航空發(fā)動機典型產(chǎn)品燃燒室機匣加工工藝分析和技術(shù)應用

張衛(wèi)青

摘 要：本文從某型航空發(fā)動機燃燒室機匣的工藝特點出發(fā)，結(jié)合企業(yè)能力現(xiàn)狀，對燃燒室機匣的加工工藝進行分析，并在應用過程中結(jié)合數(shù)控加工裝備、三維CAD/CAM軟件應用技術(shù)進行試驗，取得一定的經(jīng)驗和效果。分享此類型薄壁燃燒室機匣的開發(fā)研制過程中可供借鑒的工藝方法和應用技術(shù)。

一、前言

航空發(fā)動機機匣是發(fā)動機中的殼體、框架類靜子部件，是發(fā)動機的重要承力部件。主要作用是承載發(fā)動機零組件重量、承受軸向和徑向力，構(gòu)成氣流通道，包容氣流、發(fā)動機轉(zhuǎn)子，防止轉(zhuǎn)子葉片斷裂飛出，起到連接、支承、包容等作用。本文論述的燃燒室機匣是某型航空發(fā)動機熱端的重要功能部件，屬于典型的的薄壁環(huán)形件（見圖一），其大端直徑約Φ600mm、小端直徑約Φ420mm、總高度約290mm、壁厚4.5mm。工件材料選用13Cr11Ni2W2MoV馬氏體不銹鋼，硬度HB311～388，熱導率與鎳基高溫合金接近，切削加工時蓄熱、應力集中使得塑性變形大，難以加工。

該型號發(fā)動機屬急需升級換代產(chǎn)品，已經(jīng)獲得國家正式立項和充分的資金支持，前期試制/小批產(chǎn)品性能已經(jīng)獲得用戶方的充分肯定，需求極為迫切。此次為小批轉(zhuǎn)大批生產(chǎn)前的改進試驗項目，目的是充分驗證該類型產(chǎn)品為滿足大批量生產(chǎn)所需的工藝調(diào)整和技術(shù)應用，打通批產(chǎn)的瓶頸，為向用戶迅速提供高質(zhì)量、高性能產(chǎn)品奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

二、工藝性分析

燃燒室機匣殼體薄壁，零件剛性弱，加工過程中易產(chǎn)生振動，加工中易產(chǎn)生變形。設(shè)計基準的形狀公差小，主要表面之間相互位置要求的項目多，且位置公差小。要同時保證這些高精度要求，加工難度很大，完整的工藝分析主要內(nèi)容需緊扣如下圖表所示，本文篇幅有限主要圍繞機加工藝展開。

1、工藝方案確定：

前后安裝邊和筒體內(nèi)壁壁采用車削加工，機匣的半精車和精車采用數(shù)控車削工藝。

安裝邊上的精密定位孔位置精度要求高，需要采用坐標鏜孔加工工藝。

機匣外壁的安裝座輪廓型面和安裝邊上的沉頭孔選用數(shù)控鉆、鉸孔和數(shù)控銑加工工藝。

2、前期試制總結(jié)

該工件在前期的試制、小批生產(chǎn)中，分別嘗試了整體鍛件式結(jié)構(gòu)和鈑金焊接式結(jié)構(gòu)，目的在于試驗產(chǎn)品性能、計算加工周期和設(shè)備資源占用率，以及批量化生產(chǎn)的各項成本?？偨Y(jié)兩種結(jié)構(gòu)的加工工藝和優(yōu)缺點：

2.1、整體鍛件式結(jié)構(gòu)的加工工藝，鍛件毛坯重量約400kg，工件最終重量約24kg，材料金屬去除率～94%；鍛件毛坯最大厚度≥180mm，在毛坯階段淬火工藝成本較大，故選擇在粗加工結(jié)束后安排熱處理達到硬度指標并去除加工內(nèi)應力；加工全程采用數(shù)控立式車床和多軸臥式鏜銑加工中心，配合使用陶瓷和硬質(zhì)合金刀具：粗加工階段采用晶須陶瓷車刀片，快速去除大余量后，隨即進行熱處理（1000～1020℃油淬+540～560℃回火），精加工采用Φ12R3牛鼻刀銑削+Φ6球刀精修表面。

優(yōu)點主要有：工件表面粗糙度和完整性好、尺寸精度高，各項機械性能全部達標；設(shè)計基準/加工基準/檢測基準一致，所用加工程序在vericut仿真環(huán)境下進行模擬，工件一次性完成加工并交付；與上級組件適裝性好，試車結(jié)果好。

缺點主要有：金屬利用率低，～94%的金屬去除率，材料成本高；加工成本高，機床成本約12萬元/工件、刀具成本約8000元/工件；CAM編程難度相對較大；機床占用率高，實際加工時間共計：數(shù)控立式車床160小時、鏜銑加工中心200小時，按照機床6000小時/年（工作日250日/年、24小時/日）使用率計算，1臺車床年加工能力約38件、1臺鏜銑加工中心年加工能力約30件，需要3～4臺套車床+鏜銑加工中心才能滿足批產(chǎn)需求。粗略計算單件生產(chǎn)成本超過20萬元（不含人工成本）。

2.2、鈑金焊接式結(jié)構(gòu)的加工工藝，鍛件毛坯重量約200kg+板料毛坯重量約8kg，工件最終重量約24kg，金屬去除率～88%；選擇在組合焊接結(jié)束后安排熱處理（680～700℃回火）去除焊接應力；加工過程中鈑金筒體和7種安裝座等子零件采用多臺普通設(shè)備加工、組合件精加工采用數(shù)控立式車床和多軸臥式鏜銑加工中心，配合使用硬質(zhì)合金刀具。

優(yōu)點主要有：成本優(yōu)勢明顯，單件生產(chǎn)成本不到10萬元（不含人工成本）；子零件采用多臺設(shè)備協(xié)作生產(chǎn)、組件裝配焊接，精加工階段高級數(shù)控機床占用率得以明顯控制，實際加工時間共計：數(shù)控立式車床60小時、鏜銑加工中心20小時，按照機床6000小時/年（工作日250日/年、24小時/日）使用率計算，1臺車床年加工能力約100件、1臺鏜銑加工中心年加工能力約300件；刀具成本約1200元/工件。

缺點主要有：工件表面粗糙度和完整性不如機加工藝、尺寸精度相對較差、設(shè)計基準/加工基準/檢測基準存在尺寸鏈換算；焊接工藝要求高，馬氏體型熱強不銹鋼的焊接性能較差，極易產(chǎn)生微裂紋、連續(xù)性氣孔/夾渣等缺陷，且焊接后必須在12小時內(nèi)進行熱處理以消除應力對焊縫缺陷的放大作用；人工鉗修、校型工作量較大；由于變形等原因，與上級組件須配裝，試車結(jié)果不如整體鍛件。

綜合以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，經(jīng)過與設(shè)計單位的密切溝通和協(xié)作。明確該型號航空發(fā)動機以性能為目標，成本因素為輔。確定選擇整體鍛件式結(jié)構(gòu)作為主方向，在保證質(zhì)量的前提下盡可能的提高加工效率、縮短生產(chǎn)周期。

三、數(shù)控加工裝備的選擇

現(xiàn)代智能化數(shù)控機床通過智能傳感器采集加工過程中產(chǎn)生的振動、運動部件熱變形等與加工相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，并通過設(shè)定參數(shù)集與程序去補償和優(yōu)化機床動態(tài)加工性能，以提高加工精度、表面質(zhì)量和加工效率。目前，公司內(nèi)很多機床在數(shù)控系統(tǒng)中集成了OMATIVE、機內(nèi)對刀儀等自適應控制系統(tǒng)軟硬件，可通過機床主軸監(jiān)控及刀具監(jiān)控（破損檢測、磨損檢測等）實現(xiàn)刀具、機床的過載保護，而且可通過加工過程中采集的數(shù)據(jù)進行實時切削進給速度調(diào)控，從而實現(xiàn)負載穩(wěn)定的高效加工。

本產(chǎn)品選定使用加裝了OMATIVE、機內(nèi)對刀儀等自適應控制系統(tǒng)軟硬件的國產(chǎn)四軸臥式鏜銑加工中心為精加工階段主要關(guān)鍵設(shè)備。在實踐當中順利實現(xiàn)自動換刀、自適應補償和24小時無人值守加工。實際加工周期有所縮減，實現(xiàn)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減少10～15%的目標，并且仍有改進的空間。

四、數(shù)控加工刀具技術(shù)的應用

刀具技術(shù)是數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是限制難加工材料加工效率的一個技術(shù)瓶頸。隨著刀具技術(shù)的進步，刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)不斷改進，刀具種類越來越多，如何合理選擇刀具及切削參數(shù)是提高數(shù)控加工效率的核心所在。高速加工技術(shù)中，超硬材料刀具是實現(xiàn)高速加工的前提和先決條件，具備高速銑削加工能力的加工中心則是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵設(shè)備。目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經(jīng)高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦隨著刀具材料創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1000m/min以上。針對本產(chǎn)品使用的13Cr11Ni2W2MoV馬氏體型熱強不銹鋼材料，經(jīng)查詢《中國航空材料手冊》可知，“13Cr11Ni2W2MoV（舊國標牌號：1Cr11Ni2W2MoV）是馬氏體型熱強不銹鋼，其室溫拉伸強度、持久強度極限及蠕變極限均較高，并有良好的韌性和抗氧化性能，在淡水和濕空氣中有較好的耐蝕性。…淬硬性和淬透性較好，厚度在200mm以下的零件易于淬透?！m用于制造在550℃以下及高濕條件下工作的承力件?！?以上內(nèi)容為該材料在公開發(fā)行資料、檔案中的理論性能基本概述。

由于該材料的切削加工性較差（其相對切削性mc在0.20一0.22之間），加工過程中冷卻硬化嚴重，高溫強度高，刀具磨損劇烈；粘刀現(xiàn)象較突出，容易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面粗糙度增大；切屑不易卷曲和折斷，排屑不利，易擠傷已加工表面或崩刀；導熱系數(shù)小，導熱性差，切削熱不能及時傳出，刀具容易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，失去切削性能；線膨脹系數(shù)較大，在切削熱作用下，容易產(chǎn)生熱變形。采用傳統(tǒng)加工方式時切削線速度一般不超過30m/min，粗加工金屬切除率一般不超過40cm3/min，精加工金屬切除率不超過10cm3/min。受限于現(xiàn)有條件，粗加工采用了可轉(zhuǎn)位玉米銑刀大切深、小進給的強力切削；精加工采用PVD涂層硬質(zhì)合金刀具進行小切寬、小切深的中等進給速度銑削，使精加工時間相比縮短20%以上。

五、工裝技術(shù)的發(fā)展

目前，不銹鋼、高溫合金、鈦合金等材料難加工、薄壁類零組件主要采用柔性材料減震、壓板壓緊。而部分先進企業(yè)已大量使用帶氣動、液壓及控制系統(tǒng)的自動夾具，通過采用數(shù)控多點自動調(diào)節(jié)、真空吸附或機械夾頭的柔性夾具，可實現(xiàn)對不同形狀的各種復雜結(jié)構(gòu)工件在機床上的柔性、快速定位和裝夾，已成為數(shù)控工裝設(shè)計制造的發(fā)展方向，是提高數(shù)控加工效率的另一關(guān)鍵技術(shù)。這項技術(shù)在加工薄壁結(jié)構(gòu)件、大型復材結(jié)構(gòu)件及蒙皮類零件時的優(yōu)勢尤為明顯。綜合質(zhì)量、效率和成本等因素。

六、工藝設(shè)計、三維CAM編程及仿真技術(shù)

工藝編程人員充分利用現(xiàn)有各種工藝資源進行零件工藝及數(shù)控程序編制的全過程即為數(shù)控工藝設(shè)計，它直接影響零件生產(chǎn)計劃及現(xiàn)場加工的質(zhì)量，是整個數(shù)控生產(chǎn)重要的環(huán)節(jié)。航空制造業(yè)所面臨的通常都是多品種、小批量的生產(chǎn)任務，新機研制任務繁重，數(shù)控工藝設(shè)計已成為制約數(shù)控生產(chǎn)新的“瓶頸”。目前航空制造企業(yè)普遍使用UG NX或CATIA進行三維CAM編程；在車間數(shù)字化協(xié)同平臺下，實現(xiàn)在工藝設(shè)計過程中機床系統(tǒng)信息（如精度設(shè)置、高級指令、刀具壽命管理等）集成，在CNC端實現(xiàn)在線仿真和工件的在線檢測，并將信息反饋回CAM系統(tǒng)。該項目的實施不僅促成工藝設(shè)計與實際加工信息的集成，同時也將大幅提升NC程序編制的效率和質(zhì)量。本處采用UG NX進行三維CAM編程，

數(shù)控加工過程的仿真是虛擬制造技術(shù)的核心技術(shù)之一，主要分為幾何仿真和物理仿真。幾何仿真的作用主要是檢查數(shù)控程序刀具軌跡的正確性和幾何干涉碰撞問題。物理仿真則是對加工過程中可能出現(xiàn)的各類型物理現(xiàn)象的總結(jié)歸納，實現(xiàn)更精確的仿真進而獲得突破。

綜上所述，本文從某型航空發(fā)動機燃燒室機匣的工藝特點出發(fā)，結(jié)合企業(yè)能力現(xiàn)狀，對燃燒室機匣的加工工藝進行分析，并在應用過程中結(jié)合數(shù)控加工裝備、三維CAD/CAM軟件應用技術(shù)進行試驗，取得一定的經(jīng)驗和效果。分享此類型薄壁燃燒室機匣的開發(fā)研制過程中可供借鑒的工藝方法和應用技術(shù)。