任軍學(xué)，田衛(wèi)軍，姚倡鋒，劉智武

（1.西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2. 中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，西安 710124）

但是，機(jī)匣數(shù)控多軸銑削加工制造過程中的變形機(jī)理、規(guī)律以及機(jī)匣制造過程中的變形控制方法仍然是機(jī)匣加工中的關(guān)鍵性難題[3]。本課題組通過多年的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣數(shù)控加工實(shí)踐與研究分析，在保證加工效率的前提下，總結(jié)提出了一套機(jī)匣的加工工藝方法，實(shí)踐證明可以有效達(dá)到控制加工變形、提高生產(chǎn)效率的目的。該工藝方法也可以應(yīng)用于類似薄壁零件的數(shù)控加工中，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁件的數(shù)控加工具有一定的實(shí)際意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣種類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣分類

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣一般可以根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、功能及材料進(jìn)行劃分[4]。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing structure of aeroengine

機(jī)匣類零件如果按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以分成兩大類，即環(huán)形機(jī)匣和箱體機(jī)匣。環(huán)形機(jī)匣可以進(jìn)一步分成整體環(huán)形機(jī)匣、對開環(huán)形機(jī)匣和帶整流支板的環(huán)形機(jī)匣。其中，整體環(huán)形機(jī)匣，例如燃燒室機(jī)匣、渦輪機(jī)匣等；對開機(jī)匣，例如壓氣機(jī)機(jī)匣；帶整流支板的機(jī)匣，例如進(jìn)氣機(jī)匣、中介機(jī)匣、擴(kuò)散機(jī)匣等；箱體機(jī)匣，例如附件機(jī)匣、雙速傳動(dòng)殼體。

機(jī)匣如果按功能進(jìn)行分類，在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上，有進(jìn)氣處理機(jī)匣、低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣、軸承機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、加力燃燒室機(jī)匣、中央傳動(dòng)機(jī)匣、附件機(jī)匣等；在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上不同的機(jī)匣還有進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、中介機(jī)匣、渦輪后機(jī)匣、外涵機(jī)匣等。

機(jī)匣類零件按材料進(jìn)行分類，現(xiàn)有鋁合金、鈦合金、耐高溫合金、高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料機(jī)匣等。例如：風(fēng)扇機(jī)匣、附件機(jī)匣大多采用鈦合金材料和鋁合金材料；壓氣機(jī)機(jī)匣低壓部分一般采用高強(qiáng)度鋼材料，高壓部分一般采用鈦合金材料；渦輪機(jī)匣多采用鎳基高溫合金材料和高強(qiáng)度鋼材料。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)更新?lián)Q代，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜。

（1）整體式環(huán)形機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由機(jī)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(qiáng)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，如圖2所示。

中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會(簡稱黨的十九大)于2017年10月18日至10月24日在北京召開，這是一場重要的大會，西方媒體對這場會議非常重視。 《每日電訊報(bào)》在報(bào)道“十九大會議”的過程中，往往會涉及習(xí)主席的某些思想。 在2017年10月15的新聞中，記者Connor介紹“十九大會議”即將召開，簡單論述了“中國共產(chǎn)黨全國代表大會”的歷史，然后指出習(xí)近平主席將會在會議上作報(bào)告，總結(jié)近五年來的成績，并闡述中國未來的發(fā)展政策。 記者Connor指出：“習(xí)主席第一任期內(nèi)的政策很可能將會得到延續(xù)，其中包括注重國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政治穩(wěn)定以及將北京打造成為一個(gè)世界的中心。”[1]

（2）對開式環(huán)形機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該類機(jī)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(qiáng)筋、支撐臺、限位凸臺、各種功能凸臺和異性凸臺；機(jī)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(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該類機(jī)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；內(nèi)環(huán)端面有螺栓孔；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(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該類機(jī)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(jī)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(diǎn)對機(jī)匣后序加工造成了很大困難。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工技術(shù)難點(diǎn)

機(jī)匣加工技術(shù)難點(diǎn)一方面體現(xiàn)在機(jī)匣材料本身難加工性上，另一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帶來的難加工，如圖3所示。

1 材料特性造成加工難點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(jī)匣，在加工過程中，切削力一般比45#鋼要高25%以上，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(jī)匣，切削加工過程中，切削變形系數(shù)接近于1，因此，在刀具前刀面滑動(dòng)摩擦劇烈，造成刀具磨損嚴(yán)重，同時(shí)，切削溫度要比45#鋼高出一倍以上。由于材料化學(xué)活性大、親和力強(qiáng)，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(jī)匣，切削力為一般鋼材2～3倍，刀具磨損嚴(yán)重，易于形成擴(kuò)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(jī)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。

圖2 某機(jī)匣結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Structural characteristics of a casing

圖3 機(jī)匣加工技術(shù)難點(diǎn)Fig.3 Technical difficulties in casing processing

由上述過程可以看出，機(jī)匣材料造成加工技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在切削過程中切削力大、黏刀現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具磨損劇烈、切削溫度高及應(yīng)力引起的變形大。

2 機(jī)匣結(jié)構(gòu)造成加工難點(diǎn)

機(jī)匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腔槽周圍分布很多特征島嶼、凸臺、孔系、槽、筋等特征，壁薄并且變化劇烈，也造成了加工工藝上的難度[5]。就環(huán)形機(jī)匣而言，其毛坯成型方法主要有鍛造毛坯、鑄造毛坯和焊接毛坯，材料切除率達(dá)到70%以上，結(jié)構(gòu)一般分為內(nèi)外兩部分，內(nèi)部主要是渦輪葉片承載部分，因此，加工質(zhì)量要求很高，加工精度達(dá)到±0.02mm。機(jī)匣外部連接的發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)包括油路、冷卻、控制系統(tǒng)以及管路、泵體等。因此，復(fù)雜特征多、加工要求高，尤其位置精度要求高，造成對每一個(gè)特征，必須采用不同的加工方法。其次，沿著發(fā)動(dòng)機(jī)軸向方向，前端的安裝邊、前槽等部分的法蘭結(jié)構(gòu)上分布著大量孔系，孔所在部位壁較薄，孔深小，加工中易變形。另外，由于前安裝邊是機(jī)匣的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，又是重要的加工工藝基準(zhǔn)。因此，對孔系的加工具有很高的尺寸精度和位置精度要求。最后，沿著軸向與燃燒室連接的機(jī)匣后端部位，除了法蘭結(jié)構(gòu)上具有復(fù)雜孔系外，沿著機(jī)匣加強(qiáng)筋部位周邊還分布著放氣孔，該類孔一般與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線成一定角度，這些特殊結(jié)構(gòu)的異型孔加工難度很大。

在加工工藝上，除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜工藝難度大外，部分機(jī)匣采用的對開結(jié)構(gòu)，若在加工過程中采用分散與組合加工相結(jié)合，會由此造成二次定位，影響加工一致性。因此，為了保證機(jī)匣裝配體的使用功能，保證機(jī)匣加工要求，機(jī)匣加工質(zhì)量必須通過復(fù)雜的工藝系統(tǒng)保證。其次，加工過程引起的變形問題也是機(jī)匣加工的另一個(gè)難點(diǎn)，按照常規(guī)工藝過程加工，總會出現(xiàn)沿著機(jī)匣腔槽邊緣由外向內(nèi)誤差越來越大現(xiàn)象。而變形誤差會引起后期發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作的顫振，直接影響到整機(jī)的性能和使用壽命。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工工藝策略

機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其制造質(zhì)量的高低對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能有很大影響，而要解決機(jī)匣的制造難點(diǎn)，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(shí)踐總結(jié)，針對機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)提出了一套針對機(jī)匣加工的優(yōu)化工藝。

1 面向加工的機(jī)匣參數(shù)建模

機(jī)匣的參數(shù)建模需要根據(jù)具體機(jī)匣結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行。首先需要進(jìn)行機(jī)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(diǎn)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。最后，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(jī)匣的機(jī)體特征，在機(jī)體特征上進(jìn)一步創(chuàng)建附加特征。機(jī)匣是一個(gè)典型的回轉(zhuǎn)殼體類零件，其基本特征就是截面回轉(zhuǎn)特征，該截面可以采用參數(shù)化草圖方式表達(dá)，因此，可以看做是主特征，見圖4。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（圖4（a））。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(jī)匣加工過程中最重要的加工基準(zhǔn)特征。

圖4 某燃燒室機(jī)匣特征結(jié)構(gòu)Fig.4 Characteristic structure of a combustion chamber

通過具體的結(jié)構(gòu)分析與特征分解、基準(zhǔn)體系分析過程，以面向制造為單元建模，借助通用三維設(shè)計(jì)平臺（例如UG、CATIA等）可以快速構(gòu)建機(jī)匣類復(fù)雜回轉(zhuǎn)殼體零件的參數(shù)化幾何模型。

2 機(jī)匣工藝路線優(yōu)化

針對機(jī)匣加工過程中變形問題，課題組經(jīng)過實(shí)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，如圖5所示。

毛坯制備時(shí)，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(shí)應(yīng)與機(jī)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(jī)匣自身結(jié)構(gòu)，避免額外規(guī)劃工藝凸臺。針對機(jī)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(jī)匣為例，進(jìn)行了機(jī)匣的夾具設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

機(jī)匣工藝路線制定基本原則就是：先基準(zhǔn)后其他、先粗后精、先主后次、穿插進(jìn)行、先面后孔，具體而言就是機(jī)匣的加工一般分為3個(gè)階段：粗加工、半精加工和精加工[6]。粗加工階段：主要去除各表面的大部分余量，對尺寸精度和表面精度要求不高。粗精加工區(qū)別對待，粗加工效率優(yōu)先，精加工質(zhì)量優(yōu)先。半精加工階段：去除熱處理產(chǎn)生的變形，完成各次要表面的最后加工，給精加工奠定基礎(chǔ)。精加工階段：完成全部表面最終加工，并保證機(jī)匣的全部技術(shù)要求，特別是對主要表面的要求。在工藝制定時(shí)要兼顧加工精度與效率，合理分配加工余量。例如，本課題組針對某燃燒室機(jī)匣在工序分散原則基礎(chǔ)上，對每一階段的加工余量進(jìn)行優(yōu)化，以有利于零件的變形控制。原則是在保證零件具有裝夾剛性和可控變形量內(nèi)盡可能早地去除加工余量，甚至采用無余量。在工藝安排上除了遵循上述原則外，本課題組還采用Third Wave Systems公司的專業(yè)化有限元切削仿真軟件AdvantEdge FEM對切削力的動(dòng)態(tài)切削變化過程進(jìn)行了預(yù)測，以切削力、切削溫度為控制目標(biāo)達(dá)到優(yōu)化工藝切削參數(shù)，優(yōu)化過程如圖7所示。銑削時(shí)根據(jù)機(jī)匣尺寸及壁厚各階段的加工余量分布大致如下：燃燒室機(jī)匣粗銑余量1～1.25mm，半精銑余量 0.2～0.5mm；風(fēng)扇機(jī)匣粗車余量1～1.25mm，半精車余量0.2～0.3mm。最后，采用均勻?qū)ΨQ加工余量分布和內(nèi)外型對稱切削方式，即指根據(jù)零件余量及走刀次數(shù)對加工順序進(jìn)行調(diào)整，使在同一工序內(nèi)，內(nèi)外型面交替加工直至最終尺寸。其目的就是促使初始?xì)堄鄳?yīng)力逐步對稱釋放，從而減小殘余應(yīng)力變形。

經(jīng)過實(shí)踐與仿真對比，刀具參數(shù)在車削過程中一般選用半徑為0.8mm或1.2mm的SECO刀片，這樣既能保證加工質(zhì)量，又能兼顧加工效率[7]。銑削加工時(shí)刀具一般選用整體硬質(zhì)合金立銑刀、快速銑刀、插銑刀以及成形刀具。在切削參數(shù)選擇方面，通過試驗(yàn)證明，切削深度對切削力影響最大，因此切削深度不宜選擇過大，最后一刀時(shí)切削深度應(yīng)取小值以減小彈性變形；另一方面為保證加工效率，應(yīng)根據(jù)總加工余量值，切削深度應(yīng)隨加工刀數(shù)逐漸減小，并可適當(dāng)提高進(jìn)給量及主軸轉(zhuǎn)速，但是進(jìn)給量與切削速度對零件殘余應(yīng)力及零件表面質(zhì)量影響顯著，因此在最后一刀時(shí)應(yīng)以降低進(jìn)給量及主軸轉(zhuǎn)速為宜。

本課題組實(shí)踐證明，通過上述工藝路線的優(yōu)化可以有效達(dá)到控制加工質(zhì)量的目的。

圖5 機(jī)匣工藝路線優(yōu)化策略Fig.5 Optimization strategy of casing process route

圖6 某燃燒室機(jī)匣裝夾Fig.6 A combustion chamber casing clamp

圖7 工藝優(yōu)化過程Fig.7 Process optimization flow

3 機(jī)匣數(shù)控刀位軌跡優(yōu)化

刀位軌跡在規(guī)劃時(shí)，始終遵循在能夠保證后續(xù)銑削加工應(yīng)有余量的前提條件下，對于機(jī)匣回轉(zhuǎn)面和凸臺四周，盡可能多地在粗加工階段去除余量，從而縮短加工工時(shí)，提高加工效率。例如，針對燃燒室機(jī)匣這類多島嶼復(fù)雜結(jié)構(gòu)件可采用行切與環(huán)切相結(jié)合的方式進(jìn)行插銑加工，如圖8所示。為最大限度地去除毛坯，對凸臺外圍的區(qū)域采用等高行切法可改善插銑加工時(shí)因插銑深度不同引起的刀具磨損加劇問題，提高加工效率，降低加工成本；然后在內(nèi)島嶼周圍以凸臺平面法向?yàn)榈遁S矢量繞凸臺插銑走刀。

其次，本課題組還針對快速銑削方式，進(jìn)行加工區(qū)域劃分，如圖9所示，構(gòu)建了快速銑削刀軌導(dǎo)入機(jī)匣特征造型中，作為加工程序的控制曲線，將機(jī)匣選為檢查面，在保證無干涉的情況下，生成了余量去除最多、效率最高的快速銑削開槽加工程序，并在凸臺部位進(jìn)行了清根加工。

針對機(jī)匣凸臺四周精銑及清根加工凸臺周圍的外圓面在機(jī)匣外形精銑中已銑削到位部分，只留凸臺側(cè)面余量2mm，采用和凸臺定面法線同方向的固定刀軸方式，進(jìn)行連續(xù)兩刀的環(huán)切加工。為保證切入切出的平穩(wěn)性，所有凸臺精銑均采用圓弧進(jìn)退刀方式進(jìn)行加工。其次，采用外形結(jié)合凸臺的銑削方式，將凸臺周圍的外圓銑削整合到外形銑削中，雖然增加了刀位軌跡的創(chuàng)建難度，但是減少了加工程序的數(shù)量，提高了加工效率，如圖10（a）所示。再次，對于與凸臺無依附關(guān)系的加強(qiáng)筋圓角及相鄰輪轂面片之間的過渡圓角通常采用四軸聯(lián)動(dòng)加工，如圖10（b）所示。對于發(fā)生干涉的區(qū)域，通過使用機(jī)匣表面刀具半徑偏置面對刀位軌跡進(jìn)行裁剪，保留非干涉軌跡，生成回轉(zhuǎn)面銑削加工程序。通過上述刀位估計(jì)的優(yōu)化極大提高了機(jī)匣的加工效率和加工質(zhì)量。

圖8 插銑加工刀位軌跡Fig.8 Machining tool path of plunge milling

圖9 加工區(qū)域劃分Fig.9 Division of machining region

圖10 清根加工刀軸控制Fig.10 Control of Machining tool axis

結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣空間結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，材料加工難度大，零件表面加工精度要求高。本文主要從目前多軸數(shù)控加工角度對機(jī)匣加工的技術(shù)難點(diǎn)和工藝路線進(jìn)行了分析與總結(jié)。通過對機(jī)匣結(jié)構(gòu)特征、數(shù)控加工難點(diǎn)，以及數(shù)控加工工藝策略3個(gè)方面對機(jī)匣的加工質(zhì)量控制問題進(jìn)行了分析闡述。實(shí)際生產(chǎn)證明，本文所提出的綜合工藝方案合理可行，可以達(dá)到機(jī)匣零件預(yù)期的技術(shù)、質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。同樣該套工藝方案對類似薄壁零件的加工也具有一定的借鑒作用，有一定的推廣價(jià)值。

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