航空發(fā)動機鋁鎂機匣高效復合加工技術應用

鄧元山，胡志星，冷紅標，朱朝霞

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

鋁鎂機匣是航空發(fā)動機重要部件，主要承接發(fā)動機動力輸出機構、滑油潤滑系統(tǒng)及外掛發(fā)動機部件[1]，其外形尺寸大，結構復雜，內鑄油路多，尺寸精度高。由于結構的特殊性，故其加工工藝復雜，加工流程長；加工方法比較傳統(tǒng)，切削方式有待改進，切削效率不高；傳統(tǒng)刀具質量不穩(wěn)定、反復裝夾誤差大，手工攻螺紋內容多，易產生質量問題。這些因素導致目前鋁鎂機匣加工周期長、切削效率偏低及質量穩(wěn)定性不好。

新一代航空發(fā)動機制造精度要求越來越高，所需求的制造技術也在不斷升級，正由手工作業(yè)、機械化、數控化向自動化、柔性化、智能化單元制造技術升級轉變，這種單元制造技術具有自動找正、自動對刀、自動測量、自動補償功能和刀具管理、監(jiān)控功能。刀庫內刀具可實現(xiàn)共享，加工程序可各自調用，在更換零件或更換工序時可實現(xiàn)自動排產，連續(xù)不間斷加工，以滿足典型鋁鎂機匣的高效復合加工要求。

2 機匣高效復合加工技術應用研究

2.1 機匣高效復合加工工藝流程重構

目前鋁鎂機匣加工工藝路線分粗加工、半精加工、精加工[2]；按加工設備可分為數控車床加工、數控立式加工中心加工、數控四軸機床加工、數控五軸機床加工、鉗修等工序，其特點是加工工序多、使用的設備多及生產周期長。圖1、圖2所示的是典型零件鋁鎂機匣1和鋁鎂機匣2的原加工工藝流程。

圖1 鋁鎂機匣1原加工工藝流程

圖2 鋁鎂機匣2原加工工藝流程

如何重構工藝流程、減少加工工序、縮短生產周期是本次研究的首要任務，經研究分析，所需的條件：①要有更先進的設備。②需分析試驗工序集中的生產方式能否滿足質量要求。③需對現(xiàn)有工件的裝夾技術進行創(chuàng)新。

（1）加工設備的選用 研究選用的是一臺高精度銑車復合五軸加工中心設備，該設備可實現(xiàn)車削、五軸銑削復合加工，使用的是高速高精的SHK100刀柄，機床主軸、床身、切削液配有恒溫冷卻裝置，可實時進行溫度檢測與補償，主軸最高轉速12000r/min，定位精度0.006mm，重復定位精度0.003mm，刀庫容量200把，可自動交換工作臺8個，與MES相連能實現(xiàn)訂單式生產過程管控，單工序流或多工序、多品種混流生產，屬于單臺柔性復合制造單元。

（2）工序集中生產方式優(yōu)缺點分析 工序集中的優(yōu)點：①有利于采用高效的專用設備和數控機床，提高生產效率，減少工序數目，縮短工藝路線，簡化生產計劃和生產組織工作。②可減少機床數量、操作人員和占地面積。③能減少工件裝夾次數，不僅可保證各加工表面的相互位置精度，還能減少夾具數量和縮短裝夾工件的輔助時間。

工序集中的缺點：專用設備和工藝裝備投資大、調整維修比較麻煩、生產準備調試加工周期長，如果采用專用設備，不利于轉產。

隨著現(xiàn)代數控技術的發(fā)展，特別是復合加工中心的應用，工藝路線的安排更趨向于工序集中。單件小批量、多品種生產時，更適合采用工序集中的復合加工、柔性生產方式。

（3）機匣裝夾方式的創(chuàng)新 原工藝路線中數控立式車床加工、五軸機床加工工序需獨立進行，分別采用不同的夾具，現(xiàn)銑車復合加工，將工序加工內容進行集中，原有的夾具與現(xiàn)有的加工內容會產生干涉，需對夾具進行創(chuàng)新設計，其主要做法如下。

1）將原一面兩孔定位改為一面三孔定位。一面三孔定位限制了工件6個自由度，優(yōu)點是定位精度高且穩(wěn)定可靠，要注意的問題是一面三孔定位屬于過定位，對夾具制造精度和零件定位孔的加工精度要求非常高，如優(yōu)化后典型零件鋁鎂機匣1加工的第一道工序——銑車復合機床加工的3×φ6mm的定位孔和第三道工序——銑車復合機床加工的3×φ7.9mm定位孔位置度都控制在0.015mm以內，兩端端面平面度、平行度可達到0.01mm，完全能滿足過定位裝夾方式，特別是在第四道工序——銑車復合機床精車時，已無需操作人員再手動找正零件中心與機床B軸中心重合，可以依靠夾具定位直接保證。

2）將原上端面壓緊、側面凸臺壓緊改為只靠面利用工藝螺栓孔反拉固定裝夾零件。如圖3所示，采用螺栓倒拉固定方式，壓緊在底端毛坯剛性好的部位，消除了零件壓緊變形誤差，解決了加工過程中夾具壓板、螺栓發(fā)生干涉的問題。

圖3 零件裝夾示意

通過加工試驗，重構其加工工藝路線，使用銑車復合五軸加工單元，將加工工藝分為先零件正反兩面兩道粗加工、再正反兩面兩道精加工共4道工序來完成，有效簡化了加工流程；同時利用現(xiàn)有設備新功能和加工技術創(chuàng)新，將原來人工攻螺紋、鉗工刮削等內容轉換為數控加工。最終，重構的鋁鎂機匣1和鋁鎂機匣2加工工藝流程如圖4所示。

圖4 鋁鎂機匣重構后的加工工藝流程

2.2 機匣高效復合加工中新的質量控制技術

原有的機匣數控加工過程中，零件的工序質量控制方式是每一批零件、每一道工序的第一個零件必須經過三坐標檢測并滿足首件二檢合格后方可往下加工，計量等待時間一般都＞2h，造成零件生產中斷，設備停機等待?，F(xiàn)通過機內在線測量與補償加工技術，對工序中的關鍵重要尺寸進行檢測控制，可取消每道工序的首件計量要求，只需在所有銑車復合工序加工完成后，對工件進行全尺寸三坐標計量檢測即可，有效減少了工序間的測量等待時間。

（1）機匣加工在機測量技術應用 具體如下。

1）優(yōu)化實時在線測量技術，確保關鍵重要尺寸精度 現(xiàn)有的銑車復合五軸加工中心設備自帶在機測量功能，能實現(xiàn)工序加工中的尺寸控制與補償，縮短了數控加工中工件的找正時間，提高了裝夾加工效率和產品合格率，為數字化、自動化、智能化加工提供了有力支撐。

其要點是零件關鍵重要尺寸應放在所有粗加工、半精加工完成后再進行，由于工序集中，加工時間較長，所以在零件的自身應力得到有效釋放后，再對關鍵重要尺寸進行精加工，會獲得很好的幾何尺寸精度。其執(zhí)行過程中需注意的是：首先需將零件自動沖洗干凈；測量前一定要先重新校準測頭，再對零件進行尺寸測量和工件零點找正；零件最后精加工切削參數要與試切時保持一致；同時在測量結果判斷時設置允許誤差值變化的公差范圍，超出公差范圍系統(tǒng)將自動報警，以此來確保測量系統(tǒng)的可靠性。

2）實時找正工件原點，規(guī)避機床熱變形誤差。機床受自身結構和工作溫度、環(huán)境溫度影響，在工作中從早至晚8h內一般可產生0.03～0.06mm的熱變形誤差，主要影響Y軸與Z軸位置精度，如處理不好將會直接造成零件超差。其具體改進方法是：在零件每道加工工序的夾具上設置一個基準平面，在線測量系統(tǒng)使用前，先將測頭進行自身實時校準，再進行基準測量找正及補償，以此判別、調整機床熱變形誤差和測量系統(tǒng)誤差。機床停機2h以上時，零件加工前要運行預熱程序15min來確保機床主軸、床身處于熱平衡、熱穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）刀具壽命及狀態(tài)管理 具體如下。

刀具壽命控制主要通過機床系統(tǒng)的刀具壽命管理功能來實現(xiàn)，每把刀均可設置切削控制時間和報警提示時間，加工中系統(tǒng)會自動記錄刀具的切削時間，當切削時間達到下限報警值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)更換刀具提示報警，如未及時更換，此刀具將禁用，停止加工。

1）自動對刀與破損監(jiān)測。該設備的刀庫中自帶機內、機外紅外對刀系統(tǒng)，可采用標準刀進行自動標定校準。刀具使用前根據需要執(zhí)行機內自動對刀，切削完返回刀庫后可進行機外破損對刀檢測，當刀具直徑、長度數據超出設定值時，設備會發(fā)出報警，提示刀具出現(xiàn)問題。如果小尺寸刀具在加工中出現(xiàn)斷刀，再放回到刀庫時機外對刀裝置檢測后會發(fā)出報警，以確保加工過程受控，刀具監(jiān)控流程如圖5所示。

圖5 刀具監(jiān)控流程

2）自適應切削功率監(jiān)控。功率監(jiān)視系統(tǒng)可在加工期間應用功率監(jiān)視器對每把刀具所達到的最大吸收值進行記錄學習，在主軸旋轉后和切削加工程序段（G1、G2 或G3）前插入功率監(jiān)視器指令PWM（50，2），即可對加工時異常情況進行切削功率監(jiān)控。其PWM（50，2）的含義是對應于主軸吸收值的50%的最大功率閾值，并且干預延遲為0.2s。

2.3 機匣高效加工中切削效率的優(yōu)化提升方案

（1）用銑削方式替代端面偏心槽的車削加工 鋁鎂機匣1端面有1個φ449.4mm偏心環(huán)槽，如圖6所示，一般選擇的加工工藝是數控車削，但圓槽中心與零件的回轉中心不重合，有25.4mm的偏心尺寸，數控車床加工前需要重新找正夾具25.4mm的偏心孔，是單獨一道數控車削工序。當使用銑車復合設備時，可以使用銑削來替代數控車削，使用五軸的定向加工指令將坐標系偏移25.4mm。由于銑槽加工時，零件不轉動，所以工作臺不會產生離心力，利用小銑刀的高速旋轉，其加工效率比數控車削提高1倍，且無需再重新裝夾找正夾具和零件。

（2）用銑車方式替代原粗車加工 如圖6中A-A所示，零件毛坯小端φ C位置加工余量大，一般采用車削加工去除余量，但由于零件較大，當零件旋轉時，產生的離心力大，導致切削效率低、加工時間長。通過采用銑刀高速高效的銑車混合方式代替粗車加工，再采用車刀精車至最終尺寸，零件的切削時間可減少1h，時間縮短75.6%。

圖6 鋁鎂機匣1端面偏心環(huán)槽示意

（3）切削刀具的選用與改進 在航空機匣高效數控加工中，刀具選擇直接影響著零件的加工質量、效率。在選擇刀具時，主要考慮刀具的切削性能、可靠性和加工精度[3]。

1）三刃鉆在螺紋底孔與螺栓孔加工中的應用。三刃整體合金鉆頭屬于中型硬質合金鉆頭，在螺紋底孔與螺栓孔加工中可用三刃鉆取代原中心鉆、鉆頭、鏜刀，一次加工至尺寸，加工效率比麻花鉆提高3～5倍，且孔徑尺寸穩(wěn)定，位置度和垂直度好。其主要特點：①比二刃麻花鉆頭鉆心厚、強度高，從而補償了硬質合金韌性差的弱點。②刀尖前端形成特殊形狀，切削時可自動定心，無需加工中心孔。③切削刃多、定心好使得每轉進給量增大2～3倍，又可進行高速切削，從而可大幅縮短加工時間。④加工精度高，尺寸精度達H7，位置精度可提高1倍。⑤刀具壽命長，加工合金鋼、鑄鐵和鋁合金可分別增大1～2倍。⑥切削刃多，鉆頭定心好，適合加工孔深為3～4倍徑的孔。

2）鋁鎂合金專用銑刀與復合刀具的應用。采用鋁鎂合金專用銑刀，實現(xiàn)機匣的高速、高效優(yōu)質加工。該銑刀一般采用0.6μm超細微高速鋼材料制成，熱處理淬火后硬度58HRC，具有很高的耐磨性和強度，屬于高硬度高速切削應用銑刀。刀具一般采用三刃、35°螺旋角，雙刃帶+圓弧韌帶設計，超大容量排屑槽，使得排屑更流暢，刃口持久鋒利，切削力小，尺寸控制好。

將同位置多尺寸的臺階孔加工中原使用的中心鉆、鉆頭、埋鉆、鏜刀和倒圓、倒角等刀具合并設計為復合刀具，一次將多組尺寸加工到位，例如用60°、90°、120°三把倒角銑刀代替原各專用定尺寸倒角刀，用埋孔和高速銑削的方式加工倒角尺寸和去除毛刺，有效減少了刀具數量、換刀時間和鉗工工作量。

（4）對數控攻螺紋技術進行優(yōu)化與提升，取代鉗工手工攻螺紋操作 在本次研究過程中所有螺紋都是通過數控攻螺紋來完成的，有效取代了鉗工手動攻螺紋作業(yè)，提高了螺紋加工精度和生產效率。由于數控攻螺紋針對螺紋超差的補救措施比較少，所以易造成整個機匣報廢。分析螺紋超差的主要情況有絲錐發(fā)生斷裂引起螺紋破損超差，主軸轉速與進給同步誤差過大造成螺紋尺寸超差，絲錐跳動過大、攻螺紋時絲錐位置與底孔位置同軸度不好引起螺紋超差等，特別是加工中徑公差帶只有0.03～0.05mm的AJ螺紋時困難更大。其解決方案如下。

1）優(yōu)化攻螺紋程序。所使用設備的數控系統(tǒng)為西門子840D sl，其中CYCLE84攻螺紋指令中有多項細節(jié)功能選項，對預防絲錐斷裂，螺紋尺寸超差有較好的保護作用，主要功能：①主軸定向準停功能?？蓪崿F(xiàn)一個螺紋孔多次重復攻螺紋而不亂牙。②前饋控制功能（FFWON）?？墒构ヂ菁y加工過程中動作連續(xù)平順。③加速度優(yōu)化功能。能有效減少攻螺紋時的沖擊力，預防絲錐瞬間切削力增大導致的絲錐斷裂。④底部暫停延時功能。絲錐斷刀80%都發(fā)生在退刀時主軸反轉的那一瞬間，此功能配合預控制、加速度、加速功能的使用，絲錐加工到底端時會精準地停下來，然后再慢速啟動平穩(wěn)回退，可有效避免主軸反轉時瞬間扭矩增大和減小進退刀慣性。

2）微量柔性攻螺紋刀柄的使用。微量柔性攻螺紋刀柄在軸向和徑向分別有0.5mm和0.2mm的浮動變化量，既能獲得好的螺紋位置與尺寸精度，又能緩沖抵消各種伺服誤差和瞬間扭矩增大的問題，起到保護絲錐和提高螺紋精度的作用。

3 結束語

本文通過采用銑車復合技術重構優(yōu)化工藝路線、使用高效加工方法、應用在線測量技術、改進原機匣加工的刀具、使用設備刀具管理功能監(jiān)控刀具壽命和創(chuàng)新零件裝夾方式等方面，全面提升鋁鎂機匣加工品質，將鋁鎂機匣加工周期整體縮短50%，切削效率提升60%以上，質量穩(wěn)定性進一步提升。

通過應用在機自動測量、自動補償、自動找正和刀具壽命監(jiān)控等新技術及對切削方式、加工刀具、裝夾方式的改進優(yōu)化，實現(xiàn)鋁鎂機匣高效復合加工，為同類加工提供一定的借鑒方法。