航空发动机复杂结构零件加工技术探索

■中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 （辽宁 110043） 杨金发 韩德印 陈洋洋 王 菁

航空发动机（见图1）材料与制造技术向着高温化、轻量化、复合化、整体化和高效率、低成本的方向发展。航空发动机复杂结构零件如机匣、整体叶盘等制造技术水平不断提升。制造技术从先进制造已开始发展到高端制造。航空复杂结构件加工技术涉及数控机床、先进刀具、高效编程、数控加工仿真和切削工艺与参数优化等多个方面。

1.加工复杂结构零件的机床工具特征

刀具在解决航空难加工材料复杂结构零件的加工中起着至关重要的作用。先进的航空产品要求航空零件具有更优异的性能、更低的成本和更高的环保性。加工工艺要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重复精度和可再现性。航空钛合金、高温合金零件难切削的工件材料、复杂而薄壁的形状、高精度的尺寸和表面粗糙度要求及大的金属去除量等特点，对刀具质量一致性提出了更高的要求。现代高效精准加工要求刀具具有高精度、高耐磨性、高抗冲击性和高可靠性的特点，即具有高性能刀具的全部特征。高质量的刀具方案明显标志是刀具结构形式、刀具材料与被加工零件的材料、结构相适应。

国外各著名数控机床制造商不遗余力的开发高性能数控机床，进一步针对高动态响应、高精度和高刚性等展开研发。高刚性以及高承载性能的线性导轨确保了全行程内光滑连续地移动，获得了工件的高几何精度和表面质量，也保证了高加工效率。机床的高刚性减小了加工系统的振动，延长了刀具使用寿命。

高性能刀具（见图2）涉及刀具材料、刀具涂层技术、刀具结构设计与优化、刀具配套技术及刀具的应用等很多方面。刀具结构的创新体现在刀具结构的优化、切削负荷的合理分布、断屑槽型以及各种新型可转位刀片结构。零件的精准加工对刀具的装夹提出了新的要求，它要求装夹精度高、径向圆跳动小、夹持刚性好、结构紧凑且操作简单等。

图1 国外航空发动机

图2 模块化刀具

2.航空发动机典型复杂结构零件的加工

航空发动机大量采用钛合金、高温合金等难加工材料及复合材料，可加工性极差。机匣、整体叶盘等零件结构复杂，容易产生加工变形，尺寸精度以及技术条件要求难以保证。

（1）机匣加工技术。加工变形控制：机匣为弱刚性零件，毛坯质量、工艺路线、加工余量的划分、零件装夹定位方式、定位间隙和压紧力、刀具走刀路径、切削参数、机床刚性和精度等都是机匣加工变形的影响因素，机匣加工变形的控制是一项系统工程。

控制加工变形采取的措施：①选择正确的定位装夹方法。机匣从粗加工到精加工涉及到车削、铣削和钻孔等加工。对于去除余量和去除变形量的工序，应该在机匣真实状态下定位和装夹，避免零件在定位和装夹后产生弹性变形。夹具的径向定位基准不宜采用整环定位基准，径向基准应有一定的间隙，保证机匣件的工艺基准面能自由安装。②使用具有径向可调辅助支撑的夹具。辅助支撑可以采用液压可调式或者机械可调式。在调整径向辅助支撑时，应使支撑点与机匣刚好接触，起到支撑作用即可减少机匣产生弹性变形。③合理规划切削走刀路线。零件切削过程中走刀路线不同时，工件残余应力释放产生的后果不一样，同时切削产生的应力大小和状态也不尽相同。科学合理的安排机匣的切削走刀路线能够减小机匣加工后的变形量。应该分层、交替和对称去除加工余量，采用相对或相背的走刀路线。

在铣削时产出振动的原因主要有：刀具夹紧不牢固、零件夹紧不牢固及刀具悬伸大等。铣削时改进措施：通过减少径向和轴向切削深度来减小切削力；选择具有疏齿距和正前角结构的铣刀来尽量提高夹紧力；避免加工时逆着切削力来支撑零件。通过减小轴向切深，使用具有小的刀尖圆角半径以及锋利切削刃的正前角刀片来降低轴向切削力。尽量减小刀具悬伸，使用疏齿距和不同齿距的铣削刀具。

相对于一般数控加工模式，无干预数控加工的理想状态是指在零件的加工过程中，无人控制、无人换刀和无人测量，是数控机床高智能化加工的完美体现。

对于复杂结构零件，粗加工时必须全程序无干预；精加工时受尺寸精度高、加工变形等因素影响，直接加工存在质量风险，允许进行过程测量，采取补偿加工方式（无须单独加工），合理调整进退刀位置，使刀片更换或尺寸测量更方便。

（2）整体叶盘加工技术。整体叶盘零件夹具一般采用专用夹具，可以使叶盘安装稳定，提高叶盘加工时整个加工系统的刚度。根据整体叶盘的结构和加工特点要求夹具具有以下几种特性：定位准确性、装夹稳定性、夹紧均匀性和加工开敞性，使夹具既能保证零件的定位精度和加工精度，也能满足提高生产率和精准加工的要求。

车削整体叶盘的夹具结构通常选用叶盘的盘心孔做径向定位基准，选用叶盘的轮毂和叶片的台阶面轴向定位、轴向压紧盘心孔上的环型槽端面和盘体与叶片联接处的端面，夹具与机床花盘联接。

整体叶盘叶型的加工是典型的五轴数控铣加工。相邻叶片间气流通道狭窄，叶片之间的表面在加工中容易产生干涉，对刀具走刀路径有极高的要求。因容易产生干涉，所以在实际加工之前采取仿真的方法检验加工程序的准确性是很有必要的。

整体叶盘加工仿真步骤：①在VERICUT环境下，调用已构建好的五轴加工中心（见图3）模型。调用机床文件、CNC控制文件和刀具库文件。②将整体叶盘的毛坯STL模型文件引入部件树，设置工件坐标系。③调入NC程序，并定义刀具列表。④检查数控程序的正确性。设置碰撞、超程和干涉等识别颜色，对机床、刀具以及夹具之间的干涉情况进行检验。⑤叶轮仿真结果分析，检查零件有无欠切、过切情况，确认程序可否使用。

图3 五轴加工中心

3.结语

航空发动机复杂结构零件的加工依赖于工艺方法的创新。其制造水平直接决定了航空发动机的性能。我们必须建立在可靠的研制基础之上，促进航空制造技术的不断提升。