高效加工在航空机匣零件制造中的应用

摘要：航空机匣零件的制造质量和加工效率是影响高性能航空发动机研制的重要环节。为突破国外对航空机匣制造技术的封锁，本研究针对航空机匣结构复杂、易产生加工变形、材料难加工等特点，重点研究了装夹方式、刀具选择及快速CAM等关键技术，通过大量实验对特征单元的加工工艺参数进行了优化，制定了高效加工工艺方案，并在某型号航空发动机高压涡轮机匣制造中进行了实例验证，提高了该类零件的生产效率。研究成果对于提高我国高性能航空发动机制造技术水平具有重要意义。

关键词：航空机匣；高效加工；工艺优化

中图分类号：TP321+.21 文献标识码：A

引言

为满足我国国民经济的快速发展的需求，国防、运载及航空等国家核心工业领域对高性能航空发动机的研制投入了大量的人力和物力。航空机匣是航空发动机的关键零部件之一，新型发动机的研制和批产需求对机匣制造质量和加工效率提出了更高的要求。

欧美等发达国家在航空机匣的研制技术一直遥遥领先，并形成了稳定可靠的批产能力，但是该类零部件的制造技术对我国严密封锁，特别是在加工工艺和专用编程软件方面。我国在航空发动机的研制方面采用“引进-吸收”的战略，并取得了一定的成果。从上世纪九十年代起，国内相关单位专门针对某型发动机机匣的五坐标数控加工进行技术攻关，基本解决了整体机匣的五坐标数控加工问题，并开发出了专用五坐标数控加工系统软件。但是，目前我国航空发动机的制造水平与国外差距仍较大，表现出生产周期长、加工质量不稳定、制造成本高等特点，成为影响和制约航空工业发展的最主要因素。

以机匣生产为例，主要问题表现在以下三个方面：

（1）机匣加工效率低。长期以来，我国航空发动机制造技术相对落后，加上国外长期对航空工业先进制造技术的封锁，由于机匣的结构的复杂性及其材料的难加工性，加工效率相对低下，加工周期一直较长，成为航空发动机制造过程中的技术壁垒。以某发动机机匣为例，九十年代初期，虽然使用数控设备制造加工，但由于制造技术落后，机匣制造周期长达三个月以上；近几年由于制造技术的进步，但加工周期仍在十五天左右。在国外同类行业，由于高效加工技术的应用，复杂机匣的加工周期在三至五天，效率相对高出许多。

（2）机匣加工质量难以保证。航空机匣零件大多结构复杂，在其内外型面上具有多样的突变几何特征，如凸台、岛屿、孔探仪座、减重型槽、加强筋、凹槽、孔系等，特征尺寸精度要求高，最小公差在0.005-0.01之间；位置精度要求严格，例如特征体相对机匣中心轴线的位置度要求达0.02。目前由于我们对机匣制造中使用的刀具、工艺、切削参数等因素对加工质量的影响规律不清楚，加工过程中不得不引入较多的人为干预，造成零件质量不稳定，尺寸超差或返工返修较多，影响零件使用性能。

（3）机匣加工成本居高不下。航空机匣零件所用材料多为难加工材料，由于目前我们加工机匣的效率相对较低，加之质量不稳定，从而也造成航空机匣制造成本较高。特别在刀具使用消耗和占用数控设备使用时间上显得尤为突出，如某些复杂机匣的加工，仅刀具费用就高达数万，刀具费用所占制造费用比例高达8%以上，远远超过常规的3-4%比例，使得机匣加工成本居高不下。

因此，必须加快航空机匣零件高效加工工艺应用研究步伐，提高发动机制造工艺水平和生产效率，为我国高水平航空发动机的制造提供技术保障。

1 航空机匣工艺特点分析及方案制定

航空机匣零件主要是用来固定、连接、定位发动机零部件的壳体，按结构设计主要分成环形机匣和箱体机匣两个大类。高压涡轮机匣属于整体环形机匣，如图1所示。

图1 高压涡轮机匣示意图

该类零件的在结构和加工要求方面具有如下特点：

（1）结构复杂。高压涡轮机匣在零件外型面分布有形状各异的岛屿、凸台，在相邻岛屿之间，空间位置较为狭隘，加工时不易进刀。

（2）易产生加工变形。零件为典型的薄壁类零件且壁厚变化剧烈，在加工过程中，由于破坏了材料的应力分布状态，易产生加工变形。

（3）材料难加工。零件材料为镍基高温合金材料，切削时塑性变形大，切削力大，导热性差，切削温度高，加工硬化严重，容易粘刀。

在航空机匣加工工艺路线制定过程中，需充分考虑数控加工工艺的特点，并遵循工序尽量集中和粗/精分开的基本原则，合理安排加工路线，以尽量缩短工艺制造周期，提高机匣的制造质量。所确定的高压涡轮机匣加工工艺路线如图2所示。

2 高效加工关键技术

合理的装夹方式、高性能的刀具及快速CAM技术是影响航空机匣高效加工的关键技术。

2.1 夹具结构设计

航空机匣的装夹方式及夹具结构的设计需保证零件在高效数控加工时，整个加工系统具有足够的加工刚性。如图3所示为某型号高压涡轮机匣的夹具结构实物图。

图3 某型号机匣夹具实物图

该夹具采用定位止口加多瓣浮动涨紧块的结构。浮动涨紧块采用聚胺脂橡胶软支撑结构，与60磅的限力螺杆共同作用，以减小工件加工过程中的变形。由于零件的高度较高，且对零件的上端和下端都需要同时加工，所以将辅助支撑结构设计为上下两层结构，这样可实现对加工部分的有效支撑。辅助支撑部分多采用42CRV材料，表面渗氮，硬度为络氏58-62，不但具有较高的强度和硬度，而且耐腐蚀性好，不容易在切削液中浸泡生锈而破坏夹具精度。夹具中的24个辅助支撑块间隙不超过0.01mm，位置度保持在0.1mm，能够自由无间隙配合，减少摩擦力，这样限力螺杆才能更好的发挥作用，起到加工吸震的作用。

2.2 高性能刀具选择要点

在航空机匣高效数控加工中，刀具的合理选择直接影响着零件的加工质量、效率和成本。在选择刀具时，主要考虑刀具的切削性能、可靠性、精度。

（1）车削刀具选择。为满足零件粗车加工要求，选择顶角为80度的CNMG 或顶角为90度的SNMG 刀片，具备切削强度好、匹配合适的材料和形状、刀具寿命较长等特点。选择陶瓷车刀进行粗车和半精车，甚至可以达到精车的目的，实现高速加工。对于高温合金机匣零件精车要实现的目的是保证尺寸精度、表面粗糙度，需根据工艺过程要求，精加工刀片的选择需满足合适的前角、合理的断屑槽形、较长的使用寿命等要求。

（2）铣削刀具选择。粗加工刀具在满足空间动作的条件下，尽可能选用大直径铣刀，这样可以提高金属去除率，提高加工效率。为降低成本，粗加工尽可能不采用整体硬质合金刀具或精加工刀具。陶瓷刀具和飞碟铣刀是非常好的粗加工刀具，且加工效率是硬质合金的6-10倍。 精加工时避免选用一把刀加工所有的部位，这样的刀具往往直径很小，加工效率非常低，正确的方法是根据不同的部位和不同的区域选用不同的刀。带底刃圆角的刀相比较于球刀加工效率更高。

（3）钻削刀具选择。根据孔径尺寸及精度选择钻削刀具，对于孔径公差大于0.14mm，选用优质的带涂层的钻头；对于孔径公差小于0.10mm，选用钻、铰实现；大尺寸孔径，选用U钻加工效果较好；孔径大于10mm精密孔，选用可换头的铰刀，加工效率非常高。

2.3 快速CAM技术要点

CAM技术及策略决定了机匣的加工质量、加工效率、加工成本。在高压涡轮机匣加工中，主要以高档商用CAM软件为3D建模和编程加工的平台，结合零件的几何形状、刀具种类和切削参数，利用软件的编程功能和实际加工经验，进行编程。

（1）车削加工。粗车编程的目的是以尽可能少的时间去除尽可能多的加工余量，采用CAM软件自动编程生成的循环程序。精车编程主要目的保证零件的尺寸和表面粗糙度的要求，增加刀补选项，中间加上暂停断点，测量并修正刀位轨迹，直到加工出合格产品。

（2）铣削加工。环形机匣零件粗铣编程策略：沿圆周进给或沿轴向向下切线进给；用顺铣方式加工；安排不同种类多种刀具实现精加工余量均匀（单边1-2mm)；粗加工行距>刀具直径的40%；高切深

环形机匣零件精铣编程策略：沿圆周切线进给；合理设置安全距离，减少空行程；用顺铣方式加工，用切线切入，切线切出，改善表面粗糙度；精加工行距取决于零件表面粗糙度；进给

3 特征单元工艺参数优化

3.1 粗铣机匣内花边

铣内花边环带时，粗加工余量共10mm。为了提高效率，选用φ100玉米铣刀进行粗加工，非标刀体，刀片为SPMT100408-R IC928，加工参数为s=230r/min、F=40mm/min。更改粗精加工程序为切线圆弧进刀，减小加工中的机床扭矩。

采用传统的加工方式本工序加工时间为24小时。经过成批量加工试验，提高加工参数，优化数控程序，更改刀具等，本工序加工时间降至4小时。

3.2 铣削机匣大端外型面

选用陶瓷刀具对大端外形面进行高速铣削。在加工外部型腔时，当刀具进到拐角处时，采用摆线切削，可避免切削力突然增大，否则产生的热量会破坏材料的性能。高速切削加工主要采用回路切削，通过不中断切削过程和刀具路径，减少刀具的切入和切出次数，获得稳定、高效、高精度的切削过程。加工编程时对走刀路线的优化（转角处走圆角）对于改善刀具磨损状况、提高刀具寿命作用很大。经过大量的试验，刀具及选择参数如表1和表2所示。

表1 φ50R6.35（3刃）铣中间环带切削参数

刀体：KSSR050RN12CF03

刀片：RNGN120700T01020

表2 φ40R6.35（4刃）铣中间环带切削参数

刀体：KIPR040RP12CF04

刀片：RPGN120400E KY1540

陶瓷刀具粗铣后，岛屿附近较窄区域的余量去除，刀具由φ25R5、φ25R12.5、φ20R2.5、Φ25R0.8、φ16R8整体合金改为刀片铣刀，降低成本，速度显著提高。其优化后的加工工艺参数如表3所示。

表3 合金片铣刀与整体合金的对比分析

3.3 面铣刀精铣环带及曲面非法向矢量编程

为保证零件尺寸和表面要求，精加工中间环带选用Ф50R6面铣刀、铣削岛屿间面改用Ф40R5面铣刀，为了减少接刀误差，采用曲面非法向矢量编程技术，即刀具沿加工方向前倾一个角度来减少接刀误差，以Ф50R6铣刀为例，前倾角为0时（法向加工），加工后的面接刀误差0.2mm左右，前倾角为0.1度时，加工后的面接刀误差0.03mm左右，具体如表4。

表4 前倾角与面偏差的关系表

4 应用实例

以航空发动机的高压涡轮机匣为例，进行高效数控加工。该机匣材料为镍基高温合金，外廓尺寸：直径φ797.9mm、高度287.27mm、最小壁厚2.2mm。

图6 航空发动机的高压涡轮机匣

采用所研究的系列化改进工艺措施，全部铣削加工时间由214小时缩短至55小时，零件的整体加工时间由440多小时缩短至136小时，加工质量稳定，无超差，月交付能力从3台提高到15-20台，刀具成本大幅度降低，加工效率和制造质量达到了国外同类企业相当水平。

结束语

航空机匣制造技术是影响高档航空发动机的制造质量和效率的重要环节。本研究在分析了航空机匣的结构及加工特点之后，制定了高效加工工艺方案，进一步研究了夹具设计、刀具选择、快速CAM等关键技术，对其特征单元的高效加工工艺参数进行了优化。该研究在某型号航空发动机的高压涡轮机匣上进行了实例验证，显著提高了机匣制造效率和质量。但是，与国外同类企业相比，许多技术细节有待继续完善和发展，如在刀具寿命管理、快速CAM模板编程技术、高速切削、先进生产管理等方面。

参考文献

[1]唐荣锡主编.计算机辅助飞机制造[M]．北京：航空工业出版社，1993．

[2]俞涌，张铁昌，张定华.回转类零件表面特征多轴数控加工编程技术研究[J]．西北工业大学学报，1997，15(1):175-180．

[3]何卫平，张定华.复杂曲面边界槽五坐标数控加工的刀位计算[J]．航空学报，1994，15(2):175-180．

[4]赵秀芬，李冬梅，赵明.飞机发动机叶片机匣的高校加工[J]．航空制造技术，2009，13：92-94．

[5]纪双英，王晋，邢军等.国外航空发动机风扇包容机匣研究进展[J]．航空制造技术，2010，14：44-48．

[6]Susan X Li，Robert B Jerard. 5-axis machining of sculptured surfaces with a flat-end cutter [J]．Computer-aided design. 1994，26(3)：165-178．

[7]Jing Cui．Method for processing cartridge receiver part by ceramic cutting tool：CN 101774036 [P]．14-Jul-2010．

[8]I.A. Choudhury，M.A. El-Baradie. Machinability of nickel-based super alloys: a general review[J]．Journal of materials processing technology. 1998，77：278-284．