航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工技術(shù)探討

王鐵海

摘 要：作為航空器心臟的關(guān)鍵組成部件，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣在制造業(yè)領(lǐng)域具備非常特殊的地位， 本文討論了優(yōu)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工技術(shù)的意義，指出了機(jī)匣加工工藝優(yōu)化的目標(biāo)，最后，分析比較了幾種不同的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工工藝。

關(guān)鍵詞：航空;發(fā)動(dòng)機(jī);機(jī)匣;加工

1.優(yōu)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工技術(shù)的意義

飛機(jī)已經(jīng)成為全世界普遍使用的交通工具和運(yùn)輸工具。在今年的新冠疫情期間，航空運(yùn)輸由于其高效的特點(diǎn)在全球范圍內(nèi)抗擊疫情中發(fā)揮了重大作用。航空運(yùn)輸和交通以及與之相關(guān)的各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)在全世界各國(guó)的地位和作用都越來(lái)越重要。

飛行器制造產(chǎn)業(yè)是一個(gè)國(guó)家和地區(qū)科技、制造業(yè)乃至綜合實(shí)力的整體體現(xiàn)，與之相關(guān)聯(lián)的可以有數(shù)千家企業(yè)、機(jī)構(gòu)，和幾十萬(wàn)從業(yè)人員，對(duì)一個(gè)國(guó)家的科技水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚至是軍事安全都有著很大影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)是航空器的最核心組成部分，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝水平代表了一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力和制造業(yè)實(shí)力，體現(xiàn)了這個(gè)國(guó)家在諸多領(lǐng)域內(nèi)的科技水平。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣起到支撐起發(fā)動(dòng)機(jī)的框架作用，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)不可缺少的構(gòu)成部分。不同類型的航空器，所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)不同，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣也因而有著顯著不同。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣，加工要求精度高，制造成本高，周期也比較長(zhǎng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的工作環(huán)境惡劣，低溫、強(qiáng)風(fēng)、高壓等諸多不利于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣穩(wěn)定的因素都伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的工作。隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)代航空器發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝水平不斷提升，新設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。各種合金、復(fù)合材料接連出現(xiàn)。機(jī)匣結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，所整合的功能也越來(lái)越多，越來(lái)越強(qiáng)大，給機(jī)匣零件也提出了更高的制造要求。與此同時(shí)，加工過(guò)程中存在的制造成本高、效率低等問(wèn)題與機(jī)匣功能要求越來(lái)越高形成了尖銳矛盾。因此，不斷提高和完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工工藝對(duì)于航空器制造水平提高有著十分重大的意義。

2 機(jī)匣加工工藝優(yōu)化的目標(biāo)

不同工藝方案必然存在著不同的參數(shù)，優(yōu)化加工工藝，就是通過(guò)確定合理參數(shù)，使制造水平達(dá)到最高，這就是加工工藝優(yōu)化的目標(biāo)。質(zhì)量、效率、成本三者構(gòu)成了互相制約互相影響的工藝優(yōu)化目標(biāo)。

3 幾種工藝對(duì)比

3.1 多軸數(shù)控銑削

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣型面，基本都是使用多軸數(shù)控銑削完成。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的傳統(tǒng)加工工藝幾乎已經(jīng)發(fā)展到極致，下一階段的工藝提高必然要依靠數(shù)字化手段。數(shù)字化的工藝系統(tǒng)能夠是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可以通過(guò)適當(dāng)設(shè)置參數(shù)，使用軟件調(diào)節(jié)來(lái)自動(dòng)適應(yīng)各種不同情況的生產(chǎn)實(shí)際，全面提升發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的工藝水平。數(shù)控機(jī)床就是數(shù)字化工藝的一個(gè)具體體現(xiàn)，數(shù)控機(jī)床甫一出現(xiàn)就立即引起了全球工業(yè)界的高度重視。數(shù)控機(jī)床是我國(guó)制造業(yè)不能錯(cuò)過(guò)的發(fā)展機(jī)遇，只有數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)制造業(yè)的加工自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，提出了對(duì)掌握數(shù)控技術(shù)的人才要求。今后的數(shù)控技術(shù)將不僅僅局限在制造業(yè)領(lǐng)域，而是會(huì)對(duì)社會(huì)的方方面面和各個(gè)行業(yè)都產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件外部表面呈環(huán)形，分兩部分，有兩條環(huán)形帶狀凸起邊緣，呈對(duì)稱狀。機(jī)匣毛坯是自鍛件，加工余量較多，一般來(lái)說(shuō)，機(jī)匣零件所使用的材料強(qiáng)度較大，難于切削，為了加工精度和質(zhì)量有保障，避免零件加工失敗，外型表面的加工應(yīng)當(dāng)分層、塊進(jìn)行，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)走刀路徑，留好加工余量，分多次加工完成，可以有效避免材料變形。

3.2 電火花高效放電銑

電火花高效放電銑類似于數(shù)控銑削，是使用一定長(zhǎng)度的銅質(zhì)導(dǎo)管做為電極，通過(guò)導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)向，加工時(shí)，銅質(zhì)導(dǎo)管在高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在導(dǎo)管與機(jī)匣零件間施加高頻大強(qiáng)度脈沖電流，加工區(qū)域以液體保持冷卻、排出加工碎屑，再使用軟件系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)，形成加工形狀，實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量加工。

電火花高效放電銑加工工藝具有以下特點(diǎn)。一是可用于復(fù)雜表面發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件加工;二是加工出的機(jī)匣表面顯微裂紋和再鑄層厚度都比較大;三是對(duì)加工時(shí)間要求高，材料表面受電擊會(huì)大量產(chǎn)熱，易影響加工精度，甚至燒傷零件表面;四是與其他工藝相比，加工效率高;五是環(huán)境友好，無(wú)污染;六是設(shè)備成本適中。

電火花高效放電銑的放電產(chǎn)熱會(huì)使工件表面產(chǎn)生裂紋、并形成再鑄層，并且此過(guò)程較為隨機(jī)，難于控制。此外，銅質(zhì)導(dǎo)管會(huì)在加工過(guò)程中不斷消耗，為了達(dá)到較高的加工效率有必要加大電流強(qiáng)度，而這又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致裂紋加深、再鑄層加深。因此此工藝適用于表面形狀復(fù)雜不規(guī)則的零件。

3.3 電解加工

電解加工根據(jù)零件尺寸設(shè)計(jì)加工程序，通過(guò)周期式循環(huán)，進(jìn)行加工。在周期內(nèi)的小間隔進(jìn)行作業(yè)，大間隔進(jìn)行沖洗，保障了加工精度。通過(guò)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和反饋加工余量，自動(dòng)確定加工間隙，當(dāng)一個(gè)電解周期結(jié)束后，電極退回，沖洗液進(jìn)行自動(dòng)沖洗，排除廢液。電極退回的過(guò)程中斷電，可以避免過(guò)度加工。一個(gè)周期加工結(jié)束后，系統(tǒng)再重新評(píng)估電極位置，計(jì)算加工余量，移動(dòng)電極到適當(dāng)位置，再次加工，如此反復(fù)至加工結(jié)束。

電解加工工藝有以下特點(diǎn)。一是加工精度高，電解加工的加工間隙小，因此可以實(shí)現(xiàn)高精度加工;二是加工效率高，通過(guò)電極的陽(yáng)極溶解反映，實(shí)現(xiàn)蝕除，對(duì)電流利用效率高，因此加工效率也比較高;三是雜散腐蝕減小，棱邊、銳度提高;四是加工穩(wěn)定性好，在電極退回過(guò)程中，電解液被自動(dòng)抽吸，完成更新;五是加工表面較為光滑，質(zhì)量好;六是加工難度相對(duì)較低。

與其他工藝相比較，電解加工工藝表面無(wú)溫度劇烈變化、反映過(guò)程平緩，不形成顯微裂紋，工藝簡(jiǎn)單，雖然不適于表面形狀復(fù)雜不規(guī)則的零件，但對(duì)于加工較為簡(jiǎn)單、難度低的零件，可以大批量加工，生產(chǎn)效率較高。

3.4 磨粒流加工

磨粒流加工即使用加入了磨料的流體，通過(guò)高壓噴射，切割、磨削工件表面，起到加工的作用。該工藝還可以優(yōu)化流動(dòng)系數(shù)或提高某些零件的高、低周疲勞強(qiáng)度。磨料流加工是指在含磨料、粘彈性化合物或磨料介質(zhì)的壓力下，通過(guò)夾具在待拋光、去毛刺和半徑區(qū)域上來(lái)回流動(dòng)。該工藝已廣泛用于汽車零部件的精加工：進(jìn)排氣管、進(jìn)氣門、增壓腔、噴油器、噴油嘴、氣缸頭、渦輪殼體和葉片、花鍵、齒輪、制動(dòng)器等。工作時(shí)，裝有零件的夾具固緊在上、下介質(zhì)缸中間形成封閉的通道，磨流介質(zhì)在擠壓力作用下從下介質(zhì)缸開始，通過(guò)欲加工工件被表面擠壓到上介質(zhì)缸，然后磨流介質(zhì)再?gòu)纳辖橘|(zhì)缸反向流過(guò)夾具、工件到達(dá)下介質(zhì)缸，完成一個(gè)加工循環(huán)，選定加工參數(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)加工和自動(dòng)停止。

3.5 仿真加工

航空工藝設(shè)計(jì)成本高、周期長(zhǎng)，這兩個(gè)特點(diǎn)不僅增加了傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的難度，而且是傳統(tǒng)工藝無(wú)法根本解決的。能夠解決各類歐式幾何或非歐幾何對(duì)象的快速構(gòu)造和處理問(wèn)題，從而為各類生產(chǎn)過(guò)程的仿真提供有力支撐。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件傳統(tǒng)工藝采用數(shù)字化仿真加工手段進(jìn)行優(yōu)化改造勢(shì)在必行。工藝仿真能夠在三維沉浸感的虛擬環(huán)境中真實(shí)再現(xiàn)一個(gè)具體的工藝過(guò)程，并且允許用戶實(shí)時(shí)操作工藝設(shè)備或改變相關(guān)參數(shù)。它是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程的有力輔助工具。即在開始真正加工之前，通過(guò)軟件模擬出完整的加工過(guò)程，通過(guò)模擬加工過(guò)程來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，清除各種錯(cuò)誤，減少實(shí)際加工出現(xiàn)問(wèn)題的可能性，以達(dá)到改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，完善加工過(guò)程，提高加工工藝的控制力，減少工時(shí)的目的。這要求仿真系統(tǒng)能夠快速地構(gòu)造、修改、刪除各種類型的幾何模型，如鍛造過(guò)程的毛坯變形、石塊破碎過(guò)程的石塊對(duì)象生成和消亡，而目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)幾何模型構(gòu)造、變形、破碎恰是瓶頸之一。它作用包括清除編程錯(cuò)誤和改進(jìn)切削效率 ，提高數(shù)控程序?qū)τ膊馁|(zhì)零件、薄壁零件的切削性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣表面不規(guī)則，形狀多變不統(tǒng)一，加工使用的材料也多為強(qiáng)度大、硬度高的合金等，零件表面也不能存在過(guò)多、過(guò)深的顯微裂紋，加工難度大、精度要求高。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的制造一直都是航空器制造領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)難題。本文分析討論了機(jī)匣加工的幾種工藝，希望能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的加工技術(shù)研究起到拋磚引玉的作用。各種工藝有不同的適用條件，也有不同的特點(diǎn)。因此，必須要根據(jù)機(jī)匣設(shè)計(jì)方案，科學(xué)選擇加工工藝，設(shè)置加工參數(shù)，通過(guò)數(shù)字化手段提高加工精度，不斷完善加工工藝。

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