航空機(jī)匣數(shù)控程序路徑優(yōu)化方法

王明河 趙興福 　梁傳宇

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵的零部件，傳統(tǒng)加工工藝不僅加工工藝難度大、加工成本高，而且加工周期長(zhǎng)。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件加工難題，應(yīng)用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行零件加工，能夠有效解決機(jī)匣類加工難題。但是在實(shí)際加工中，數(shù)控程序編制的質(zhì)量直接影響加工質(zhì)量。因此，為了能夠提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件的加工質(zhì)量，下面結(jié)合機(jī)匣類零件的特點(diǎn)詳細(xì)分析了數(shù)控程序路徑的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)匣；零件；數(shù)控程序；優(yōu)化

1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件的特點(diǎn)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，目前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)已經(jīng)成為綜合國(guó)力和科技水平的重要標(biāo)志之一，為了不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)，近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)也在不斷的提高和改進(jìn)，其中航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)也越來(lái)越先進(jìn)，也越來(lái)越復(fù)雜。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件類常用的主要是鈦合金、高溫合金、不銹鋼以及硬質(zhì)合金、復(fù)合材料等，加工難度非常大。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件空間曲面形狀復(fù)雜，其中機(jī)匣零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為中空外環(huán)形面，外環(huán)形面一般分布有條數(shù)不等的環(huán)形凸緣，機(jī)匣表面分布有形狀各不相同凸臺(tái)等。由于機(jī)匣毛坯是自鍛件，加工余量很大，而且零件材料切削難度大，表面質(zhì)量精度高，要求沒(méi)有裂紋、鑄層等冶金缺陷，所以進(jìn)一步增加零件的加工難度。在機(jī)匣類零件加工的過(guò)程中，為了保證尺寸加工精度和零件表面加工質(zhì)量，同時(shí)也進(jìn)一步為了防止零件加工后變形，所以在數(shù)控程序編制中應(yīng)綜合考慮，以提高加工質(zhì)量。

2.機(jī)匣類零件數(shù)控程序路徑的優(yōu)化方案分析

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件其最大直徑為Φ678mm，零件壁厚1.7mm，其材料為鈦合金，毛坯為鍛造圓環(huán)，其從毛坯加工到機(jī)匣成品約需要去除80%以上的加工余量，由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外型面無(wú)橫向加強(qiáng)筋，所以加工后容易發(fā)生變形，通過(guò)對(duì)機(jī)匣加工工序和走刀路徑進(jìn)行優(yōu)化，使用UG編程軟件編制循環(huán)程序控制工件變形，以期提高加工質(zhì)量和效率。

2.1.機(jī)匣工序的優(yōu)化分析

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件加工中，數(shù)控加工工序的選擇是影響加工質(zhì)量的最大的環(huán)節(jié)，也是提高加工率效的重要的步驟，也是加工耗時(shí)最長(zhǎng)、技術(shù)難度最大的一個(gè)環(huán)節(jié)。一般情況下，機(jī)匣加工中大多數(shù)金屬去除量都是采用數(shù)控手段去除。機(jī)匣類零件加工方案的確定一般由設(shè)計(jì)圖紙的工藝分析和工序劃分組成，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)有較好的工藝性，應(yīng)該注意零件各個(gè)加工部位結(jié)構(gòu)是否符合數(shù)控加工、便于數(shù)控加工，另外還應(yīng)該注意零件尺寸精度是否符合加工要求，尺寸是否充足或者是否存在封閉尺寸。

2.2.走刀路徑的優(yōu)化分析

通過(guò)分析機(jī)匣結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，對(duì)工件車(chē)削加工和銑削加工走刀的方式進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，其走刀路線主要采用刀路相對(duì)走刀和區(qū)域?qū)ΨQ加工走刀方式，以能夠控制工件變形。其中銑加工主要采用分區(qū)域?qū)ΨQ銑削加工，而車(chē)加工決定采用相對(duì)走刀方式，以消除工件應(yīng)力，對(duì)工件變形起到抑制的作用。

車(chē)加工機(jī)匣內(nèi)斜面的走刀路線主要設(shè)計(jì)了兩種方式，一種是傳統(tǒng)的，一種是經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的，對(duì)比效果如圖1所示。圖中順序號(hào)為加工順序，箭頭表示刀具切削方向。圖（a）所示為傳統(tǒng)加工方式車(chē)削圖，圖中內(nèi)圓斜面主要采用一把刀具將整個(gè)斜面加工完成，所以其在加工的過(guò)程中主要采用一個(gè)方向的走刀路徑，這種方式編程特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但是在加工過(guò)程中一直受到一個(gè)方向的切削力，且在每一層切削中都會(huì)形成最長(zhǎng)的薄壁，所以切削力很容易引起工件的變形。而優(yōu)化改進(jìn)后的加工方式主要采用從下到上和從上到下相對(duì)走刀的方式進(jìn)行加工斜面，兩個(gè)刀路對(duì)向加工，切削層深交錯(cuò)疊進(jìn)，保證每一次切削都處在機(jī)匣壁較短、較厚，剛性較好的狀態(tài)中，這種加工方式能夠有效的抵消切削力，減小零件變形。

圖1 車(chē)斜面走刀路徑對(duì)比圖

一般地，銑削加工傳統(tǒng)的銑削方式主要采用周向順次銑削方式，其主要從0°到360°順銑削，加工區(qū)域順序及切削走刀路線分布如圖2所示，順次加工區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3，而優(yōu)化后的銑削方式為分區(qū)域?qū)ΨQ銑削，即將工件外形面根據(jù)其幾何特征分為不同的區(qū)域，在加工的過(guò)程中，首先進(jìn)行加工0°到45°的區(qū)域，然后在對(duì)稱銑削180°到225°的區(qū)域，然后接著銑削加工45°到90°和315°到360°的區(qū)域。這種優(yōu)化的區(qū)域?qū)ΨQ銑削方式可以使零件各向均勻變形，能夠更好的控制零件的表面余量和型面精度。

圖2 區(qū)域切削刀路分布圖

2.3.循環(huán)程序的應(yīng)用

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件加工中，傳統(tǒng)車(chē)削加工的程序編制為輪廓程序，其加工現(xiàn)場(chǎng)主要由工人憑著經(jīng)驗(yàn)自主進(jìn)行加工，在加工的過(guò)程中，由于不同工人加工切削參數(shù)不一致，所以質(zhì)量不穩(wěn)定，另外由于人為干預(yù)，容易造成在數(shù)控加工中補(bǔ)刀錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致工件報(bào)廢。為了有效避免上述問(wèn)題，本例采用UG軟件編制循環(huán)程序，通過(guò)調(diào)整加工程序和切削參數(shù)等信息，并在程序中自動(dòng)設(shè)置好分層的切屑軌跡，即可不需要進(jìn)行人工調(diào)整，就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加工，同時(shí)還能夠有效減少工人讓刀次數(shù)，進(jìn)而達(dá)到降低加工風(fēng)險(xiǎn)和提高加工質(zhì)量的目的。下圖為循環(huán)程序的UG設(shè)置界面。

圖3 循環(huán)程序UG設(shè)置界面

其中調(diào)整前后的程序軌跡對(duì)比圖如下圖4所示，其中加工順序?yàn)閳D中序號(hào)所示，而切削方向用箭頭表示。由圖4所示：傳統(tǒng)的車(chē)加工方式首先將①的外圓和端面全部的余量加工完成之后，再進(jìn)行加工②③的止口和斜面的余量，而優(yōu)化改進(jìn)后的車(chē)加工方式主要采用分層切削的方式進(jìn)行加工：首先按照?qǐng)D中所示的①到⑧的加工順序?qū)⒐ぜ系亩嗣?、外圓以及止口和斜面等表面均勻的加工一層，然后再按照⑨～⑩的順序加工第二層，整個(gè)加工過(guò)程都采用相對(duì)走刀的方式進(jìn)行加工，其中粗加工和半精加工主要采用分層切削，同時(shí)還保證其加工深度在2mm以下，每一層全部切削完成之后，再開(kāi)始切削第二層，逐層遞進(jìn)，直到整個(gè)工件加工完成。這種加工方式不僅能夠?qū)⒐ぜ?nèi)部應(yīng)力均勻釋放，而且還能夠有效減少扭曲變形，提高工件加工質(zhì)量。

圖4循環(huán)程序調(diào)整前后程序軌跡對(duì)比圖

3.加工結(jié)果分析

通過(guò)在機(jī)匣零件加工中對(duì)走刀路徑進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以及運(yùn)用循環(huán)程序，不僅能夠有效減少零件加工中人為操作造成的錯(cuò)誤，而且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加工和提高生產(chǎn)效率，另外通過(guò)對(duì)數(shù)控程序路徑進(jìn)行優(yōu)化，也能夠有效控制工件變形，提高加工質(zhì)量，值得推廣應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

王明河（1973-），男（漢族），本科學(xué)歷，哈爾濱市，中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，主任工藝師/高級(jí)工程師，中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司二級(jí)專家，研究方向：數(shù)控加工與仿真應(yīng)用技術(shù)及高速加工技術(shù)研究。