裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)氣機(jī)匣機(jī)械加工技術(shù)

吳旭剛 康靖宇 方 達(dá)

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平不斷提升，工況更加惡劣，進(jìn)氣機(jī)匣類(lèi)零件的裂紋故障對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的影響日益嚴(yán)重，但焊接技術(shù)在現(xiàn)有進(jìn)氣機(jī)匣類(lèi)零件上發(fā)揮著不可替代的作用，如何取消進(jìn)氣機(jī)匣焊接部分結(jié)構(gòu)成為新型發(fā)動(dòng)機(jī)嘗試改進(jìn)的重點(diǎn)。近年來(lái)，機(jī)加水平的提升、增材制造等技術(shù)的成熟為新結(jié)構(gòu)進(jìn)氣機(jī)匣的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)，按照最大程度減少進(jìn)氣機(jī)匣總焊接量的設(shè)計(jì)理念，裝配式進(jìn)氣機(jī)匣零組件隨之出現(xiàn)。

裝配式進(jìn)氣機(jī)匣僅在外環(huán)集氣腔位置進(jìn)行焊接，支板自身應(yīng)用增材制造和機(jī)械加工的方法進(jìn)行生產(chǎn)，支板與外環(huán)、內(nèi)環(huán)的配合狀態(tài)均從焊接更改為裝配，使用螺釘、螺母及銷(xiāo)釘緊固，同時(shí)前軸承機(jī)匣的精加工也在進(jìn)氣機(jī)匣組件中進(jìn)行。雖然裝配式進(jìn)氣機(jī)匣的焊接量顯著減少，但是裝配過(guò)程問(wèn)題多、操作難度大[1]，缺少類(lèi)似結(jié)構(gòu)零件的加工經(jīng)驗(yàn)，并且前軸承機(jī)匣的裝配導(dǎo)致內(nèi)環(huán)加工空間減小、尺寸及技術(shù)條件的精度要求提高。因此，須對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)氣機(jī)匣的加工研制進(jìn)行探索，制定一套滿(mǎn)足其設(shè)計(jì)要求的成熟方案。

1 研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)

裝配式進(jìn)氣機(jī)匣屬于裝配輪輻式機(jī)匣-進(jìn)氣機(jī)匣家族，是設(shè)計(jì)人員為減少進(jìn)氣機(jī)匣類(lèi)零件的總焊接量而研發(fā)的新結(jié)構(gòu)進(jìn)氣機(jī)匣類(lèi)零件，裝配式進(jìn)氣機(jī)匣由機(jī)匣外環(huán)、集氣罩、整流支板、內(nèi)環(huán)前段、內(nèi)環(huán)后段、前軸承機(jī)匣6個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該機(jī)匣基體最大直徑約為1000mm，最小直徑約為170mm，軸向高度超過(guò)240mm。外環(huán)全部安裝座輪廓均須使用銑加工方法加工成型；17 個(gè)支板與外環(huán)通過(guò)精密孔定位、特制螺母擰緊、銷(xiāo)釘固定，支板與內(nèi)環(huán)前后段2個(gè)半部通過(guò)螺釘擰緊、34個(gè)直徑φ5mm、長(zhǎng)34mm 的銷(xiāo)釘固定；裝配后須對(duì)前軸承機(jī)匣進(jìn)行組合精加工，前軸承機(jī)匣前后端面跳動(dòng)為0.02mm，與進(jìn)氣機(jī)匣外環(huán)基準(zhǔn)的徑向同軸度為φ0.01mm。

圖1 裝配式進(jìn)氣機(jī)匣三維模型

由于目前缺少完全裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)氣機(jī)匣的加工經(jīng)驗(yàn)，為確保首臺(tái)產(chǎn)品合格交付，須根據(jù)現(xiàn)有批量生產(chǎn)進(jìn)氣機(jī)匣的加工方法以及設(shè)計(jì)相關(guān)意圖制定特殊工藝方案。

與傳統(tǒng)進(jìn)氣機(jī)匣相比，裝配式進(jìn)氣機(jī)匣具備以下4 個(gè)特點(diǎn)：1）進(jìn)氣外環(huán)安裝座及型面須銑加工整體成型，加工去除量成倍增加。2）支板內(nèi)外側(cè)均通過(guò)精密孔及凹槽定位、螺母及銷(xiāo)釘緊固，裝配時(shí)支板懸空，裝配穩(wěn)定性差。3）支板通過(guò)3D 打印方法快速成型，支板的尺寸精度及材料的機(jī)加性能無(wú)法確定。4）前軸承機(jī)匣的精密尺寸須進(jìn)行組合加工，且螺樁等裝配件會(huì)影響組合件的加工可達(dá)性。

該文按照零組件研制的流程，從專(zhuān)用工裝、路線(xiàn)安排、加工方法、裝配方案等幾個(gè)方面著手，結(jié)合梳理出的零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)零件的工藝方案進(jìn)行制定，保證零件首臺(tái)合格交付。

2 專(zhuān)用刀具加工驗(yàn)證

2.1 外環(huán)集氣腔深斜槽銑加工

裝配式進(jìn)氣機(jī)匣外環(huán)集氣腔位置，存在多處斜槽結(jié)構(gòu)，寬6mm 斜槽的側(cè)壁圓角為R3mm，須選用直徑φ6mm且懸長(zhǎng)大于40mm 的銑刀進(jìn)行加工，刀具的長(zhǎng)徑比在7 倍以上，刀具的加工剛性差。

切削時(shí)為盡可能地減少刀具受力彎曲，采用小切深、多分層、三軸聯(lián)動(dòng)（端刃、側(cè)刃同時(shí)參與切削）的加工方法，每層切削深度0.5mm，共計(jì)加工40 余層，加工路線(xiàn)為沿槽外側(cè)平面進(jìn)行平行走刀，可有效控制刀具變形，減小讓刀量。

2.2 外環(huán)集氣腔根部圓角銑加工

裝配式進(jìn)氣機(jī)匣外環(huán)集氣腔槽底有大圓角加工尺寸要求，須使用前端R2.5mm 的T 型銑刀加工，但其刀桿僅為5mm，刀具的剛性很差，且刀具端R過(guò)大時(shí)加工受力大，銑加工凹槽內(nèi)腔時(shí)刀具消耗約為0.5 把刀/槽（共17個(gè)槽）。

將凹槽內(nèi)腔尺寸與T 型銑刀尺寸進(jìn)行對(duì)比，決定增加無(wú)端R的T 型銑刀對(duì)轉(zhuǎn)接圓角大余量位置進(jìn)行銑加工去除，將圓角根部的加工余量從單邊7mm 降低至單邊2mm，之后再使用前端R2.5mm 的T 型銑刀保證最終尺寸；經(jīng)調(diào)整后，將該位置的刀具消耗從0.5 把刀/槽降低至0.05 把刀/槽，加工時(shí)間從2h/槽降低至0.5h/槽。

3 專(zhuān)用夾具現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

3.1 加工用夾具設(shè)計(jì)與使用

為提高加工系統(tǒng)剛性，設(shè)計(jì)并制作機(jī)械加工專(zhuān)用夾具，零件裝夾狀態(tài)如圖2 所示。由于零件的組合加工內(nèi)容涉及內(nèi)、外環(huán)多個(gè)位置的精密止口尺寸，須使用專(zhuān)用夾具進(jìn)行輔助加工；使用外環(huán)前端安裝邊支撐并壓緊，配備薄壓板（壓板前沿厚度＜9mm）；輔助支撐內(nèi)環(huán)前段端面，提高加工系統(tǒng)剛性，輔助支撐可自由調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輔助支撐時(shí)在零件內(nèi)環(huán)上端面進(jìn)行壓表測(cè)量，保證輔助支撐接觸零件后壓表的示數(shù)無(wú)變化，防止輔助支撐將零件擠壓變形，控制零件裝夾及系統(tǒng)剛性不足引起的變形。

圖2 加工裝夾示意圖

3.2 裝配用夾具設(shè)計(jì)與使用

為保證組合件裝配操作的可執(zhí)行性，設(shè)計(jì)并制作專(zhuān)用裝配夾具輔助定位支板及內(nèi)環(huán)各組成件實(shí)現(xiàn)裝配。設(shè)定外環(huán)前端的端面及其外圓止口作為裝夾定位基準(zhǔn)，并在內(nèi)環(huán)位置以?xún)?nèi)環(huán)前段的端面及其內(nèi)止口制作一個(gè)輔助支撐環(huán)，內(nèi)、外環(huán)的高低差按照理論數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。裝配時(shí)按照“外環(huán)殼體—內(nèi)環(huán)前段—17 個(gè)支板—內(nèi)環(huán)組件”的順序依次進(jìn)行各組成零件的放置與配合，進(jìn)而完成相應(yīng)的全部裝配工作。

4 外環(huán)高效銑加工現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

4.1 外環(huán)高效銑加工

由于該進(jìn)氣機(jī)匣的支板為裝配結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣外環(huán)的支板安裝座須隨同外環(huán)殼體整體機(jī)加成型。傳統(tǒng)進(jìn)氣機(jī)匣外環(huán)僅須進(jìn)行車(chē)加工及銑窗口，新結(jié)構(gòu)進(jìn)氣機(jī)匣外環(huán)則須進(jìn)行大量的五軸型腔銑加工。進(jìn)氣外環(huán)的總材料去除率高達(dá)90%，其中銑加工材料去除量占總?cè)コ康募s34%，銑加工量過(guò)大，銑加工最深位置超過(guò)32mm，常規(guī)層銑加工會(huì)消耗大量的時(shí)間，同時(shí)會(huì)損耗大量的刀具。

合理運(yùn)用螺旋銑加工技術(shù)及擺線(xiàn)銑加工技術(shù)[2]。在銑加工外環(huán)徑向孔時(shí)，使用φ10mm 端銑刀進(jìn)行螺旋插補(bǔ)銑加工，使φ16mm、φ18mm、φ21mm 三種規(guī)格孔使用一種刀具一次加工完成；在加工外環(huán)安裝座間大區(qū)域、大余量位置時(shí)，采用層銑開(kāi)槽、擺線(xiàn)高效銑加工的方式去除大余量，層銑開(kāi)槽的目的是為擺線(xiàn)銑加工預(yù)留進(jìn)退刀空間，應(yīng)用擺線(xiàn)銑加工方法對(duì)安裝座間32mm 深余量進(jìn)行去除，設(shè)定加工殘留高度0.005mm，每層切深約1mm，轉(zhuǎn)速1200r/min，進(jìn)給速度600mm/min，加工效率是層銑的3 倍以上，且最大程度地使用了刀具的切削刃全長(zhǎng)。擺線(xiàn)高效銑加工去除余量后零件各位置的狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 擺線(xiàn)銑加工效果圖

4.2 外環(huán)根部圓角高效加工

進(jìn)氣外環(huán)的外型面徑向圓角和根部圓角均要求R為3mm，即所有型面的清根加工必須使用φ6mm 球銑刀進(jìn)行，而側(cè)壁最深位置超過(guò)35mm，加工讓刀嚴(yán)重，須反復(fù)上刀，嚴(yán)重影響加工效率。

為避免使用φ6mm 球銑刀進(jìn)行過(guò)大余量的清跟加工，應(yīng)使用不同規(guī)格的刀具逐步去除根部余量。首先使用φ20mm 端R3mm 銑刀將側(cè)壁余量去除至0.2mm，再使用φ10mm 端R3mm 銑刀將側(cè)壁余量完全清除、僅剩余圓角位置余量，最后選用刃長(zhǎng)大于35mm 的φ6mm 球銑刀使用輪廓程序進(jìn)行型面清根加工，最大程度地減少讓刀量，保證在圓角位置使用φ6mm 球銑刀一次走刀即可加工合格，消除重復(fù)走刀、提高加工效率。

4.3 精密配合尺寸及技術(shù)條件加工

內(nèi)環(huán)尺寸及其技術(shù)條件比基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求高，常規(guī)工藝路線(xiàn)為先加工基準(zhǔn)、再進(jìn)行精密尺寸加工[3]，該方法很難保證最終的技術(shù)條件合格。

通過(guò)工藝評(píng)審后確定：焊接組件加工后在基準(zhǔn)位置單邊預(yù)留0.2mm 余量、裝配組件加工后在高精度要求位置單邊預(yù)留0.2mm 余量，在完成除裝配螺樁以外的零組件全部加工及裝配工作后，最后進(jìn)行所有精密尺寸及基準(zhǔn)位置的組合精加工，保證其技術(shù)條件符合設(shè)計(jì)要求。

對(duì)裝配組件組合精車(chē)前后自由狀態(tài)的跳動(dòng)值進(jìn)行檢測(cè)。組合精車(chē)前，外環(huán)基準(zhǔn)面A 端跳為0.035mm、基準(zhǔn)圓B 圓跳為0.12mm，內(nèi)環(huán)最上側(cè)端面C 端跳為0.03mm、圓面D 圓跳為0.01mm，對(duì)比余量的設(shè)定，變形量在加工余量范圍內(nèi)，可滿(mǎn)足機(jī)加需求。組合精車(chē)后，外環(huán)基準(zhǔn)面A端跳為0.02mm、基準(zhǔn)圓B 圓跳為0.04mm，內(nèi)環(huán)前后端面端跳為0.01mm、圓面D 圓度為0.005mm。各車(chē)加工的精密配合尺寸及其技術(shù)條件均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 3D 打印支板的機(jī)加性能探索

裝配式進(jìn)氣機(jī)匣的支板單件自身由焊接成型更改為3D 打印快速成型，支板結(jié)構(gòu)如圖4 所示，該材質(zhì)零件此前無(wú)相關(guān)的機(jī)械加工經(jīng)驗(yàn)。且在裝配組件中，須在支板外側(cè)螺紋結(jié)合處加工精密銷(xiāo)釘孔17 個(gè)，該位置為斷屑加工且兩側(cè)的材料不一致，加工尺寸為φ3mm+0.01mm；還須在支板內(nèi)側(cè)加工φ20mm+0.033mm 精密定位孔4 個(gè)、φ5mm+0.03mm 精密配合孔34 個(gè)，且均存在與其他零件接觸位置，產(chǎn)生2 種材質(zhì)零件同時(shí)參與加工的問(wèn)題。

圖4 3D 打印材質(zhì)進(jìn)氣支板

支板外側(cè)螺紋結(jié)合處精密銷(xiāo)釘孔的加工，確定并應(yīng)用的加工方案：φ2.5mm 端銑刀豁窩—φ2mm 中心鉆打點(diǎn)—φ2.5mm 合金鉆頭鉆底孔—φ2.9mm 合金擴(kuò)孔刀擴(kuò)孔—φ8mm 倒角刀孔口倒角—φ3mm 合金鉸刀鉸孔（鉸刀刃長(zhǎng)在8mm～10mm、刀具裝夾懸長(zhǎng)20mm）。緊固螺母表面的鍍銀起到隔絕螺紋結(jié)合面的作用，對(duì)加工性能無(wú)明顯影響；3D 打印材質(zhì)支板的加工性能與重力澆鑄材質(zhì)鑄造零件的加工性能相似，硬度略高，加工時(shí)應(yīng)略微降低進(jìn)給速度，避免刀具崩刃。

內(nèi)環(huán)徑向孔組合精加工必須使用直角彎頭進(jìn)行，由于內(nèi)環(huán)空間狹窄，加工位置的直徑尺寸不足φ198mm，彎頭及刀具在零件內(nèi)部極易發(fā)生干涉碰撞。選用φ19.8mm、φ21.8mm 合金擴(kuò)刀和φ20mm、φ22mm 合金鉸刀，刀具刃長(zhǎng)及懸長(zhǎng)在40mm～50mm，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致加工不到孔底、過(guò)大會(huì)導(dǎo)致彎頭后部與零件碰撞；刀具總長(zhǎng)在80mm～90mm，刀柄過(guò)長(zhǎng)時(shí)彎頭無(wú)法全部夾持，會(huì)變相增加懸長(zhǎng)；刀柄直徑應(yīng)為φ20mm，使用的刀具如圖5 所示。在程序試運(yùn)行時(shí)，須關(guān)注彎頭、刀具與零件內(nèi)腔在5 個(gè)方向的間隙量，避免發(fā)生碰撞。

圖5 加工使用的刀具圖

內(nèi)環(huán)存在34個(gè)φ5mm+0.03mm 深34.5mm 的銷(xiāo)釘孔，且孔位于凹槽底部，孔口距離凹槽上端面距離為30.6mm，這就需要刀具不僅要有足夠的刃長(zhǎng)、還要有足夠的懸長(zhǎng)。選用φ4.5mm 合金鉆頭、φ4.9mm 合金擴(kuò)刀和φ5mm+0.02mm 合金鉸刀，所有刀具的有效刃長(zhǎng)大于35mm，且刀具的懸長(zhǎng)（直徑不大于φ5mm 的距離）大于65mm，刀柄位置變徑加粗至φ6mm。鉆底孔時(shí)分層加工，每層加工深度為3mm～4mm，擴(kuò)孔、鉸孔可一次加工至孔底，實(shí)現(xiàn)該位置的組合精加工。

6 結(jié)論

該技術(shù)針對(duì)裝配式進(jìn)氣機(jī)匣的加工模式進(jìn)行探索，從零組件結(jié)構(gòu)分析、加工路線(xiàn)制定、裝配操作方法等方面著手，針對(duì)裝配式進(jìn)氣機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定出合理的工藝路線(xiàn)、余量分配、精密尺寸及技術(shù)條件的控制方法，形成一套適合新結(jié)構(gòu)裝配式進(jìn)氣機(jī)匣現(xiàn)場(chǎng)加工使用的工藝文件，完成首臺(tái)裝配式進(jìn)氣機(jī)匣的研制加工并全尺寸合格交付，對(duì)后續(xù)該類(lèi)型家族零件的加工及裝配提供可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。

該技術(shù)改變了傳統(tǒng)進(jìn)氣機(jī)匣以焊接為主的加工理念，嘗試進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)氣機(jī)匣的探索與研制，也為后續(xù)進(jìn)氣機(jī)匣的設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化提供支持。