燃燒室前端機(jī)匣銑加工工藝研究

摘 要：燃燒室前端機(jī)匣為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件。傳統(tǒng)機(jī)匣加工工藝具有加工時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、刀具易磨損等特點(diǎn)。文章提出一種改善的機(jī)匣加工工藝方法。該方法根據(jù)機(jī)匣零件內(nèi)外型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，選擇合適的機(jī)床與刀具、確定合理的加工方式并利用數(shù)控加工編程軟件（UGNX）編制高效合理的加工程序。相較傳統(tǒng)的機(jī)匣加工工藝，文章提出的工藝可有效降低機(jī)匣加工時(shí)間、減少加工成本。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工工藝；機(jī)匣加工；刀具選擇；加工策略

1 緒論

燃燒室前端機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件，其內(nèi)部連接燃燒室、高壓渦輪導(dǎo)向器前支撐、鼓筒軸。其外部連接包括油管、冷卻管、控制器在內(nèi)的各種附件。機(jī)匣具有外形復(fù)雜、壁薄、材料難加工和尺寸精度高等特征。機(jī)匣制造加工的材料切除率達(dá)到30%以上，加工工藝復(fù)雜，涉及多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、多軸聯(lián)動(dòng)CAM編程技術(shù)、刀具技術(shù)等[1]。在數(shù)控加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，數(shù)控程序是最能發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)，因此提高編程效率和編程質(zhì)量，是縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。優(yōu)秀的數(shù)控程序編程可提升加工效率和機(jī)床的利用率，提升刀具壽命，進(jìn)而降低成本并提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前機(jī)匣生產(chǎn)所采用的加工工藝和數(shù)控程序存在耗時(shí)長(zhǎng)，材料去除率低，刀具磨損大的問題，給產(chǎn)品的試制加工帶來一定難度[3]。為了更好地完成機(jī)匣交付任務(wù)為后續(xù)其他機(jī)匣零件加工奠定技術(shù)基礎(chǔ)，需要進(jìn)行機(jī)匣數(shù)控銑加工工藝研究。

2 機(jī)匣零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料特性

2.1 機(jī)匣零件結(jié)構(gòu)分析

燃燒室前端機(jī)匣，分為外型（外壁）和內(nèi)型（內(nèi)壁）兩個(gè)區(qū)域。零件最大外徑Φ804mm，總高294mm，最小壁厚3.81mm，小端內(nèi)部有一個(gè)焊接定位止口，外型分上中下三層，各層有不同形狀的島形結(jié)構(gòu)，零件內(nèi)部有相應(yīng)的T型槽和環(huán)型槽（如圖1）。

2.2 精度分析

機(jī)匣零件為加工過程的中間件，后續(xù)還需進(jìn)行組裝焊接加工。其主要配合尺寸為小端內(nèi)側(cè)的焊接止口，尺寸精度要求高（零件圖形及幾何尺寸見圖2）。止口直徑尺寸均為Φ597.433±0.076，同時(shí)有理論點(diǎn)到兩側(cè)的厚度控制尺寸4.42±0.05、4.57±0.05。外型凸臺(tái)輪廓度0.76。

由此可見，該零件是一個(gè)局部尺寸精度要求高的零件。

2.3 材料分析

該零件毛坯選用了優(yōu)質(zhì)三次熔煉的鎳基高溫耐熱合金INCO718，采用模鍛方式。優(yōu)質(zhì)三次熔煉的鎳基高溫耐熱合金INCO718是一種強(qiáng)度很高、硬度較高、高溫條件下強(qiáng)度優(yōu)良的鎳基合金。材料粘性大，加工中不宜斷屑，導(dǎo)熱性能較差，在切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生很大的切削抗力和大量的切削熱。若散熱條件不好，刀具的磨損會(huì)很嚴(yán)重。

3 工藝研究

3.1 傳統(tǒng)加工工藝分析

3.1.1 外型粗加工工藝分析

機(jī)匣外型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分上中下三層不同形狀的島形結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)加工方式采用多軸加工，具有工序集中的特點(diǎn)。為了保證同一刀具進(jìn)行各區(qū)域的粗加工，限制了刀具直徑上限，刀具選用直徑25MM銑刀。為高效去除零件余量，選用了大進(jìn)給刀具。編程方式采用多軸聯(lián)動(dòng)、并進(jìn)行分層加工。

傳統(tǒng)外型加工存在的問題：在五軸加工中心上，采用兩刃的直徑為25毫米的大進(jìn)給刀具對(duì)零件進(jìn)行粗加工，軌跡為多軸分層加工，走刀路線長(zhǎng)，如圖3。因刀具只有兩個(gè)刀刃，導(dǎo)致去除材料的效率較低。同時(shí)編程采用五軸聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行變軸銑加工，機(jī)床剛性差，加工中出現(xiàn)較大的振動(dòng)，容易導(dǎo)致刀具損壞。零件材料難加工，在45號(hào)鋼假件上進(jìn)給可達(dá)到300毫米每分，但在INCO718正式件上進(jìn)給只有50毫米每分，在實(shí)際加工中效率低。

3.1.2 外型精加工工藝分析

外型精加工通常是在五坐標(biāo)加工中心上進(jìn)行，使用球頭銑刀，切削行寬小，加工路線長(zhǎng)，加工效率低，如圖4所示。

3.1.3 內(nèi)型T型槽加工

內(nèi)型T型槽的加工，如圖5所示，采用球頭刀，效率低，成本高，每個(gè)T型槽用一個(gè)球形刀頭，無法重復(fù)使用。

3.1.4 內(nèi)型環(huán)形槽加工

機(jī)匣內(nèi)型環(huán)形槽的粗精加工全部是在四坐標(biāo)加工中心上進(jìn)行，如圖6所示。銑削使用角度頭，如圖7。因切削力大、角度頭剛性差，導(dǎo)致加工中振動(dòng)大，易使角度頭故障，同時(shí)加工效率低。

3.2 優(yōu)化數(shù)控銑加工工藝

3.2.1 外型銑粗加工工藝優(yōu)化

方案一：外型銑粗加工改進(jìn)：由于車間五軸機(jī)床數(shù)量有限，故增加粗銑加工工藝，在三坐標(biāo)加工中心上使用盤銑刀進(jìn)行粗加工，去除大余量，如圖8、圖9所示。

編程方法在NX CAM中的采用固定軸曲面輪廓銑[2]，驅(qū)動(dòng)方法可以采用曲線驅(qū)動(dòng)方法，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)構(gòu)建驅(qū)動(dòng)曲線，刀具軸設(shè)置為Z軸，投影矢量定義為朝向零件軸線。在切削參數(shù)設(shè)置多層切削，逐層切除零件上一定體積的材料。

方案二：有五軸機(jī)床且可重型切削時(shí)可采取以下加工方法進(jìn)行粗加工。

外型凸臺(tái)間粗加工可采用插鉆方式進(jìn)行加工，插式加工也稱鉆銑加工或直搗式加工，這是材料去除率最高的銑加工方法。為獲得最佳的穩(wěn)定性，采用較短的可轉(zhuǎn)位鉆頭。編程方法采用NX CAM中的固定軸曲面輪廓銑，使用曲線驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)曲線垂直于零件表面的輔助線，利用零件表面偏置檢測(cè)面來確定加工深度，刀具軸設(shè)置為與輔助線一致，如圖10a。

零件上下兩層凸臺(tái)間采用層銑加工方式，可采用陶瓷刀具高效去除余量，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)確定刀具直徑，盡可能采用一次走刀去除最大余量，避免往返走刀，減少刀具路線長(zhǎng)度，可以有效縮短加工時(shí)間。編程方法采用可變軸曲面輪廓銑，驅(qū)動(dòng)方法可以采用曲線驅(qū)動(dòng)方法，刀具軸設(shè)置為垂直于零件，投射矢量為垂直于驅(qū)動(dòng)，切削參數(shù)設(shè)置多層切削，如圖10b。圖11為零件加工效果圖。

（a）插鉆方式進(jìn)行加工 （b）層銑加工

3.2.2 外型精加工優(yōu)化

加工外型凸臺(tái)間型面時(shí)球頭刀加工路線長(zhǎng)，為提高效率采用普通端銑刀替代球頭刀，刀尖R應(yīng)與零件凸臺(tái)根部一致。合理規(guī)劃路徑，減少空走刀，盡量縮軌跡長(zhǎng)度。對(duì)于空間曲面和變斜角輪廓外形加工，在保證不干涉和工件不被過切的前提下，無論是曲面粗加工還是精加工，都應(yīng)優(yōu)先選擇平頭刀或圓角刀加工，如圖12。

（1）優(yōu)化加工路線，如圖15所示。編程方法采用可變軸曲面輪廓銑，驅(qū)動(dòng)方法采用曲線驅(qū)動(dòng)，刀具軸設(shè)置為垂直零件和投射矢量為垂直于驅(qū)動(dòng)，如圖13。

（2）采用直徑20陶瓷刀具對(duì)凸臺(tái)周邊進(jìn)行加工，轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)，走刀量1000毫米/分，加工效率是硬質(zhì)合金刀具的4倍。編程方法采用可變軸曲面輪廓銑，驅(qū)動(dòng)方法為曲面驅(qū)動(dòng)，刀具軸設(shè)置為垂直于凸臺(tái)上表面，如圖14。

3.2.3 內(nèi)型銑加工工藝優(yōu)化

內(nèi)型T型槽型面與機(jī)匣軸線成約24度的斜角，粗加工采用插銑方式，選用大進(jìn)給銑刀。

編程方法采用固定軸曲面輪廓銑，驅(qū)動(dòng)方法為區(qū)域驅(qū)動(dòng)方法，刀軸設(shè)置為Z軸正向。切削模式為單向，步進(jìn)長(zhǎng)度設(shè)定為2-3毫米，如圖15。

3.2.4 內(nèi)型環(huán)槽加工工藝優(yōu)化

新工藝在三坐標(biāo)加工中心上使用錐度與零件表面一致的盤銑刀去除大部分內(nèi)型環(huán)槽的余量，并進(jìn)行部分可達(dá)表面的精加工，如圖16。

其后對(duì)未加工到的區(qū)域在五坐標(biāo)加工中心上使用球頭刀對(duì)環(huán)槽底部及兩側(cè)進(jìn)行精加工和清根。采用長(zhǎng)刀柄加延長(zhǎng)桿在擺頭-轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床上加工環(huán)形槽兩側(cè)上端，保證零件最終尺寸，如圖17。若通過雙擺頭五軸機(jī)床，上述精加工可采用一把銑刀直接加工到位，效率會(huì)更高。

4 結(jié)束語

經(jīng)過工藝優(yōu)化，該機(jī)匣加工時(shí)間由180小時(shí)縮短至90小時(shí)，效率提升一倍，且降低了對(duì)五軸機(jī)床的依賴。提升了排產(chǎn)加工的柔性和設(shè)備的利用率，進(jìn)而降低了生產(chǎn)成本。

機(jī)匣加工選用合適的機(jī)床、刀具、同時(shí)結(jié)合編程軟件編制合理的加工程序，可以有效的提升該類零件的加工效率。經(jīng)過此次工藝優(yōu)化，我們得出下述技術(shù)結(jié)論：

加工方案和機(jī)床選擇：考察企業(yè)機(jī)床類型、數(shù)量和特性，在充分研究精度和排產(chǎn)的情況下，不盲目追求一次裝夾和高端機(jī)床。根據(jù)機(jī)匣被加工區(qū)域的特點(diǎn)選用機(jī)床，合理安排粗精加工，思路為使用三軸加工中心去除余量，五軸加工中心進(jìn)行精加工，但不局限，適用為重。

刀具選擇：充分考慮被加工區(qū)域的形狀特征，選取刀具時(shí)，使刀具的尺寸與被加工表面的尺寸相適應(yīng)，根據(jù)設(shè)備的功率和工件的加工尺寸盡量選擇較大直徑的刀具。球頭刀僅出現(xiàn)在清根等其他高效刀具無法完成的加工區(qū)域。

編程方法：根據(jù)被加工區(qū)域的特征制定刀具軌跡，盡量采用走刀路線短的高效加工程序進(jìn)行加工。

此機(jī)匣的工藝優(yōu)化效果較為明顯，可作為同類機(jī)匣加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)的參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]任軍學(xué)，龔仔華，田榮鑫，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣五軸插銑加工[J].航空制造技術(shù)，2013.