航空产品机械加工工艺优化方法探讨

王岩岩 周 博

（沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳110850）

1 概述

航空航天业在各国发展战略中均具有重要地位，其联带效应强，能体现国家的综合国力，引领国家科技发展。我国在航空航天领域一直处于领先地位，国家积极推动航空航天事业发展，为建设航空强国而奋斗。航空航天领域面临的一大难题就是航空制造业的加工制造水平无法满足设计要求，目前加工工艺精细度不足，生产效率低，制造成本高，航空发动机使用寿命和航空整体结构件的结构刚性都难以满足设计要求。航空领域需要进一步研发并革新机械加工工艺，提高零部件的精细度，延长使用寿命，使航空产品的质量能够满足使用要求。

2 航空发动机加工工艺优化

2.1 航空发动机加工工艺现状

发动机是航空飞行器的主要零部件，是飞行器完成飞行任务的动力来源，因此发动机制造在航空飞行器制造中具有重要地位。为确保整个加工制作流程顺畅，要求有专门的工艺路线，操作人员应该熟悉加工工序图，在加工工作开始前，准备好相应的工装工具。但在我国航空发动机的实际生产中，由于从最开始就缺少完善的加工工艺规范程序，所以加工工作过程中无法对操作人员、工具工装、加工设备进行标准化规范，导致工艺精度不足甚至会浪费加工材料，生产效率低，制作成本也增加。

发动机机匣的加工是发动机制造的重要环节。发动机机匣常处于极端温度、高压等恶劣的工作环境中，其使用寿命是决定发动机使用寿命的一大因素。机匣材料一般会选取耐受性较强的各类合金材料以延长寿命，同时加工工艺也对机匣的寿命有较大影响。首先是机匣构件表面的平整度。机匣中有许多轴承作为承力构件，在飞行器从对流层升至平流层的过程中发生颠簸，机匣中的构件也发生碰撞和摩擦，如果构件接触面不够平整，就容易发生形变或因构件内部受力不稳定导致内部断裂。其次机械加工过程的高温可能会缩短构件寿命，如用电火花加工法加工锁片槽，受到高温加工的材料更易疲劳老化。

2.2 加工工艺优化方法

（1）规划详细、完善的工艺路线。发动机制造涉及许多构件，每一部分也会涉及多个工序，不同工序的加工方法、时间、设备、成本不同，同一工序也有不同的加工方法。详细、完善的工艺路线会综合考虑以上因素，对工艺步骤进行优化安排，并辅以准确、详细的描述，以精确加工精度，提高质量，合理安排加工时间，缩短生产周期，降低加工成本。比如将精密度要求较高的工序放在靠后的顺序进行加工，是防止后续加工步骤造成结构变化。另外还可以预留材料的加工余量，以便后续调整。

（2）优化加工工具。提高航空产品质量的一大限制就是加工设备本身的局限性，如轴承误差、机床本身使用问题。航空产品相较普通产品，对加工工序的要求更高，也因此对加工工具和相关用品要求更高。可以通过对加工系统进行技术创新，以求获得更精良的零件。如添加硫化添加剂改进金属加工油，采用超硬度复合材料制作切削刀具等。除了技术层面问题需要进行研究革新外，对工具进行详细的归纳管理，建立标准化体系，是投入成本低但短期内能有成效的方法。建立健全标准化体系，能在每个具体的加工项目开始前，根据详细的工艺路线要求，选择最合适的工具，避免因工具不适用而出现的浪费或精度不够的现象。标准化的体系也能更好的规范加工过程，有利于加工制造业的长期规范发展。

（3）工艺规程标准化。由于航空产品的加工过程更为复杂，如果能对工艺方案进行完善，根据完善的工艺路线对工序顺序、时间、人员调配等进行统一规划，将工艺过程标准化，并归纳总结为工艺模板，整个加工工艺过程就有望能达到事半功倍的效果，且制作难度也有所降低。

（4）机匣构件的加工工艺优化。为了保证构件表面平整性，防止加工导致的形状偏差，需要对加工精度进行更好地控制。首先需要对构件进行基准矫正，精度要求高且涉及复杂的加工时最好使用数控机床进行反复矫正，细化基准线。组装要严密，以免发生脱落。如果工件压紧后仍无法达到基准，可以通过塞尺填补。另外，对于产生高温的加工方法，为了减轻温度对材料的老化速度的影响，一方面可以寻找替代方法完成同一工序，另一方面可以通过动态控温，保持安全范围。在钻孔加工中常因碎屑进入空腔导致构件发生误差，影响后续组装、加工，目前的改进方法是石蜡封堵，但由于钻孔加工摩擦生热，时间一长，石蜡就会有熔化导致碎屑进入，还需要进一步进行工艺优化。

3 航空整体结构件加工工艺优化

3.1 航空整体结构件加工工艺现状

航空产品逐渐走向精密可靠、经济环保的发展方向，而要满足用户对性能的要求，必须不断提升所使用的航空材料的性能和制造技术。对于材料的研究相对已经足够满足要求，飞行器的重量不断减轻，结构强度和损伤容限逐渐提高，耐腐蚀耐极端温度等性能都有所提高，大大增长了各零部件和结构的使用寿命。先进的航空材料必然对应着高昂的成本，普通的切削加工精密度差，加工过程产生的热量和应力容易引发结构变形，同时没有完善、高效的成套加工技术，制造周期长。综合来看，制造技术的局限影响了航空产品的产品质量、安全可靠性和经济效益，也影响了进一步的创新研发。

目前，国内在实际生产整体结构件时，仍采用保守的加工参数，为保障加工质量，对效率要求降低，实际上没能真正发挥数控加工设备的用途。另外国家投入制造技术研发不足，国内对切削加工的研究较少，缺少探究优化工艺参数的研究。虽然国内外研究者通过数值仿真技术对加工过程进行模拟，以进行加工过程中的变形研究和机理研究，但有限元模型的简化对整体要求更高的航空工业来说误差过大。需要建立更为精确的物理模型，更为系统全面的对航空整体结构的加工技术进行研究探讨，给出科学可靠的指导。

3.2 切削加工过程的研究与工艺优化

切削加工时，由于系统动态刚性不足，会发生振动。而几种诱因引发的振动中，因内部激发的相互作用而发生的振动（切削颤振现象）是优化切削加工工艺必须解决的一大难题。切削颤振因对制造生产过程产生的诸多不良影响，一直是研究热点。这一现象不仅影响加工质量和精度，还会加速设备磨损，同时由于它对加工质量的影响，需要牺牲加工效率，才能获得足以满足要求的结构件，进一步增加成本。

要降低其影响，可以对加工系统（刀具、机床、夹具、被加工材料等）进行优化升级，但这一过程需要投入大量的时间、物力和人力才能获得成效。因此从优化加工工艺的角度进行优化改进，是性价比最高、难度最低的方法。粗加工工序一般情况下被加工稳定性、机床和刀具使用寿命所束缚，为实现高效加工，需要有较高的材料去除率。而精加工则是受质量、精度要求限制，力求获得更高的加工效率。近年来对加工技术的突破，就是提出了高效切削加工技术。该技术通过对动力学模型的研究，能在满足精度要求的基础上，实现当前机械加工系统约束下最大的生产效益，成本和质量兼顾，大大提高了生产率。

4 结论

航空制造业不断追求提高航空产品质量和加工效率、降低生产成本，我国航空制造水平与国外仍相差较大，航空产品的质量不能满足设计要求，整体效率较低，制约了航空工业的发展。通过优化加工系统、建立工艺规范、研发新技术等对航空产品机械加工工艺进行优化，能提高我国航空制造水平，促进我国航空航天技术的发展，在国际竞争中获得优势。