航空发动机机匣数控加工的关键技术

扈博琴

摘要：在航空发动机当中，机匣作为关键部件而存在。形状结构复杂以及材料加工难度较大是机匣的明显特征，因此其加工质量长期得不到有效提升。在分析机匣的过程当中，我们可从结构特点以及加工制造技术难点着手，在此基础上实现对多轴数控加工工艺方法的进一步构建，这对航空机匣加工质量以及效率问题的改善有重要作用。该类方法在航空那薄壁件零件数控加工中所起到的作用与价值不可替代。

关键词：薄壁件；机匣；工艺参数；数控加工

现阶段机匣数控多轴铣削加工仍然面对相当多的重点与难点问题，其中有加工制造过程当中所涉及到的变形机理、规律以及机匣制造的变形控制方法等。通过对航空发动机机匣数控加工实践与研究后可以发现，机匣的加工工艺方法必须实现对加工效率的保障，在此基础上可实现对控制加工变形以及有效提升生产效率目标的满足。类似薄壁零件数控加工也可对该种方法进行科学使用，这对航空发动机薄壁件数控加工工作的顺利开展有现实意义。

一、发动机机匣种类与结构特点

1.发动机机匣分类

在划分航空发动机机匣的过程当中，可将设计结构、功能与材料等作为主要依据进行。机匣类零件如果按照设计结构可实现对环形机匣以及箱体机匣的获取。进一步细化环形机匣后可以取得整体环形机匣、对开环形机匣和带整流支板的环形机匣。燃烧室机匣、涡轮机匣等可对整体环形机匣进行直观体现。气机匣、中介机匣、扩散机匣等都在带整流支板机匣的涵盖范围之内。按照功能可将机匣分为进气处理机匣、低压压气机机匣、高压压气机机匣、燃烧室机匣等，注意轴承机匣、涡轮机匣、加力燃烧室机匣也在上述范围的涵盖之内，从涡扇发动机角度来说，机匣与涡喷发动机之间存在着较为明显的差异。进气机匣、风扇机匣以及中介机匣是存在于涡扇发动机上的主要机匣。铝合金，钛合金以及高强度钢等是按照材料划分机匣类零件所取得的结果，一般情况下，钛合金材料以及铝合金材料会在风扇机匣与附件机匣中进行使用。高强度钢材料主要是针对压气机机匣进行使用。

2.发动机机匣结构特点

（1）整体式环形机匣结构特点

由机匣壁和前后安装边组成，一般为薄壁的圆锥体或圆柱状，壳体外表面有环形加强筋、环带、凸台；内表面有环形槽、圆柱环带及螺旋槽；圆柱环带上分布有圆周的斜孔；壳体壁上设有径向孔、异形孔及异性槽等。

（2）对开式环形机匣结构特点

该类机匣一般带有纵向安装边，呈圆锥体或圆柱体状，内表面具有环形槽或T型槽及螺旋槽；外表面具有加强筋、支撑台、限位凸台、各种功能凸台和异性凸台；机匣壁上有安装孔、定位孔、通气孔、径向孔和异形孔等。

（3）带整流支板机匣结构特点

该类机匣有铸造结构和焊接结构，一般由外环、内环及空心整流支板组成。内外环壁较厚，设置有径向孔洞；内环端面有螺栓孔洞；外环上有定位孔、连接孔；外表面有安装座和平面等。

（4）箱体机匣结构特点

该类机匣结构外形复杂、壁薄、刚性差，壳体表面具有安装孔、平面、接合面、基准面、定位销孔、螺纹孔、油路孔等。毛坯多为砂型铸造镁合金。从上述结构可以看出，机匣结构复杂，材料多为难加工材料，壁薄、局部结构刚性差，孔系、凸台、槽多，这些特点对机匣后序加工造成了很大困难。发动机机匣加工技术难点机匣加工技术难点一方面体现在机匣材料本身难加工性上，另一方面是发动机机匣结构特点带来的难加工。

二、材料特性造成加工难点

发动机机匣一般选择的是难加工材料，材料方面难度主要体现在：采用不锈钢材料的机匣，切削温度也要高，加工过程容易出现黏附，刀具前刀面容易形成积屑瘤，由于材料塑性和韧性，加工表面会有撕扯现象。采用钛合金材料的机匣，切削加工过程中，切削变形系数接近于l，因此，在刀具前刀面滑动摩擦剧烈，造成刀具磨损严重。

由于材料化学活性大、亲和力强，易于产生表面硬化和黏刀现象。再次，钛合金弹性模量小，零件回弹量大，会加剧刀具后刀面的磨损。采用高温合金的机匣，切削力为一般钢材2～3倍，刀具磨损严重，易于形成扩散磨损和氧化磨损，加工硬化现象严重。由于材料导热系数低，切削热集中在刀尖附近，温度高。切屑由于高韧性，易于形成卷屑，不易清除。采用镁合金材料机匣，加工性相对较好，但细小切屑容易燃烧，另外加工过程氧化严重。

三、发动机机匣加工工艺策略

机匣作为航空发动机的关键部件之一，其制造质量的高低对航空发动机的整体性能有很大影响，而要解决机匣的制造难点，需要的是系统工程技术，它不仅涉及到刀具技术、材料技术、还与编程技术、管理技术等密切关联。本课题组通过多年实践总结，针对机匣的结构特点和工艺难点提出了一套针对机匣加工的优化工艺。

1.面向加工的机匣参数建模

机匣的参数建模需要根据具体机匣结构特征进行。首先需要进行机匣零件的结构特征分析，根据结构形状，结合加工特点及形体特征划分特征单元，并分解成基本的特征系。其次，根据建立的基本特征系之间的关联关系或者约束条件，建立关联表达式和特征分叉树。分析各特征所依赖的基准关系及约束关系，在这些基础上确定形位尺寸加以数值约束，并由此创建机匣的机体特征，在机体特征上进一步创建附加特征。

而其余特征均是基于回转特征创建，可以看做是子特征。面向制造而言，主特征又包含了外形和内形特征系。外形特征系包含有安装边、回转壳体、台阶面等。其中回转特征系最为复杂，包含的结构特征最多。例如，在特征区域下，包含了安装孔特征系、腔槽特征系、凸台特征系等。这些特征系构成了最基本的加工制造单元，内形特征系包含了前安装边、后安装边和回转内腔特征系。前后安装边包含了机匣加工过程中最重要的加工基准特征。

2.机匣工艺路线优化

针对机匣加工过程中变形问题，课题组经过实践与研究总结，对工艺过程从初始毛坯到切削工艺参数进行了优化。毛坯制备时，在保证考虑最大加工误差的情况下能够完成零件加工，同时应与机匣最终加工成形轮廓相近，这样既有利于切削加工，也能够节省材料。一般情况下，毛坯還应尽可能预留装夹位置。在装夹方式与基准选择上一般选用大、小端面及其外圆作为定位基准，夹紧力一般沿着轴向加载在安装边表面或者沿着径向加载在外圆上，这样可有效利用机匣自身结构，避免额外规划工艺凸台。针对机匣的典型结构，课题组以一种具有代表性的某燃烧室机匣为例，进行了机匣的夹具设计。

结语：

航空发动机机匣空间结构在整体上较为复杂，面临难度较大的材料加工工作，尤其是零件表面对加工精度提出相当高的要求。在实际针对机匣加工技术难点进行分析的过程当中，我们可从多轴数控加工角度着手，这对机匣结构特征、数控加工难点等内容的进一步确定有积极作用。注意必须在这一过程当中结合实际制定有针对性的策略，综合工艺方案现阶段已经逐步实现在机匣数控加工中的大面积使用，取得较为良好的效果。

参考文献：

[1]李国明.航空发动机机匣数控加工工艺研究[D].大连理工大学，2012.

[2]杨文彪，张涛.航空发动机机匣数控加工方法探究[J].数字化用户，2017，23（32）.