航空发动机机匣数控加工工艺探究

黄帅

摘要：航空发动机匣零件在发动机中有着不可替代作用。这种零件使用的制作材料比较特殊，该零件的制造精度对航空发动机整体的协调性和实际应用效果有着直接影响。机匣零件的外壁比较薄，加工的难度比较大，而且加工工艺较为复杂，如果使用传统的零件加工方式则无法满足机匣零件的加工需求。目前我国薄壁零件的加工经验比较少，那么实际加工的过程中一定要合理应用数控加工工艺，避免由于操作不规范而导致航空发动机机匣出现变形或者损坏的现象。

关键词：航空发动机机匣；数控加工；加工工艺

机匣零件在制作的过程中主要应用的是复合材料，这类材料在加工方面比较困难，而且零件对结构的设计较为严格，这就为以往使用的加工方法增加了一定的难度。数控加工技术是一种自动化加工技术，这项加工技术在应用的过程中工作效率比较高，其主要是由数字控制装置控制的，可以用于对加工精度有很高要求、加工难度比较大的零件加工，也可用于机匣类薄壁零件的加工中，加工质量有所保障。

一、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；内环端面有螺栓孔；外环上有定位孔、连接孔；外表面有安装座和平面等。

二、机匣结构造成加工难点

机匣结构复杂，腔槽周围分布很多特征岛屿、凸台、孔系、槽、筋等特征，壁薄并且变化剧烈，也造成了加工工艺上的难度。沿着轴向与燃烧室连接的机匣后端部位，除了法兰结构上具有复杂孔系外，沿着机匣加强筋部位周边还分布着放气孔，该类孔一般与发动机轴线成一定角度，这些特殊结构的异型孔加工难度很大。在加工工艺上，除了结构复杂工艺难度大外，部分机匣采用的对开结构，若在加工过程中采用分散与组合加工相结合，会由此造成二次定位，影响加工一致性。加工过程引起的变形问题也是机匣加工的另一个难点，按照常规工艺过程加工，总会出现沿着机匣腔槽边缘由外向内误差越来越大现象。而变形误差会引起后期发动机叶片工作的颤振，直接影响到整机的性能和使用寿命。

三、航空发动机机匣的数控加工工艺

想要对机匣零件的加工工艺进行控制，那么需要对使用的加工工具、加工材料和加工方案等进行全面的控制和管理，确定每一项工艺的合理应用这样才能从整体上提高机匣的质量，保证航空发动机的应用效果。在使用数控加工技术进行机匣加工的过程中，一定要掌握机匣零件的加工特点，从零件的实际应用需求出发，选择合理的零件加工技术。

1、进行机匣数控加工参数建模

参数建模是数控加工工艺中的重要组成部分，在建模之前首先要对机匣进行全面的分析和了解，掌握好机匣零件的主要结构特征，结合不同的特征对机匣结构进行分类，将应用特征较为相似的分到一类中。分类完成后要了解不同类别之间的联系，并将不同结构特征之间的联系在图纸上表达出来。再对其进行进一步的分析，确定不同特征之间的准基关系，然后用参数的形式表达出来，用数值将结构中各个特征之间的关系表达出来，建立一个完整机匣特征参数模型。

2、进行机匣数控加工工艺路线优化

在进行零件加工的過程中会受到许多因素的影响，那么零件容易出现变形的现象。在进行机的数控加工时，毛坯加工过程中一定提前确定好每个环节中的加工工艺，并掌握好零件的各项参数，在加工时对每一项操作进行合理的控制，才能保证机匣零件的加工质量。另外，在加工之前还需要提前制定好加工方案，减少误差的产生。

第一，控制夹具的安装，一般在毛坯数控加工中会预留一部分的位置作为夹具安装部分。第二，进行毛坯的粗加工，在此过程中其主要是为了去除毛坯上大部分的余料，只要按照机匣的大致形状进行切削就可完成，对加工精度要求不高。第三，进行余料的半精加工，去除热处理产生的变形，完成各次要表面的最后加工，给精加工奠定基础。第四，精加工阶段，完成全部表面最终加工，并保证机匣的全部技术要求，特别是对主要表面的要求。在工艺制定时要兼顾加工精度与效率，合理分配加工余量。第五，要使用内外加工对称的切削方式来对加工余量进行均匀的加工，要结合实际的加工进度和切削工具的加工速度来控制好整体的加工顺序，确保这项工序完成后，零件的内外加工质量可以达到相关标准。

3、机匣数控刀位轨迹优化

首先，刀位轨迹在规划时，始终遵循在能够保证后续铣削加工应有余量的前提条件下，对于机匣回转面和凸台四周，尽可能多地在粗加工阶段去除余量，从而缩短加工工时，提高加工效率。例如，针对燃烧室机匣这类多岛屿复杂结构件可采用行切与环切相结合的方式进行插铣加工。为最大限度地去除毛坯，对凸台外围的区域采用等高行切法可改善插铣加工时因插铣深度不同引起的刀具磨损加剧问题，提高加工效率，降低加工成本；然后在内岛屿周围以凸台平面法向为刀轴矢量绕凸台插铣走刀。

其次，构建快速铣削刀轨导入机匣特征造型，作为加工程序的控制曲线，将机匣选为检查面，在保证无干涉的情况下，生成了余量去除最多、效率最高的快速铣削开槽加工程序，并在凸台部位进行了清根加工。针对机匣凸台四周精铣及清根加工凸台周围的外圆面在机匣外形精铣中已铣削到位部分，只留凸台侧面余量2mm，采用和凸台定面法线同方向的固定刀轴方式，进行连续两刀的环切加工。为保证切入切出的平稳性，所有凸台精铣均采用圆弧进退刀方式进行加工。

最后，对于与凸台无依附关系的加强筋圆角及相邻轮毂面片之间的过渡圆角通常采用四轴联动加工。对于发生干涉的区域，通过使用机匣表面刀具半径偏置面对刀位轨迹进行裁剪，保留非干涉轨迹，生成回转面铣削加工程序。

结语：

根据上文分析可以看出，由于航空发动机机匣其整体精密度较高，其曲面形状对加工工艺的要求更高，在数控加工中对材料的切削、加工角度、行进路线等都需要进行准确的掌控。在以上分析中从多个角度探究了在机匣数控加工工艺中存在的难点、要点，并结合现今数控加工技术发展情况及机匣加工要求提出了优化数控加工工艺的方法，对于文中所提供的措施经实验证明其在加工中具备较好的应用效果，具体还需根据机匣加工的实际情况进行调整，以此来保证数控加工工艺应用的高效性。

参考文献：

[1]任军学，田卫军，姚倡锋，等.航空发动机机匣数控加工关键技术研究[J].航空制造技术，2016，59（5）：73-77.

[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）.