正前角結(jié)構(gòu)的銑刀來盡量提高夾緊力；避免加工時逆著切削力來支撐零件。通過減小軸向切深，使用具有小的刀尖圓角半徑以及鋒利切削刃的正前角刀片來降低軸向切削力。盡量減小刀具懸伸，使用疏齒距和不同齒距的銑削刀具。

相對于一般數(shù)控加工模式，無干預(yù)數(shù)控加工的理想狀態(tài)是指在零件的加工過程中，無人控制、無人換刀和無人測量，是數(shù)控機(jī)床高智能化加工的完美體現(xiàn)。

對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，粗加工時必須全程序無干預(yù)；精加工時受尺寸精度高、加工變形等因素影響，直接加工存在質(zhì)量風(fēng)險，允許進(jìn)行過程測量，采取補(bǔ)償加工方式（無須單獨加工），合理調(diào)整進(jìn)退刀位置，使刀片更換或尺寸測量更方便。

（2）整體葉盤加工技術(shù)。整體葉盤零件夾具一般采用專用夾具，可以使葉盤安裝穩(wěn)定，提高葉盤加工時整個加工系統(tǒng)的剛度。根據(jù)整體葉盤的結(jié)構(gòu)和加工特點要求夾具具有以下幾種特性：定位準(zhǔn)確性、裝夾穩(wěn)定性、夾緊均勻性和加工開敞性，使夾具既能保證零件的定位精度和加工精度，也能滿足提高生產(chǎn)率和精準(zhǔn)加工的要求。

車削整體葉盤的夾具結(jié)構(gòu)通常選用葉盤的盤心孔做徑向定位基準(zhǔn)，選用葉盤的輪轂和葉片的臺階面軸向定位、軸向壓緊盤心孔上的環(huán)型槽端面和盤體與葉片聯(lián)接處的端面，夾具與機(jī)床花盤聯(lián)接。

整體葉盤葉型的加工是典型的五軸數(shù)控銑加工。相鄰葉片間氣流通道狹窄，葉片之間的表面在加工中容易產(chǎn)生干涉，對刀具走刀路徑有極高的要求。因容易產(chǎn)生干涉，所以在實際加工之前采取仿真的方法檢驗加工程序的準(zhǔn)確性是很有必要的。

整體葉盤加工仿真步驟：①在VERICUT環(huán)境下，調(diào)用已構(gòu)建好的五軸加工中心（見圖3）模型。調(diào)用機(jī)床文件、CNC控制文件和刀具庫文件。②將整體葉盤的毛坯STL模型文件引入部件樹，設(shè)置工件坐標(biāo)系。③調(diào)入NC程序，并定義刀具列表。④檢查數(shù)控程序的正確性。設(shè)置碰撞、超程和干涉等識別顏色，對機(jī)床、刀具以及夾具之間的干涉情況進(jìn)行檢驗。⑤葉輪仿真結(jié)果分析，檢查零件有無欠切、過切情況，確認(rèn)程序可否使用。

圖3 五軸加工中心

3.結(jié)語

航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工依賴于工藝方法的創(chuàng)新。其制造水平直接決定了航空發(fā)動機(jī)的性能。我們必須建立在可靠的研制基礎(chǔ)之上，促進(jìn)航空制造技術(shù)的不斷提升。