航空发动机机匣的数控加工

航空发动机机匣的数控加工

朱丽

中国航发燃气轮机有限公司 辽宁省沈阳市 110167

摘要：我国航空事业发展的过程中，各项发动机零件的制造、加工，成为重要的工艺项目。航空发动机机匣，是加工工艺的难点和重点，运用数控加工的方法，保障发动机机匣制造的精密性，可以保证机匣零件能够准确、科学的应用到航空发动机中。基于此，本文在概述航空发动机机匣的基础上，分析了航空发动机机匣加工中的难点，并对航空发动机机匣的数控加工工艺进行了探讨，以供相关的工作人员参考借鉴。

关键词：航空发动机机匣；数控；加工；工艺

1航空发动机机匣

机匣是航空发动机的重要零件之一，它是整个发动机的基座，是航空发动机上的主要承力部件，其外形结构复杂，不同的发动机、发动机不同部位，其机匣形状各不相同，机匣零件的功能决定了机匣的形状，但他们的基本特征是圆筒形或圆锥形的壳体和支板组成的构件。

2航空发动机机匣加工中的难点

2.1机匣结构

由于机匣结构复杂，腔槽周围分布很多特征岛屿、凸台、孔系、槽、筋等，壁薄并且变化剧烈，也造成了加工工艺上的难度。就环形机匣而言，其毛坯成型方法主要有锻造毛坯、铸造毛坯和焊接毛坯，材料切除率达到70％以上，结构一般分为内外两部分，内部主要是涡轮叶片承载部分，因此，加工质量要求很高，加工精度达到±0．02mm。机匣外部连接的发动机附件系统包括油路、冷却、控制系统以及管路、泵体等。因此，复杂特征多、加工要求高，尤其位置精度要求高，造成对每一个特征，必须采用不同的加工方法。而且沿着发动机轴向方向，前端的安装边、前槽等部分的法兰结构上分布着大量孔系，孔所在部位壁较薄，孔深小，加工中易变形。另外，由于前安装边是机匣的设计基准，又是重要的加工工艺基准。因此，对孔系的加工具有很高的尺寸精度和位置精度要求。并且沿着轴向与燃烧室连接的机匣后端部位，除了法兰结构上具有复杂孔系外，沿着机匣加强筋部位周边还分布着放气孔，该类孔一般与发动机轴线成一定角度，这些特殊结构的异型孔加工难度很大。在加工工艺上，除了结构复杂工艺难度大外，部分机匣采用的对开结构，若在加工过程中采用分散与组合加工相结合，会由此造成二次定位，影响加工一致性。因此，为了保证机匣装配体的使用功能，保证机匣加工要求，机匣加工质量必须通过复杂的工艺系统保证。加工过程引起的变形问题也是机匣加工的另一个难点，按照常规工艺过程加工，总会出现沿着机匣腔槽边缘由外向内误差越来越大现象。而变形误差会引起后期发动机叶片工作的颤振，直接影响到整机的性能和使用寿命。

2.2材料特性

由于材料方面的原因导致机匣加工困难主要体现在：采用不锈钢材料的机匣，在加工过程中，切削力一般比45“钢要高25％以上，切削温度也要高，加工过程容易出现黏附，刀具前刀面容易形成积屑瘤，由于材料塑性和韧性，加工表面会有撕扯现象。采用钛合金材料的机匣，切削加工过程中，切削变形系数接近于l，因此，在刀具前刀面滑动摩擦剧烈，造成刀具磨损严重，同时，切削温度要比45”钢高出一倍以上。由于材料化学活性大、亲和力强，易于产生表面硬化和黏刀现象。而且钛合金弹性模量小，零件回弹量大，会加剧刀具后刀面的磨损。采用高温合金的机匣，切削力为一般钢材2-3倍，刀具磨损严重，易于形成扩散磨损和氧化磨损，加工硬化现象严重。由于材料导热系数低，切削热集中在刀尖附近，温度高。切屑由于高韧性，易于形成卷屑，不易清除。采用镁合金材料机匣，加工性相对较好，但细小切屑容易燃烧，另外加工过程氧化严重。由上述过程可以看出，机匣材料造成加工困难主要体现在切削过程中切削力大、黏刀现象严重、刀具磨损剧烈、切削温度高及应力引起的变形大。

3航空发动机机匣的数控加工工艺

为保证航空发动机机匣的加工的质量，需要从多个方面对航空发动机机匣数控加工工艺进行控制及提高，下面将展开具体的阐述：

3.1进行机匣数控加工参数建模

在进行参数建模之前需要对机匣进行分析，掌握其结构特征并依照这些特征对其进行结构进行划分，使相似特征的部分可以归为同一单元。之后建立的基本特征系之间的关联关系或者约束条件，建立关联表达式和特征分叉树。最后，分析各特征所依赖的基准关系及约束关系，在这些基础上确定形位尺寸加以数值约束，并由此创建机匣的机体特征，在机体特征上进一步创建附加特征。

3.2进行机匣数控加工工艺路线优化

由于数控加工的过程中极易出现机匣变形的情况，因此可以采用对其工艺路线及参数进行优化的方式控制。其主要可以从以下几点进行：第一，控制夹具的安装，一般在毛坯数控加工中会预留一部分的位置作为夹具安装部分。第二，进行毛坯的粗加工，在此过程中其主要是为了去除毛坯上大部分的余料，只要按照机匣的大致形状进行切削就可完成，对加工精度要求不高。第三，进行余料的半精加工，去除热处理产生的变形，完成各次要表面的最后加工，给精加工奠定基础。第四，精加工阶段，完成全部表面最终加工，并保证机匣的全部技术要求，特别是对主要表面的要求。在工艺制定时要兼顾加工精度与效率，合理分配加工余量。第五，采用均匀对称加工余量分布和内外型对称切削方式，即指根据零件余量及走刀次数对加工顺序进行调整，使在同一工序内，内外型面交替加工直至最终尺寸。

3.3机匣数控刀位轨迹优化

在对刀位轨迹进行规划时，需要始终遵循在能够保证后续铣削加工应有余量的前提条件下，对于机匣回转面和凸台四周，应尽可能多的在粗加工阶段去除余量，从而缩短加工工时，提高加工效率。例如，针对燃烧室机匣这类多岛屿复杂结构件可采用行切与环切相结合的方式进行插铣加工。首先，为最大限度地去除毛坯，对凸台外围的区域采用等高行切法可改善插铣加工时因插铣深度不同引起的刀具磨损加剧问题，提高加工效率，降低加工成本；然后在内岛屿周围以凸台平面法向为刀轴矢量绕凸台插铣走刀。其次，构建快速铣削刀轨导入机匣特征造型，作为加工程序的控制曲线，将机匣选为检查面，在保证无干涉的情况下，生成余量去除最多、效率最高的快速铣削开槽加工程序，并在凸台部位进行清根加工。针对机匣凸台四周精铣及清根加工凸台周围的外圆面在机匣外形精铣中已铣削到位部分，只留凸台侧面余量2mm，采用和凸台定面法线同方向的固定刀轴方式，进行连续两刀的环切加工。为保证切入切出的平稳性，所有凸台精铣均采用圆弧进退刀方式进行加工。采用外形结合凸台的铣削方式，将凸台周围的外圆铣削整合到外形铣削中，虽然增加了刀位轨迹的创建难度，但是减少了加工程序的数量，提高了加工效率。对于与凸台无依附关系的加强筋圆角及相邻轮毂面片之间的过渡圆角通常采用四轴联动加工。对于发生干涉的区域，通过使用机匣表面刀具半径偏置面对刀位轨迹进行裁剪，保留非干涉轨迹，生成回转面铣削加工程序。

4结束语

航空发动机机匣属于一种薄壁零件，其结构精度高、材料特殊，在实际的零件加工中所需要的技术工艺较为复杂，加工难度极大且加工质量不稳定。所以需要对航空发动机机匣的数控加工工艺进行探究，以此保证航空发动机机匣的质量。

参考文献

[1]张志革，王敏丰.航空发动机机匣机械加工过程中变形因素分析及变形控制[J].中国设备工程，2020(15):214-215.

[2]宋明强，田俊强，何昱含.TC4航空发动机机匣加工变形控制策略[J].科技创新与应用，2019(20):102-103.