航空发动机典型产品燃烧室机匣加工工艺分析和技术应用

张卫青

摘 要：本文从某型航空发动机燃烧室机匣的工艺特点出发，结合企业能力现状，对燃烧室机匣的加工工艺进行分析，并在应用过程中结合数控加工装备、三维CAD/CAM软件应用技术进行试验，取得一定的经验和效果。分享此类型薄壁燃烧室机匣的开发研制过程中可供借鉴的工艺方法和应用技术。

一、前言

航空发动机机匣是发动机中的壳体、框架类静子部件，是发动机的重要承力部件。主要作用是承载发动机零组件重量、承受轴向和径向力，构成气流通道，包容气流、发动机转子，防止转子叶片断裂飞出，起到连接、支承、包容等作用。本文论述的燃烧室机匣是某型航空发动机热端的重要功能部件，属于典型的的薄壁环形件（见图一），其大端直径约Φ600mm、小端直径约Φ420mm、总高度约290mm、壁厚4.5mm。工件材料选用13Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢，硬度HB311～388，热导率与镍基高温合金接近，切削加工时蓄热、应力集中使得塑性变形大，难以加工。

该型号发动机属急需升级换代产品，已经获得国家正式立项和充分的资金支持，前期试制/小批产品性能已经获得用户方的充分肯定，需求极为迫切。此次为小批转大批生产前的改进试验项目，目的是充分验证该类型产品为满足大批量生产所需的工艺调整和技术应用，打通批产的瓶颈，为向用户迅速提供高质量、高性能产品奠定技术基础。

二、工艺性分析

燃烧室机匣壳体薄壁，零件刚性弱，加工过程中易产生振动，加工中易产生变形。设计基准的形状公差小，主要表面之间相互位置要求的项目多，且位置公差小。要同时保证这些高精度要求，加工难度很大，完整的工艺分析主要内容需紧扣如下圖表所示，本文篇幅有限主要围绕机加工艺展开。

1、工艺方案确定：

前后安装边和筒体内壁壁采用车削加工，机匣的半精车和精车采用数控车削工艺。

安装边上的精密定位孔位置精度要求高，需要采用坐标镗孔加工工艺。

机匣外壁的安装座轮廓型面和安装边上的沉头孔选用数控钻、铰孔和数控铣加工工艺。

2、前期试制总结

该工件在前期的试制、小批生产中，分别尝试了整体锻件式结构和钣金焊接式结构，目的在于试验产品性能、计算加工周期和设备资源占用率，以及批量化生产的各项成本。总结两种结构的加工工艺和优缺点：

2.1、整体锻件式结构的加工工艺，锻件毛坯重量约400kg，工件最终重量约24kg，材料金属去除率～94%；锻件毛坯最大厚度≥180mm，在毛坯阶段淬火工艺成本较大，故选择在粗加工结束后安排热处理达到硬度指标并去除加工内应力；加工全程采用数控立式车床和多轴卧式镗铣加工中心，配合使用陶瓷和硬质合金刀具：粗加工阶段采用晶须陶瓷车刀片，快速去除大余量后，随即进行热处理（1000～1020℃油淬+540～560℃回火），精加工采用Φ12R3牛鼻刀铣削+Φ6球刀精修表面。

优点主要有：工件表面粗糙度和完整性好、尺寸精度高，各项机械性能全部达标；设计基准/加工基准/检测基准一致，所用加工程序在vericut仿真环境下进行模拟，工件一次性完成加工并交付；与上级组件适装性好，试车结果好。

缺点主要有：金属利用率低，～94%的金属去除率，材料成本高；加工成本高，机床成本约12万元/工件、刀具成本约8000元/工件；CAM编程难度相对较大；机床占用率高，实际加工时间共计：数控立式车床160小时、镗铣加工中心200小时，按照机床6000小时/年（工作日250日/年、24小时/日）使用率计算，1台车床年加工能力约38件、1台镗铣加工中心年加工能力约30件，需要3～4台套车床+镗铣加工中心才能满足批产需求。粗略计算单件生产成本超过20万元（不含人工成本）。

2.2、钣金焊接式结构的加工工艺，锻件毛坯重量约200kg+板料毛坯重量约8kg，工件最终重量约24kg，金属去除率～88%；选择在组合焊接结束后安排热处理（680～700℃回火）去除焊接应力；加工过程中钣金筒体和7种安装座等子零件采用多台普通设备加工、组合件精加工采用数控立式车床和多轴卧式镗铣加工中心，配合使用硬质合金刀具。

优点主要有：成本优势明显，单件生产成本不到10万元（不含人工成本）；子零件采用多台设备协作生产、组件装配焊接，精加工阶段高级数控机床占用率得以明显控制，实际加工时间共计：数控立式车床60小时、镗铣加工中心20小时，按照机床6000小时/年（工作日250日/年、24小时/日）使用率计算，1台车床年加工能力约100件、1台镗铣加工中心年加工能力约300件；刀具成本约1200元/工件。

缺点主要有：工件表面粗糙度和完整性不如机加工艺、尺寸精度相对较差、设计基准/加工基准/检测基准存在尺寸链换算；焊接工艺要求高，马氏体型热强不锈钢的焊接性能较差，极易产生微裂纹、连续性气孔/夹渣等缺陷，且焊接后必须在12小时内进行热处理以消除应力对焊缝缺陷的放大作用；人工钳修、校型工作量较大；由于变形等原因，与上级组件须配装，试车结果不如整体锻件。

综合以上两种结构的优缺点，经过与设计单位的密切沟通和协作。明确该型号航空发动机以性能为目标，成本因素为辅。确定选择整体锻件式结构作为主方向，在保证质量的前提下尽可能的提高加工效率、缩短生产周期。

三、数控加工装备的选择

现代智能化数控机床通过智能传感器采集加工过程中产生的振动、运动部件热变形等与加工相关的数据信息，并通过设定参数集与程序去补偿和优化机床动态加工性能，以提高加工精度、表面质量和加工效率。目前，公司内很多机床在数控系统中集成了OMATIVE、机内对刀仪等自适应控制系统软硬件，可通过机床主轴监控及刀具监控（破损检测、磨损检测等）实现刀具、机床的过载保护，而且可通过加工过程中采集的数据进行实时切削进给速度调控，从而实现负载稳定的高效加工。

本产品选定使用加装了OMATIVE、机内对刀仪等自适应控制系统软硬件的国产四轴卧式镗铣加工中心为精加工阶段主要关键设备。在实践当中顺利实现自动换刀、自适应补偿和24小时无人值守加工。实际加工周期有所缩减，实现在现有基础上减少10～15%的目标，并且仍有改进的空间。

四、数控加工刀具技术的应用

刀具技术是数控加工的关键技术之一，也是限制难加工材料加工效率的一个技术瓶颈。随着刀具技术的进步，刀具材料和刀具结构不断改进，刀具种类越来越多，如何合理选择刀具及切削参数是提高数控加工效率的核心所在。高速加工技术中，超硬材料刀具是实现高速加工的前提和先决条件，具备高速铣削加工能力的加工中心则是实现高速加工的关键设备。目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1000m/min以上。针对本产品使用的13Cr11Ni2W2MoV马氏体型热强不锈钢材料，经查询《中国航空材料手册》可知，“13Cr11Ni2W2MoV（旧国标牌号：1Cr11Ni2W2MoV）是马氏体型热强不锈钢，其室温拉伸强度、持久强度极限及蠕变极限均较高，并有良好的韧性和抗氧化性能，在淡水和湿空气中有较好的耐蚀性。…淬硬性和淬透性较好，厚度在200mm以下的零件易于淬透。…适用于制造在550℃以下及高湿条件下工作的承力件。” 以上内容为该材料在公开发行资料、档案中的理论性能基本概述。

由于该材料的切削加工性较差（其相对切削性mc在0.20一0.22之间），加工过程中冷却硬化严重，高温强度高，刀具磨损剧烈；粘刀现象较突出，容易产生积屑瘤，加工表面粗糙度增大；切屑不易卷曲和折断，排屑不利，易挤伤已加工表面或崩刀；导热系数小，导热性差，切削热不能及时传出，刀具容易产生过热现象，失去切削性能；线膨胀系数较大，在切削热作用下，容易产生热变形。采用传统加工方式时切削线速度一般不超过30m/min，粗加工金属切除率一般不超过40cm3/min，精加工金属切除率不超过10cm3/min。受限于现有条件，粗加工采用了可转位玉米铣刀大切深、小进给的强力切削；精加工采用PVD涂层硬质合金刀具进行小切宽、小切深的中等进给速度铣削，使精加工时间相比缩短20%以上。

五、工装技术的发展

目前，不锈钢、高温合金、钛合金等材料难加工、薄壁类零组件主要采用柔性材料减震、压板压紧。而部分先进企业已大量使用带气动、液压及控制系统的自动夹具，通过采用数控多点自动调节、真空吸附或机械夹头的柔性夹具，可实现对不同形状的各种复杂结构工件在机床上的柔性、快速定位和装夹，已成为数控工装设计制造的发展方向，是提高数控加工效率的另一关键技术。这项技術在加工薄壁结构件、大型复材结构件及蒙皮类零件时的优势尤为明显。综合质量、效率和成本等因素。

六、工艺设计、三维CAM编程及仿真技术

工艺编程人员充分利用现有各种工艺资源进行零件工艺及数控程序编制的全过程即为数控工艺设计，它直接影响零件生产计划及现场加工的质量，是整个数控生产重要的环节。航空制造业所面临的通常都是多品种、小批量的生产任务，新机研制任务繁重，数控工艺设计已成为制约数控生产新的“瓶颈”。目前航空制造企业普遍使用UG NX或CATIA进行三维CAM编程；在车间数字化协同平台下，实现在工艺设计过程中机床系统信息（如精度设置、高级指令、刀具寿命管理等）集成，在CNC端实现在线仿真和工件的在线检测，并将信息反馈回CAM系统。该项目的实施不仅促成工艺设计与实际加工信息的集成，同时也将大幅提升NC程序编制的效率和质量。本处采用UG NX进行三维CAM编程，

数控加工过程的仿真是虚拟制造技术的核心技术之一，主要分为几何仿真和物理仿真。几何仿真的作用主要是检查数控程序刀具轨迹的正确性和几何干涉碰撞问题。物理仿真则是对加工过程中可能出现的各类型物理现象的总结归纳，实现更精确的仿真进而获得突破。

综上所述，本文从某型航空发动机燃烧室机匣的工艺特点出发，结合企业能力现状，对燃烧室机匣的加工工艺进行分析，并在应用过程中结合数控加工装备、三维CAD/CAM软件应用技术进行试验，取得一定的经验和效果。分享此类型薄壁燃烧室机匣的开发研制过程中可供借鉴的工艺方法和应用技术。