航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工新工藝

鄭瑋晟，孔凱博，李柏強(qiáng)，王進(jìn)月，任廣惠

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110122；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州 450046）

0 引言

隨著航天航空事業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行成為研究的重點(diǎn)項(xiàng)目，其中最為關(guān)鍵的是航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工問(wèn)題。由于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝存在的滯后性，使得生產(chǎn)出來(lái)的零部件很難滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求[1]。因此，需要不斷優(yōu)化創(chuàng)新航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工工藝，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化加工。本文分析研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工工藝的現(xiàn)狀，并提出相應(yīng)的工藝優(yōu)化措施，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工的高效開(kāi)展提供參考。

1 新技術(shù)與新工藝

1.1 新型毛坯件制造技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)新型毛坯件成型鑄造技術(shù)包含定向凝固技術(shù)與單晶精鑄技術(shù)[2]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工過(guò)程中，精密、整體的結(jié)構(gòu)毛坯件是不可或缺的重要部分，通過(guò)新型毛坯件制造技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)大余量毛坯件，可以較好地提高毛坯件加工精度及加工質(zhì)量。

1.2 先進(jìn)切削成型技術(shù)

切削成型是航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工制造過(guò)程中應(yīng)用十分廣泛的制造方式，運(yùn)用機(jī)械切削來(lái)實(shí)現(xiàn)精密、復(fù)雜零部件的制作。目前，鈦合金由于其高強(qiáng)度、高剛度以及高耐熱性的優(yōu)勢(shì)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中應(yīng)用占比較高，這也給傳統(tǒng)機(jī)械切削加工帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中對(duì)曲面和表面光潔度有較高的要求，因此需要通過(guò)利用具備四軸、五軸聯(lián)動(dòng)功能等復(fù)雜曲面高精度加工能力的設(shè)備來(lái)提升加工質(zhì)量[3]。數(shù)控加工技術(shù)在零部件加工種發(fā)揮著重要的作用，可以較好地完成復(fù)雜曲面與高精度結(jié)構(gòu)件的加工。除此之外，需要重視航空發(fā)動(dòng)機(jī)高精度零部件切削加工過(guò)程中的變形補(bǔ)償與自適應(yīng)加工等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提升加工精度。

1.3 特種加工技術(shù)

高能束流加工技術(shù)是一種特種加工技術(shù)，一些應(yīng)用常規(guī)切削加工技術(shù)無(wú)法完成的機(jī)械加工操作可以運(yùn)用此技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如復(fù)雜型腔、型面等復(fù)雜難切削零部件的加工。另外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工常用的特種加工技術(shù)還包含激光、等離子、電火花以及離子加工技術(shù)等。新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜型面與復(fù)雜型腔的加工質(zhì)量具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。

2 機(jī)械加工工藝的優(yōu)化方法

2.1 科學(xué)規(guī)劃工藝路線

航空發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)機(jī)械零件的加工工序中，可能存在兩個(gè)或者多個(gè)加工表面，且每一個(gè)加工表面都需要應(yīng)用不同的方式加工，每種加工方式在時(shí)間成本、材料成本、加工質(zhì)量等方面都有著較大的差別。例如，部分零件有具體的生產(chǎn)加工計(jì)劃與要求，只進(jìn)行單次切削不能夠達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，可以運(yùn)用多層次、多種方式的加工方法對(duì)加工面進(jìn)行操作，科學(xué)規(guī)劃工藝路線，有效降低時(shí)間成本與加工成本，提高零件加工質(zhì)量。

2.2 矯正加工工具誤差

航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工工藝的完善，一方面需要相關(guān)工作人員完善技術(shù)內(nèi)容，另一方面也需要完善對(duì)工具設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工過(guò)程中，加工工具的選用直接影響零件加工質(zhì)量。因此，應(yīng)當(dāng)在機(jī)械加工使用工序表之中，對(duì)刀具號(hào)碼及專用刀具信息進(jìn)行明確。數(shù)控加工中心所使用的刀具應(yīng)當(dāng)對(duì)其部位裝配圖及尺寸進(jìn)行描述。加工過(guò)程中需要選擇合適的機(jī)床，減少選用尺寸及型號(hào)不合理而導(dǎo)致的時(shí)間與成本浪費(fèi)問(wèn)題，對(duì)加工表面精度形成良好的保障。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工工藝的優(yōu)化，需要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完善加工體系，確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)工序信息及資源等能夠在工作人員之中實(shí)現(xiàn)良好的共享，提升數(shù)據(jù)利用效率。除此之外，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的加工體系，以此帶動(dòng)信息化的發(fā)展，促使航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工過(guò)程更具規(guī)范性。

2.3 優(yōu)化工藝方案及各項(xiàng)工序

航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工工藝的優(yōu)化存在較高的復(fù)雜性。首先需要將各種機(jī)床按照相應(yīng)的次序進(jìn)行排列安置，做好零件加工流程的規(guī)劃。其次，應(yīng)當(dāng)對(duì)各種工藝實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃，以此來(lái)保障工作的順利實(shí)施，并合理安排各項(xiàng)工藝開(kāi)展的順序及使用頻率；最后，在具體的加工過(guò)程中使用優(yōu)化的工藝方案，有效完善工序工藝規(guī)程。除此之外，可以將加工工藝做成工藝模板，降低加工制造難度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)零部件加工制造水平。

2.4 科學(xué)改進(jìn)加工工藝

一方面，機(jī)械加工過(guò)程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)所運(yùn)用的切削工具越來(lái)越傾向于超硬度復(fù)合材料，此材料的切削工具能夠有效的提升零件的精良性；另一方面，在金屬加工油之中硫化添加劑的相關(guān)技術(shù)也有了新的突破，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的新發(fā)展。同時(shí)，通過(guò)專業(yè)性方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械加工工藝統(tǒng)一打磨，使用光能與機(jī)械能來(lái)轉(zhuǎn)變材料的深層構(gòu)造，減少零件之間的磨損，不斷提升零件加工的水平，制造出更加精良的零部件。

在加工工序?qū)用?，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也十分繁雜。一些設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的要求較高的孔需要依靠數(shù)控機(jī)床技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。除此之外，在進(jìn)行機(jī)械加工的過(guò)程中，可以通過(guò)三維加工視圖來(lái)幫助操作人員做好整個(gè)加工工藝進(jìn)程的控制工作，使各項(xiàng)工作更具條理性。針對(duì)高精度工件，其加工測(cè)量也應(yīng)當(dāng)使用高精度量具開(kāi)展工作，以此提高測(cè)量的規(guī)范性。

3 應(yīng)用案例

本文以靜子內(nèi)環(huán)機(jī)械加工工藝的優(yōu)化為例，分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工的新工藝（圖1）。傳統(tǒng)的對(duì)開(kāi)式鋁合金薄壁加工模式存在零件切斷之后變形及尺寸差過(guò)大的問(wèn)題，新工藝路線能夠有效控制零件切斷后的變形，滿足設(shè)計(jì)所要求的性能參數(shù)。同時(shí)，在工藝路線設(shè)計(jì)的過(guò)程中也兼顧了經(jīng)濟(jì)性，重視生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期的控制。

圖1 靜子內(nèi)環(huán)零件結(jié)構(gòu)

首先，在零件切斷后變形問(wèn)題的控制方面，主要的設(shè)計(jì)理念為將切斷工序前移。在單件粗加工之后，將零件切割為兩個(gè)半環(huán)，并在之后增加兩道工序：去應(yīng)力熱處理與自然時(shí)效。加工設(shè)備由普通臥式車床設(shè)備改為數(shù)控立式車磨床。本文設(shè)計(jì)的靜子內(nèi)環(huán)組合件機(jī)械加工新工藝路線如圖2 所示。

圖2 靜子內(nèi)環(huán)組合件機(jī)加工工藝路線

相比較于傳統(tǒng)的工藝路線，優(yōu)化的靜子內(nèi)環(huán)新工藝路線具備多方面的優(yōu)勢(shì)。首先是能夠?qū)⒕€切割切斷工序前移，盡早釋放內(nèi)應(yīng)力。將部件切割為兩個(gè)半環(huán)以滿足設(shè)計(jì)圖的要求及后續(xù)的裝配需求。其次，在粗加工之后、切斷之前對(duì)零部件實(shí)施去應(yīng)力熱處理，并在精加工之前對(duì)零部件實(shí)施自然時(shí)效處理，能夠進(jìn)一步釋放零件內(nèi)應(yīng)力及加工參與應(yīng)力，以此來(lái)降低加工后變形的概率。最后，精車工序應(yīng)用數(shù)控設(shè)備加工，能夠固化切削參數(shù)及走刀路徑，提高加工的穩(wěn)定性。選用合金機(jī)夾刀具，能夠有效提升加工的效率。采用立式車床進(jìn)行加工，消除了傳統(tǒng)工藝使用臥式車床加工導(dǎo)致的重力影響，同時(shí)方便工人對(duì)夾具進(jìn)行調(diào)整，對(duì)零件進(jìn)行安裝。

切割為半環(huán)的零件加工過(guò)程中還需要重視工藝準(zhǔn)備。首先是切斷工序的計(jì)劃，為了消除應(yīng)力變形，需要切割為半環(huán)狀。為控制加工質(zhì)量，零件的精加工余量以1.5 mm 為宜。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，零件切斷后的變形量最大為1.4 mm，同時(shí)結(jié)合可能存在的精加工定位誤差、半精加工尺寸精度誤差，如果在半精加工之后實(shí)施切斷工序，可能導(dǎo)致精加工余量不足。所以零件切斷工序需要選定在粗加工之后及半精加工之前。

對(duì)于零件最小內(nèi)徑的軸向端面的兩端的裝夾定位方法，應(yīng)當(dāng)從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。其一是加工大端面，即遠(yuǎn)離端面，零件裝夾選擇支撐基準(zhǔn)面、壓緊端面的方式。零件的最終形態(tài)是在小端面有軸向孔，因此在加工時(shí)可以選擇若干軸向孔理論位置加工出工藝基準(zhǔn)孔，同時(shí)以小端面作為基準(zhǔn)面實(shí)施相應(yīng)的定位，繼而完成大端面及外輪廓尺寸加工。其二是加工小端面，即靠近端面，零件裝夾運(yùn)用支撐基準(zhǔn)面，壓緊工藝安裝邊的方式。方法是選用大端面作為基準(zhǔn)面，從大端面工藝安裝邊上加工出工藝基準(zhǔn)孔作為定位。

最后是加工基準(zhǔn)孔工序。此工序可以安排在零件切斷前后，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析確定選擇工藝流程，確保基準(zhǔn)孔位置精度。在此過(guò)程中，觀察零件圓周基準(zhǔn)是否找正，基準(zhǔn)孔位置度情況等。在切斷前安排大端面基準(zhǔn)孔工序，切斷后以打斷基準(zhǔn)孔作為基準(zhǔn)實(shí)施定位，以此來(lái)加工小端基準(zhǔn)孔，應(yīng)用于最終精加工，使位置精度滿足零件精加工定位的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工工藝的優(yōu)化，能夠有效提升加工質(zhì)量，節(jié)約加工成本，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。本文提出科學(xué)規(guī)劃工藝路線、矯正加工工具誤差、優(yōu)化工藝方案及各項(xiàng)工序、科學(xué)改進(jìn)加工工藝的改進(jìn)策略，深入探討切削加工工藝，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工工藝的優(yōu)化提供參考。