航空机匣数控程序路径优化方法

王明河 赵兴福 　梁传宇

摘要：航空发动机机匣类零件是发动机关键的零部件，传统加工工艺不仅加工工艺难度大、加工成本高，而且加工周期长。针对航空发动机机匣类零件加工难题，应用数控设备进行零件加工，能够有效解决机匣类加工难题。但是在实际加工中，数控程序编制的质量直接影响加工质量。因此，为了能够提高航空发动机机匣类零件的加工质量，下面结合机匣类零件的特点详细分析了数控程序路径的优化策略。

关键词：航空发动机；机匣；零件；数控程序；优化

1.航空发动机机匣类零件的特点

随着我国科学技术的快速发展，目前我国航空发动机制造技术已经成为综合国力和科技水平的重要标志之一，为了不断提高发动机制造技术，近年来发动机的性能和结构也在不断的提高和改进，其中航空发动机机匣结构也越来越先进，也越来越复杂。航空发动机机匣类零件类常用的主要是钛合金、高温合金、不锈钢以及硬质合金、复合材料等，加工难度非常大。航空发动机机匣类零件空间曲面形状复杂，其中机匣零件结构特点为中空外环形面，外环形面一般分布有条数不等的环形凸缘，机匣表面分布有形状各不相同凸台等。由于机匣毛坯是自锻件，加工余量很大，而且零件材料切削难度大，表面质量精度高，要求没有裂纹、铸层等冶金缺陷，所以进一步增加零件的加工难度。在机匣类零件加工的过程中，为了保证尺寸加工精度和零件表面加工质量，同时也进一步为了防止零件加工后变形，所以在数控程序编制中应综合考虑，以提高加工质量。

2.机匣类零件数控程序路径的优化方案分析

某航空发动机机匣零件其最大直径为Φ678mm，零件壁厚1.7mm，其材料为钛合金，毛坯为锻造圆环，其从毛坯加工到机匣成品约需要去除80%以上的加工余量，由于发动机机匣外型面无横向加强筋，所以加工后容易发生变形，通过对机匣加工工序和走刀路径进行优化，使用UG编程软件编制循环程序控制工件变形，以期提高加工质量和效率。

2.1.机匣工序的优化分析

在航空发动机机匣类零件加工中，数控加工工序的选择是影响加工质量的最大的环节，也是提高加工率效的重要的步骤，也是加工耗时最长、技术难度最大的一个环节。一般情况下，机匣加工中大多数金属去除量都是采用数控手段去除。机匣类零件加工方案的确定一般由设计图纸的工艺分析和工序划分组成，零件结构设计应有较好的工艺性，应该注意零件各个加工部位结构是否符合数控加工、便于数控加工，另外还应该注意零件尺寸精度是否符合加工要求，尺寸是否充足或者是否存在封闭尺寸。

2.2.走刀路径的优化分析

通过分析机匣结构及其特点，对工件车削加工和铣削加工走刀的方式进行工艺设计，其走刀路线主要采用刀路相对走刀和区域对称加工走刀方式，以能够控制工件变形。其中铣加工主要采用分区域对称铣削加工，而车加工决定采用相对走刀方式，以消除工件应力，对工件变形起到抑制的作用。

车加工机匣内斜面的走刀路线主要设计了两种方式，一种是传统的，一种是经过优化设计的，对比效果如图1所示。图中顺序号为加工顺序，箭头表示刀具切削方向。图（a）所示为传统加工方式车削图，图中内圆斜面主要采用一把刀具将整个斜面加工完成，所以其在加工的过程中主要采用一个方向的走刀路径，这种方式编程特点是简单，但是在加工过程中一直受到一个方向的切削力，且在每一层切削中都会形成最长的薄壁，所以切削力很容易引起工件的变形。而优化改进后的加工方式主要采用从下到上和从上到下相对走刀的方式进行加工斜面，两个刀路对向加工，切削层深交错叠进，保证每一次切削都处在机匣壁较短、较厚，刚性较好的状态中，这种加工方式能够有效的抵消切削力，减小零件变形。

图1 车斜面走刀路径对比图

一般地，铣削加工传统的铣削方式主要采用周向顺次铣削方式，其主要从0°到360°顺铣削，加工区域顺序及切削走刀路线分布如图2所示，顺次加工区域1、区域2和区域3，而优化后的铣削方式为分区域对称铣削，即将工件外形面根据其几何特征分为不同的区域，在加工的过程中，首先进行加工0°到45°的区域，然后在对称铣削180°到225°的区域，然后接着铣削加工45°到90°和315°到360°的区域。这种优化的区域对称铣削方式可以使零件各向均匀变形，能够更好的控制零件的表面余量和型面精度。

图2 区域切削刀路分布图

2.3.循环程序的应用

在航空发动机机匣零件加工中，传统车削加工的程序编制为轮廓程序，其加工现场主要由工人凭着经验自主进行加工，在加工的过程中，由于不同工人加工切削参数不一致，所以质量不稳定，另外由于人为干预，容易造成在数控加工中补刀错误，进而导致工件报废。为了有效避免上述问题，本例采用UG软件编制循环程序，通过调整加工程序和切削参数等信息，并在程序中自动设置好分层的切屑轨迹，即可不需要进行人工调整，就能够实现自动加工，同时还能够有效减少工人让刀次数，进而达到降低加工风险和提高加工质量的目的。下图为循环程序的UG设置界面。

图3 循环程序UG设置界面

其中调整前后的程序轨迹对比图如下图4所示，其中加工顺序为图中序号所示，而切削方向用箭头表示。由图4所示：传统的车加工方式首先将①的外圆和端面全部的余量加工完成之后，再进行加工②③的止口和斜面的余量，而优化改进后的车加工方式主要采用分层切削的方式进行加工：首先按照图中所示的①到⑧的加工顺序将工件上的端面、外圆以及止口和斜面等表面均匀的加工一层，然后再按照⑨～⑩的顺序加工第二层，整个加工过程都采用相对走刀的方式进行加工，其中粗加工和半精加工主要采用分层切削，同时还保证其加工深度在2mm以下，每一层全部切削完成之后，再开始切削第二层，逐层递进，直到整个工件加工完成。这种加工方式不仅能够将工件内部应力均匀释放，而且还能够有效减少扭曲变形，提高工件加工质量。

图4循环程序调整前后程序轨迹对比图

3.加工结果分析

通过在机匣零件加工中对走刀路径进行优化改进以及运用循环程序，不仅能够有效减少零件加工中人为操作造成的错误，而且实现了自动加工和提高生产效率，另外通过对数控程序路径进行优化，也能够有效控制工件变形，提高加工质量，值得推广应用。

参考文献：

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[3]孙丽丽.数控加工中走刀路线的确定与优化[J].天津职业院校联合学报，2009（05）：120-122.

作者简介：

王明河（1973-），男（汉族），本科学历，哈尔滨市，中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司，主任工艺师/高级工程师，中航工业发动机集团公司二级专家，研究方向：数控加工与仿真应用技术及高速加工技术研究。