航空发动机铝镁机匣高效复合加工技术应用

2022-10-27邓元山胡志星冷红标朱朝霞

金属加工(冷加工) 2022年10期

邓元山，胡志星，冷红标，朱朝霞

中国航发南方工业有限公司湖南株洲 412002

1 序言

铝镁机匣是航空发动机重要部件，主要承接发动机动力输出机构、滑油润滑系统及外挂发动机部件[1]，其外形尺寸大，结构复杂，内铸油路多，尺寸精度高。由于结构的特殊性，故其加工工艺复杂，加工流程长；加工方法比较传统，切削方式有待改进，切削效率不高；传统刀具质量不稳定、反复装夹误差大，手工攻螺纹内容多，易产生质量问题。这些因素导致目前铝镁机匣加工周期长、切削效率偏低及质量稳定性不好。

新一代航空发动机制造精度要求越来越高，所需求的制造技术也在不断升级，正由手工作业、机械化、数控化向自动化、柔性化、智能化单元制造技术升级转变，这种单元制造技术具有自动找正、自动对刀、自动测量、自动补偿功能和刀具管理、监控功能。刀库内刀具可实现共享，加工程序可各自调用，在更换零件或更换工序时可实现自动排产，连续不间断加工，以满足典型铝镁机匣的高效复合加工要求。

2 机匣高效复合加工技术应用研究

2.1 机匣高效复合加工工艺流程重构

目前铝镁机匣加工工艺路线分粗加工、半精加工、精加工[2]；按加工设备可分为数控车床加工、数控立式加工中心加工、数控四轴机床加工、数控五轴机床加工、钳修等工序，其特点是加工工序多、使用的设备多及生产周期长。图1、图2所示的是典型零件铝镁机匣1和铝镁机匣2的原加工工艺流程。

图1 铝镁机匣1原加工工艺流程

图2 铝镁机匣2原加工工艺流程

如何重构工艺流程、减少加工工序、缩短生产周期是本次研究的首要任务，经研究分析，所需的条件：①要有更先进的设备。②需分析试验工序集中的生产方式能否满足质量要求。③需对现有工件的装夹技术进行创新。

（1）加工设备的选用研究选用的是一台高精度铣车复合五轴加工中心设备，该设备可实现车削、五轴铣削复合加工，使用的是高速高精的SHK100刀柄，机床主轴、床身、切削液配有恒温冷却装置，可实时进行温度检测与补偿，主轴最高转速12000r/min，定位精度0.006mm，重复定位精度0.003mm，刀库容量200把，可自动交换工作台8个，与MES相连能实现订单式生产过程管控，单工序流或多工序、多品种混流生产，属于单台柔性复合制造单元。

（2）工序集中生产方式优缺点分析工序集中的优点：①有利于采用高效的专用设备和数控机床，提高生产效率，减少工序数目，缩短工艺路线，简化生产计划和生产组织工作。②可减少机床数量、操作人员和占地面积。③能减少工件装夹次数，不仅可保证各加工表面的相互位置精度，还能减少夹具数量和缩短装夹工件的辅助时间。

工序集中的缺点：专用设备和工艺装备投资大、调整维修比较麻烦、生产准备调试加工周期长，如果采用专用设备，不利于转产。

随着现代数控技术的发展，特别是复合加工中心的应用，工艺路线的安排更趋向于工序集中。单件小批量、多品种生产时，更适合采用工序集中的复合加工、柔性生产方式。

（3）机匣装夹方式的创新原工艺路线中数控立式车床加工、五轴机床加工工序需独立进行，分别采用不同的夹具，现铣车复合加工，将工序加工内容进行集中，原有的夹具与现有的加工内容会产生干涉，需对夹具进行创新设计，其主要做法如下。

1）将原一面两孔定位改为一面三孔定位。一面三孔定位限制了工件6个自由度，优点是定位精度高且稳定可靠，要注意的问题是一面三孔定位属于过定位，对夹具制造精度和零件定位孔的加工精度要求非常高，如优化后典型零件铝镁机匣1加工的第一道工序——铣车复合机床加工的3×φ6mm的定位孔和第三道工序——铣车复合机床加工的3×φ7.9mm定位孔位置度都控制在0.015mm以内，两端端面平面度、平行度可达到0.01mm，完全能满足过定位装夹方式，特别是在第四道工序——铣车复合机床精车时，已无需操作人员再手动找正零件中心与机床B轴中心重合，可以依靠夹具定位直接保证。

2）将原上端面压紧、侧面凸台压紧改为只靠面利用工艺螺栓孔反拉固定装夹零件。如图3所示，采用螺栓倒拉固定方式，压紧在底端毛坯刚性好的部位，消除了零件压紧变形误差，解决了加工过程中夹具压板、螺栓发生干涉的问题。

图3 零件装夹示意

通过加工试验，重构其加工工艺路线，使用铣车复合五轴加工单元，将加工工艺分为先零件正反两面两道粗加工、再正反两面两道精加工共4道工序来完成，有效简化了加工流程；同时利用现有设备新功能和加工技术创新，将原来人工攻螺纹、钳工刮削等内容转换为数控加工。最终，重构的铝镁机匣1和铝镁机匣2加工工艺流程如图4所示。

图4 铝镁机匣重构后的加工工艺流程

2.2 机匣高效复合加工中新的质量控制技术

原有的机匣数控加工过程中，零件的工序质量控制方式是每一批零件、每一道工序的第一个零件必须经过三坐标检测并满足首件二检合格后方可往下加工，计量等待时间一般都＞2h，造成零件生产中断，设备停机等待。现通过机内在线测量与补偿加工技术，对工序中的关键重要尺寸进行检测控制，可取消每道工序的首件计量要求，只需在所有铣车复合工序加工完成后，对工件进行全尺寸三坐标计量检测即可，有效减少了工序间的测量等待时间。

（1）机匣加工在机测量技术应用具体如下。

1）优化实时在线测量技术，确保关键重要尺寸精度现有的铣车复合五轴加工中心设备自带在机测量功能，能实现工序加工中的尺寸控制与补偿，缩短了数控加工中工件的找正时间，提高了装夹加工效率和产品合格率，为数字化、自动化、智能化加工提供了有力支撑。

其要点是零件关键重要尺寸应放在所有粗加工、半精加工完成后再进行，由于工序集中，加工时间较长，所以在零件的自身应力得到有效释放后，再对关键重要尺寸进行精加工，会获得很好的几何尺寸精度。其执行过程中需注意的是：首先需将零件自动冲洗干净；测量前一定要先重新校准测头，再对零件进行尺寸测量和工件零点找正；零件最后精加工切削参数要与试切时保持一致；同时在测量结果判断时设置允许误差值变化的公差范围，超出公差范围系统将自动报警，以此来确保测量系统的可靠性。

2）实时找正工件原点，规避机床热变形误差。机床受自身结构和工作温度、环境温度影响，在工作中从早至晚8h内一般可产生0.03～0.06mm的热变形误差，主要影响Y轴与Z轴位置精度，如处理不好将会直接造成零件超差。其具体改进方法是：在零件每道加工工序的夹具上设置一个基准平面，在线测量系统使用前，先将测头进行自身实时校准，再进行基准测量找正及补偿，以此判别、调整机床热变形误差和测量系统误差。机床停机2h以上时，零件加工前要运行预热程序15min来确保机床主轴、床身处于热平衡、热稳定状态。

（2）刀具寿命及状态管理具体如下。

刀具寿命控制主要通过机床系统的刀具寿命管理功能来实现，每把刀均可设置切削控制时间和报警提示时间，加工中系统会自动记录刀具的切削时间，当切削时间达到下限报警值时，系统会出现更换刀具提示报警，如未及时更换，此刀具将禁用，停止加工。

1）自动对刀与破损监测。该设备的刀库中自带机内、机外红外对刀系统，可采用标准刀进行自动标定校准。刀具使用前根据需要执行机内自动对刀，切削完返回刀库后可进行机外破损对刀检测，当刀具直径、长度数据超出设定值时，设备会发出报警，提示刀具出现问题。如果小尺寸刀具在加工中出现断刀，再放回到刀库时机外对刀装置检测后会发出报警，以确保加工过程受控，刀具监控流程如图5所示。

图5 刀具监控流程

2）自适应切削功率监控。功率监视系统可在加工期间应用功率监视器对每把刀具所达到的最大吸收值进行记录学习，在主轴旋转后和切削加工程序段（G1、G2 或G3）前插入功率监视器指令PWM（50，2），即可对加工时异常情况进行切削功率监控。其PWM（50，2）的含义是对应于主轴吸收值的50%的最大功率阈值，并且干预延迟为0.2s。

2.3 机匣高效加工中切削效率的优化提升方案

（1）用铣削方式替代端面偏心槽的车削加工铝镁机匣1端面有1个φ449.4mm偏心环槽，如图6所示，一般选择的加工工艺是数控车削，但圆槽中心与零件的回转中心不重合，有25.4mm的偏心尺寸，数控车床加工前需要重新找正夹具25.4mm的偏心孔，是单独一道数控车削工序。当使用铣车复合设备时，可以使用铣削来替代数控车削，使用五轴的定向加工指令将坐标系偏移25.4mm。由于铣槽加工时，零件不转动，所以工作台不会产生离心力，利用小铣刀的高速旋转，其加工效率比数控车削提高1倍，且无需再重新装夹找正夹具和零件。

（2）用铣车方式替代原粗车加工如图6中A-A所示，零件毛坯小端φ C位置加工余量大，一般采用车削加工去除余量，但由于零件较大，当零件旋转时，产生的离心力大，导致切削效率低、加工时间长。通过采用铣刀高速高效的铣车混合方式代替粗车加工，再采用车刀精车至最终尺寸，零件的切削时间可减少1h，时间缩短75.6%。

图6 铝镁机匣1端面偏心环槽示意

（3）切削刀具的选用与改进在航空机匣高效数控加工中，刀具选择直接影响着零件的加工质量、效率。在选择刀具时，主要考虑刀具的切削性能、可靠性和加工精度[3]。

1）三刃钻在螺纹底孔与螺栓孔加工中的应用。三刃整体合金钻头属于中型硬质合金钻头，在螺纹底孔与螺栓孔加工中可用三刃钻取代原中心钻、钻头、镗刀，一次加工至尺寸，加工效率比麻花钻提高3～5倍，且孔径尺寸稳定，位置度和垂直度好。其主要特点：①比二刃麻花钻头钻心厚、强度高，从而补偿了硬质合金韧性差的弱点。②刀尖前端形成特殊形状，切削时可自动定心，无需加工中心孔。③切削刃多、定心好使得每转进给量增大2～3倍，又可进行高速切削，从而可大幅缩短加工时间。④加工精度高，尺寸精度达H7，位置精度可提高1倍。⑤刀具寿命长，加工合金钢、铸铁和铝合金可分别增大1～2倍。⑥切削刃多，钻头定心好，适合加工孔深为3～4倍径的孔。

2）铝镁合金专用铣刀与复合刀具的应用。采用铝镁合金专用铣刀，实现机匣的高速、高效优质加工。该铣刀一般采用0.6μm超细微高速钢材料制成，热处理淬火后硬度58HRC，具有很高的耐磨性和强度，属于高硬度高速切削应用铣刀。刀具一般采用三刃、35°螺旋角，双刃带+圆弧韧带设计，超大容量排屑槽，使得排屑更流畅，刃口持久锋利，切削力小，尺寸控制好。

将同位置多尺寸的台阶孔加工中原使用的中心钻、钻头、埋钻、镗刀和倒圆、倒角等刀具合并设计为复合刀具，一次将多组尺寸加工到位，例如用60°、90°、120°三把倒角铣刀代替原各专用定尺寸倒角刀，用埋孔和高速铣削的方式加工倒角尺寸和去除毛刺，有效减少了刀具数量、换刀时间和钳工工作量。

（4）对数控攻螺纹技术进行优化与提升，取代钳工手工攻螺纹操作在本次研究过程中所有螺纹都是通过数控攻螺纹来完成的，有效取代了钳工手动攻螺纹作业，提高了螺纹加工精度和生产效率。由于数控攻螺纹针对螺纹超差的补救措施比较少，所以易造成整个机匣报废。分析螺纹超差的主要情况有丝锥发生断裂引起螺纹破损超差，主轴转速与进给同步误差过大造成螺纹尺寸超差，丝锥跳动过大、攻螺纹时丝锥位置与底孔位置同轴度不好引起螺纹超差等，特别是加工中径公差带只有0.03～0.05mm的AJ螺纹时困难更大。其解决方案如下。

1）优化攻螺纹程序。所使用设备的数控系统为西门子840D sl，其中CYCLE84攻螺纹指令中有多项细节功能选项，对预防丝锥断裂，螺纹尺寸超差有较好的保护作用，主要功能：①主轴定向准停功能。可实现一个螺纹孔多次重复攻螺纹而不乱牙。②前馈控制功能（FFWON）。可使攻螺纹加工过程中动作连续平顺。③加速度优化功能。能有效减少攻螺纹时的冲击力，预防丝锥瞬间切削力增大导致的丝锥断裂。④底部暂停延时功能。丝锥断刀80%都发生在退刀时主轴反转的那一瞬间，此功能配合预控制、加速度、加速功能的使用，丝锥加工到底端时会精准地停下来，然后再慢速启动平稳回退，可有效避免主轴反转时瞬间扭矩增大和减小进退刀惯性。

2）微量柔性攻螺纹刀柄的使用。微量柔性攻螺纹刀柄在轴向和径向分别有0.5mm和0.2mm的浮动变化量，既能获得好的螺纹位置与尺寸精度，又能缓冲抵消各种伺服误差和瞬间扭矩增大的问题，起到保护丝锥和提高螺纹精度的作用。