对机匣零件加工工艺的研究

郭永明 曹津铭 谢振武

摘 要：近年来航空发动机的性能及设计结构在不断改进和提高。发动机机匣零件的材料、结构也发生了很大的变化，特别是具有复杂外型面的整体结构机匣，其外型面的成形加工是普通机械加工工艺所不能实现的，文章将对航空发动机机匣加工的几种工艺进行研究，并结合现代数控加工技术，通过对典型结构机匣外型面大量的基础试验研究，在保证工艺要求基础上，满足了生产高效益的需求。

关键词：机匣零件；加工工艺；研究

引言：近年来我国的航空制造行业在航空发动机的设计研发、性能研发以及结构设计上在进行不断的创新和发展。在我国航空制造加工行业中已经在应用多种形式和规格的难以加工和制造的材料进行航空发动机的生产和制造。除少数零件用钛合金外，其余零件多采用高温合金，不仅材料强度高、硬度高，韧性和延伸率大，而且导热性能极差，这样的问题就会导致航空制造行业的航空发动机的加工难度越来越大，在加工过程中出现的加工变形以及加工低效率问题已经严重的制约了我国航空发动机机匣的生产制造和加工，因此对航空机匣的加工技术的研究势在必行。

一、高效加工工艺分析

在航空发动机薄壁机匣加工的过程中，使用较为高效的切削加工技术进行加工最主要的在于保障薄壁机匣切削过程的高效率以及高稳定性。但是伴随着我国航空发动机机匣零件越来越薄的壁厚，以及越来越脆弱的零件加工刚性，这样就给我国航空发动机薄壁机匣的加工带来了非常大的变形风险，导致了在加工的过程中切削过程容易出现震颤的状况，严重的影响了加工零件的加工效率以及加工质量。高效切削加工技术在应用的过程中的主要思路就是要有效的利用没有加工的零件位置进行相应的固定作用，作为切削加工的支撑，这样能够有效的保障切削加工的全过程处在一种刚性较强的情况。针对航空发动机的薄壁机匣侧壁的加工，我们应该将切削加工具体参数控制在一定的加工参数范围之内，我们在切削加工的过程中要使用分层切削加工，首先要在进行切深加工的过程中使用大径向，其次要在进行切深的过程中使用小轴向。这样的分层切削加工技术能够最大限度的利用被加工零件的刚性和强度。在薄壁机匣型腔较深的切削加工过程中，我们要合理的利用长径比较大的加工刀具进行切削加工，这样能够较为有效的处理加工过程中出现的加工难题，能够最大限度的规避加工过程中侧壁同刀具的干涉情况。需要注意的是我们在切削加工的过程中还可以针对特殊的加工零件设计和采用特殊形状的切削铣刀，这样能够最大限度的降低切削加工刀具在加工过程中导致的零件加工变形问题。

二、机匣加工过程中的切削加工刀具加工轨迹的优化。

1.机匣切割运行轨迹优化方案

在薄壁机匣的切削加工过程中，切削刀具的运行轨迹非常的重要，我们要保障在切削加工的过程中有效的规避切削加工刀具不接触到切削的变形位置。在切削加工的粗加工过程中要进行分层铣削，这样能够有效的均匀释放加工应力；在切削加工的过程中应用往复形式的斜下刀能够有效的降低切削刀具对于加工零件的垂直方向的加挤压力；在切削加工的过程中要有效的确保刀具处于良好的切削状态，磨损要及时更换。当然，刀具轨迹优化主要是在切削走刀加工路径等问题上进行详细的优化，同时在优化的过程中还要针对加工过程中的实际情况进行加工零件的变形有效控制。

2.圆角切削加工过程中的刀具优化路线具体方案

在我国航空制造行业中，航空发动机的薄壁机匣具有较差的刚性，如果在加工的过程中没有适当的进刀方式，将会引起零件的变形。切削速度、加工深度等加工参数大，将产生较大的切削力，导致零件变形。因此，在切削加工的过程中，由于切削力的突然改变会造成加工刀具以及加工零件的变形量提升，会造成加工零件的加工尺寸加大误差。切削加工的过程中切削振动会造成薄壁机匣的圆角出现加工振纹，严重的影响了零件的加工质量以及加工精度。在切削加工的过程中，优化圆角的切削刀具走刀路线，我们要有效的保障切削刀具的恒定加工切入角，或者提升刀具的加工路徑，尽量的减少加工零件圆角处的加工径向切深，这样能够最大限度的降低有切削加工力突然变化导致的圆角加工质量问题。零件圆角处的刀具优化路径方案，能够

有效的保障切削加工的稳定性，最大限度的减少零件的加工变形以及切削加工振动等问题，有效的提升零件的加工表面精度以及质量。

三、主要零件制造难点分析和加工工艺

1.导向器机匣主要难点分析和加工工艺

导向器机匣结构形式为薄壁环型机匣 ，其主要加工工艺和难点是机匣上叶型孔薄壁处的数控车加工和叶型孔的切割加工。加工时零件易椭圆变形 ，薄壁处出现弧形变形 ，加工表面振纹大，表面粗糙。通过合理安排粗精加工余量和走刀路线，加工叶型孔处的薄壁是—个带有转折的空间曲面，并且壁厚不均匀，用常规的加工方法难以加工，多方求证后，采用了激光切割的工艺方法进行加工。通过分别为导向器机匣和导向器内环定制检测专用的叶型孔通止规，克服导向叶片一致性较差的问题 ，利于导向器机匣和导向器内环上叶型孔进行加工和检测。

2.导向器内环主要难点分析和加工工艺

导向器内环属于薄壁环类零件 ，其主要加工难点是薄壁处的数控车成形加工。加工表面容易产生振纹 ，表面粗糙度差。如果粗精车加工余量和走刀方式安排不当，容易使薄壁端面发生倾斜变形。通过合理安排粗精加工余量和走刀路线，多次对数控程序进行更改和调整，取得了稳定良好的加工效果。

3.喷涂和涡轮分瓣外环难点分析和装配工艺

组件的喷涂工序安排在涡轮分瓣外环的装配工序之前进行，避免在喷涂过程中对涡轮分瓣外环的石墨涂层造成不利影响。在喷涂过程中出现的主要问题是组件在装夹和受热条件下，仍会发生变形，导致加工基准的椭圆变形，对后续加工中保证各涂层对基准的跳动要求造成影响。通过与喷涂承制单位的分析和研究 ，先后改进了喷涂以及喷涂后加工的工装，调整了喷涂加工的参数，两次调整了余量分配，使发生基准变形的情况和产生的变形量减少，最终在精加工后涂层对基准的跳动达到较好效果。

4.焊接后机加难点分析和主要工艺

在机匣焊接为整体后，需机加去除各零件所留余量，加工至最终尺寸，为喷涂做好准备。这部分工艺内容的难点主要是组件加工后容易发生椭圆变形，以及保证机匣和内环轴向尺寸关系并同时保证单件尺寸要求。由于涡轮机匣组件是—个较为复杂的高温合金薄壁焊接件，在经过多种焊接工艺后，薄壁处存在较大应力，材料机加工艺性能不好，在加工中产生的抗力较大，组件加工时易产生受力变形。对最终各处跳动量影响较大。在研制过程中，针对组件加工后容易椭圆变形的问题，需要逐步对各工序加工受力变形情况进行了摸索，通过分析以往超差项目，综合各种情况后，对工艺流程进行适当优化调整，并进一步对各工序装夹系统及加工参数进行了有效的改进。

结语：航空发动机热端部件材料均属于难加工材料，在机匣单组件的研制过程中，在零件单组件的机加工艺、组件的装配和焊接工艺、热喷涂涂层及其加工工艺等方面积累了宝贵经验，也为其他类似热端部件的制造工艺提供了借鉴，但为了使制造工艺成熟稳定并推广应用，仍有一些难点需要开展深入研究，主要包括薄壁件机加变形控制、难加工材料机加参数探索、焊接前后尺寸精度保证等。

参考文献：

[1]吴莉萍.航空发动机机匣零件快速建模导航工具研究[D].西北工业大学，2004.

[2]张正义.面向三维复杂零件工艺优化关键技术的研究[D].华中科技大学，2008.

[3]林江.机械制造基础[M].北京：机械工业出版社，2014.

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