高压压气机对开机匣组件的加工效率分析

臧笑宇 刘志超 毕富强 杨琢

摘 要：高压压气机对开机匣是航空发动机的关键零件，由于结构复杂、精度要求高，车铣加工和精密孔加工工艺过程穿插进行，加工成本较高。本文主要从设计工艺性、切削负荷均衡化、使用复合刀具简化加工步骤和通过优化切削参数提高材料去除率并延长刀具寿命方面讨论加工效率的提高。

关键词：加工效率；工艺性；切削负荷；复合刀具；材料去除率；刀具寿命

中图分类号：V23 文献标识码：A

1引言

高压压气机对开机匣是航空发动机上最复杂的零件之一，国际现役机型大多采用不锈钢或钛合金材料，零件两对半间纵向安装边，两半之间用对称分布于纵向安装边上的精密孔及精密螺栓定位连接；零件前后端有安装边，用于与前后级机匣连接，零件内部有流道面和用于安装导向叶片的环形槽，有些机型对开级匣组件在零件后端整合了中介机匣，沿机匣前后方向分布多级可调叶片安装孔，每组孔内部有锪平并在锪平后沿加工出用于容纳可调叶片在一定角度内旋转时保持叶尖间隙的形状，典型的对开级匣结构如图1所示。

在对当前国际上多个较新机型同类件的设计和加工交叉比较过程中找出了国产机型成倍降低航空发动机的同类零件加工成本的改进途径，主要包括如下要点：改进工艺性、优化走刀方式、使用复合刀具、优化切削参数以及依靠机床精度。

2 零件加工过程改进要点介绍

2.1改进工艺性

主要包括如下内容：

（1）前后安装边采用止口定位加一个腰型孔定角向，放弃国内采用过多精密孔严重的过定位。

（2）纵向安装边孔放弃单件分别镗孔导致的过定位问题，采用组合铰并减少精密螺栓的使用数量。

（3）静叶安装孔内的衬套允许选配，分组后孔径公差放开一倍，静叶安装孔深度也采用垫片选配放开公差。

（4）机匣外表面的形状要求按照走刀及残留要求，避免无用的清根。

（5）静叶安装孔的方向或是说沿轴向角度，修改为垂直于轴线。

（6）采用自动设备进行钳修工作，如震动光饰加湿玻璃丸。

2.2将切削负荷均衡化

针对粗铣大余量，优化走刀路线使刀具在更长时间内发挥出实际性能：一，减少拐角降速或在数控程序内添加加减速指令，仅采用软件添加等去除率优化而调解进给率的方法由于过多的非几何学的因素的影响导致效果十分有限，因而这种方法需求人为对程序进行大量的实验和调整，常用于半精加工和精加工。减少拐角降速法是指通过调整加工顺序，将清根程序提前，去余量程序改成沿周边最大切宽状态进行，使拐角处不需要进行大幅度减低进给，应用小主偏角的快进给刀具或大尺寸圆刀片，应用较小切深时，切削力偏向刀具轴向，加工震动问题得以解决，因而可以进一步提高切削速度。二，减少切入和切出和大量应用往复坡走和连续螺旋进刀方法，这样在只能应用较低坡度条件下可以进行更大深度位置的进刀，有些情况还可以代替钻头工作，避免铣刀由于刀具中心位置线速度过低导致的异常损伤；减少切入和切出的过程与减少拐角方式的实现方法类似，常用最大切宽沿周边方法代替沿同一方向或往复加工方法。沿用一方向每行都需要一次切入切出，空走刀过程造成加工时间的浪费，往复加工每次转向相当于一次切入拐角，且顺逆铣交替进行，加工超级耐热合金类材料不适用，沿周边方法除了第一次切入以外，其余过程不需降速，且逆铣的过程仅仅出现在切入过程，试验表明加工效率同刀具耐用度与其它方法相差近一倍。

2.3使用复合刀具进行孔加工合并加工步骤

以对开机匣上常见的静子叶片安装孔加工常用钻、扩、镗、铰和倒角方法，通常需要5把刀具，应用复合刀具使除铰孔外全部使用复合刀具一次完成。减少加工时间一倍以上。

2.3通过加工参数来提高材料去除率和延长刀具寿命

引起合金涂层刀具上硬质耐磨类涂层损伤、异常磨损或失效常见原因包括毛刺、切削刃温度、涂层所承受的拉应力。

切削区域材料塑性变形过大使得待加工表面出现的毛刺会引起刀具沟槽磨损，之后形成其他破损形式，通过调整切削时刀具实际主偏角减少毛刺形成或分散磨损位置可减少沟槽磨损。

切削刃温度与切削参数有关实际上切屑厚度，切屑宽度和冷却时间更直接与切削刃温度相关。切屑厚度和切屑宽度是由进给值、刀具几何形状、切深决定的；冷却时间同切宽有关；涂层所受到的拉应力一方面同切入和切出位置相关，一方面与加工震动有关，逆铣的切出和切宽接近刀具半径的切入是会引起瞬时拉应力，加工震动也也引起交变的拉应力。

在避免上述问题的的状况下讨论材料去除率和刀具寿命才有意义，加工对开机匣由于刀具形状和受力方向因素影响，切削三要素的选择还要根据具体情况，原则上是加大切深，其次加大进给，最后加大线速度。

3 加工较精密特性时误差的降低方法

现代数控加工中心一般定位精度12um，重复定位6um，较高精度的镗床则精度更高，但对于某些尺寸较大，高度较高的零件加工，往往由于其动作行程较大或差补过程计算的舍入等因素导致精度损失，提高加工精度有如下经验：第一，为了减少计算舍入，尽量使零件同工作台回转中心保持同轴；第二，尽量在零件上被加工特性相同高度下建立工件坐标系，因为长期使用的机床几何精度也将影响零件加工结果；第三，对于很多摆动结构主轴的加工中心而言，为了达到更大的整体刚度，采用了一个沿45°方向回转的主轴摆动结构，主轴旋转角度同刀轴斜度为A=arc cos（2cos a -1）关系，会转轴计算更加复杂因而需要将机床工作台回转中心的X、Y、Z、摆动头的摆长、摆长差等参数定期校准。

参考文献

[1]王运巧，梅中义，范玉青.航空薄壁结构件数控加工变形控制研究[J].现代制造工程，2005.

[2]陈本柱.航空发动机冷加工工艺的现状与发展[J].航空工艺技术，1995（02）.