航空產(chǎn)品機(jī)械加工工藝優(yōu)化方法探討

王巖巖 周 博

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽110850）

1 概述

航空航天業(yè)在各國發(fā)展戰(zhàn)略中均具有重要地位，其聯(lián)帶效應(yīng)強(qiáng)，能體現(xiàn)國家的綜合國力，引領(lǐng)國家科技發(fā)展。我國在航空航天領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，國家積極推動航空航天事業(yè)發(fā)展，為建設(shè)航空強(qiáng)國而奮斗。航空航天領(lǐng)域面臨的一大難題就是航空制造業(yè)的加工制造水平無法滿足設(shè)計(jì)要求，目前加工工藝精細(xì)度不足，生產(chǎn)效率低，制造成本高，航空發(fā)動機(jī)使用壽命和航空整體結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)剛性都難以滿足設(shè)計(jì)要求。航空領(lǐng)域需要進(jìn)一步研發(fā)并革新機(jī)械加工工藝，提高零部件的精細(xì)度，延長使用壽命，使航空產(chǎn)品的質(zhì)量能夠滿足使用要求。

2 航空發(fā)動機(jī)加工工藝優(yōu)化

2.1 航空發(fā)動機(jī)加工工藝現(xiàn)狀

發(fā)動機(jī)是航空飛行器的主要零部件，是飛行器完成飛行任務(wù)的動力來源，因此發(fā)動機(jī)制造在航空飛行器制造中具有重要地位。為確保整個加工制作流程順暢，要求有專門的工藝路線，操作人員應(yīng)該熟悉加工工序圖，在加工工作開始前，準(zhǔn)備好相應(yīng)的工裝工具。但在我國航空發(fā)動機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)中，由于從最開始就缺少完善的加工工藝規(guī)范程序，所以加工工作過程中無法對操作人員、工具工裝、加工設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，導(dǎo)致工藝精度不足甚至?xí)速M(fèi)加工材料，生產(chǎn)效率低，制作成本也增加。

發(fā)動機(jī)機(jī)匣的加工是發(fā)動機(jī)制造的重要環(huán)節(jié)。發(fā)動機(jī)機(jī)匣常處于極端溫度、高壓等惡劣的工作環(huán)境中，其使用壽命是決定發(fā)動機(jī)使用壽命的一大因素。機(jī)匣材料一般會選取耐受性較強(qiáng)的各類合金材料以延長壽命，同時加工工藝也對機(jī)匣的壽命有較大影響。首先是機(jī)匣構(gòu)件表面的平整度。機(jī)匣中有許多軸承作為承力構(gòu)件，在飛行器從對流層升至平流層的過程中發(fā)生顛簸，機(jī)匣中的構(gòu)件也發(fā)生碰撞和摩擦，如果構(gòu)件接觸面不夠平整，就容易發(fā)生形變或因構(gòu)件內(nèi)部受力不穩(wěn)定導(dǎo)致內(nèi)部斷裂。其次機(jī)械加工過程的高溫可能會縮短構(gòu)件壽命，如用電火花加工法加工鎖片槽，受到高溫加工的材料更易疲勞老化。

2.2 加工工藝優(yōu)化方法

（1）規(guī)劃詳細(xì)、完善的工藝路線。發(fā)動機(jī)制造涉及許多構(gòu)件，每一部分也會涉及多個工序，不同工序的加工方法、時間、設(shè)備、成本不同，同一工序也有不同的加工方法。詳細(xì)、完善的工藝路線會綜合考慮以上因素，對工藝步驟進(jìn)行優(yōu)化安排，并輔以準(zhǔn)確、詳細(xì)的描述，以精確加工精度，提高質(zhì)量，合理安排加工時間，縮短生產(chǎn)周期，降低加工成本。比如將精密度要求較高的工序放在靠后的順序進(jìn)行加工，是防止后續(xù)加工步驟造成結(jié)構(gòu)變化。另外還可以預(yù)留材料的加工余量，以便后續(xù)調(diào)整。

（2）優(yōu)化加工工具。提高航空產(chǎn)品質(zhì)量的一大限制就是加工設(shè)備本身的局限性，如軸承誤差、機(jī)床本身使用問題。航空產(chǎn)品相較普通產(chǎn)品，對加工工序的要求更高，也因此對加工工具和相關(guān)用品要求更高。可以通過對加工系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，以求獲得更精良的零件。如添加硫化添加劑改進(jìn)金屬加工油，采用超硬度復(fù)合材料制作切削刀具等。除了技術(shù)層面問題需要進(jìn)行研究革新外，對工具進(jìn)行詳細(xì)的歸納管理，建立標(biāo)準(zhǔn)化體系，是投入成本低但短期內(nèi)能有成效的方法。建立健全標(biāo)準(zhǔn)化體系，能在每個具體的加工項(xiàng)目開始前，根據(jù)詳細(xì)的工藝路線要求，選擇最合適的工具，避免因工具不適用而出現(xiàn)的浪費(fèi)或精度不夠的現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)化的體系也能更好的規(guī)范加工過程，有利于加工制造業(yè)的長期規(guī)范發(fā)展。

（3）工藝規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)化。由于航空產(chǎn)品的加工過程更為復(fù)雜，如果能對工藝方案進(jìn)行完善，根據(jù)完善的工藝路線對工序順序、時間、人員調(diào)配等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，將工藝過程標(biāo)準(zhǔn)化，并歸納總結(jié)為工藝模板，整個加工工藝過程就有望能達(dá)到事半功倍的效果，且制作難度也有所降低。

（4）機(jī)匣構(gòu)件的加工工藝優(yōu)化。為了保證構(gòu)件表面平整性，防止加工導(dǎo)致的形狀偏差，需要對加工精度進(jìn)行更好地控制。首先需要對構(gòu)件進(jìn)行基準(zhǔn)矯正，精度要求高且涉及復(fù)雜的加工時最好使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行反復(fù)矯正，細(xì)化基準(zhǔn)線。組裝要嚴(yán)密，以免發(fā)生脫落。如果工件壓緊后仍無法達(dá)到基準(zhǔn)，可以通過塞尺填補(bǔ)。另外，對于產(chǎn)生高溫的加工方法，為了減輕溫度對材料的老化速度的影響，一方面可以尋找替代方法完成同一工序，另一方面可以通過動態(tài)控溫，保持安全范圍。在鉆孔加工中常因碎屑進(jìn)入空腔導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生誤差，影響后續(xù)組裝、加工，目前的改進(jìn)方法是石蠟封堵，但由于鉆孔加工摩擦生熱，時間一長，石蠟就會有熔化導(dǎo)致碎屑進(jìn)入，還需要進(jìn)一步進(jìn)行工藝優(yōu)化。

3 航空整體結(jié)構(gòu)件加工工藝優(yōu)化

3.1 航空整體結(jié)構(gòu)件加工工藝現(xiàn)狀

航空產(chǎn)品逐漸走向精密可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的發(fā)展方向，而要滿足用戶對性能的要求，必須不斷提升所使用的航空材料的性能和制造技術(shù)。對于材料的研究相對已經(jīng)足夠滿足要求，飛行器的重量不斷減輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和損傷容限逐漸提高，耐腐蝕耐極端溫度等性能都有所提高，大大增長了各零部件和結(jié)構(gòu)的使用壽命。先進(jìn)的航空材料必然對應(yīng)著高昂的成本，普通的切削加工精密度差，加工過程產(chǎn)生的熱量和應(yīng)力容易引發(fā)結(jié)構(gòu)變形，同時沒有完善、高效的成套加工技術(shù)，制造周期長。綜合來看，制造技術(shù)的局限影響了航空產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，也影響了進(jìn)一步的創(chuàng)新研發(fā)。

目前，國內(nèi)在實(shí)際生產(chǎn)整體結(jié)構(gòu)件時，仍采用保守的加工參數(shù)，為保障加工質(zhì)量，對效率要求降低，實(shí)際上沒能真正發(fā)揮數(shù)控加工設(shè)備的用途。另外國家投入制造技術(shù)研發(fā)不足，國內(nèi)對切削加工的研究較少，缺少探究優(yōu)化工藝參數(shù)的研究。雖然國內(nèi)外研究者通過數(shù)值仿真技術(shù)對加工過程進(jìn)行模擬，以進(jìn)行加工過程中的變形研究和機(jī)理研究，但有限元模型的簡化對整體要求更高的航空工業(yè)來說誤差過大。需要建立更為精確的物理模型，更為系統(tǒng)全面的對航空整體結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)進(jìn)行研究探討，給出科學(xué)可靠的指導(dǎo)。

3.2 切削加工過程的研究與工藝優(yōu)化

切削加工時，由于系統(tǒng)動態(tài)剛性不足，會發(fā)生振動。而幾種誘因引發(fā)的振動中，因內(nèi)部激發(fā)的相互作用而發(fā)生的振動（切削顫振現(xiàn)象）是優(yōu)化切削加工工藝必須解決的一大難題。切削顫振因?qū)χ圃焐a(chǎn)過程產(chǎn)生的諸多不良影響，一直是研究熱點(diǎn)。這一現(xiàn)象不僅影響加工質(zhì)量和精度，還會加速設(shè)備磨損，同時由于它對加工質(zhì)量的影響，需要犧牲加工效率，才能獲得足以滿足要求的結(jié)構(gòu)件，進(jìn)一步增加成本。

要降低其影響，可以對加工系統(tǒng)（刀具、機(jī)床、夾具、被加工材料等）進(jìn)行優(yōu)化升級，但這一過程需要投入大量的時間、物力和人力才能獲得成效。因此從優(yōu)化加工工藝的角度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，是性價比最高、難度最低的方法。粗加工工序一般情況下被加工穩(wěn)定性、機(jī)床和刀具使用壽命所束縛，為實(shí)現(xiàn)高效加工，需要有較高的材料去除率。而精加工則是受質(zhì)量、精度要求限制，力求獲得更高的加工效率。近年來對加工技術(shù)的突破，就是提出了高效切削加工技術(shù)。該技術(shù)通過對動力學(xué)模型的研究，能在滿足精度要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前機(jī)械加工系統(tǒng)約束下最大的生產(chǎn)效益，成本和質(zhì)量兼顧，大大提高了生產(chǎn)率。

4 結(jié)論

航空制造業(yè)不斷追求提高航空產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率、降低生產(chǎn)成本，我國航空制造水平與國外仍相差較大，航空產(chǎn)品的質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)要求，整體效率較低，制約了航空工業(yè)的發(fā)展。通過優(yōu)化加工系統(tǒng)、建立工藝規(guī)范、研發(fā)新技術(shù)等對航空產(chǎn)品機(jī)械加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，能提高我國航空制造水平，促進(jìn)我國航空航天技術(shù)的發(fā)展，在國際競爭中獲得優(yōu)勢。