航空发动机机械加工新工艺

2024-01-03郑玮晟孔凯博李柏强王进月任广惠

设备管理与维修 2023年22期

郑玮晟，孔凯博，李柏强，王进月，任广惠

（1.沈阳航空航天大学，辽宁沈阳 110122；2.郑州航空工业管理学院，河南郑州 450046）

0 引言

随着航天航空事业的不断发展，航空发动机的稳定运行成为研究的重点项目，其中最为关键的是航空发动机机械加工问题。由于传统机械加工工艺存在的滞后性，使得生产出来的零部件很难满足航空发动机的需求[1]。因此，需要不断优化创新航空发动机机械加工工艺，实现精细化加工。本文分析研究了航空发动机机械加工工艺的现状，并提出相应的工艺优化措施，为航空发动机机械加工的高效开展提供参考。

1 新技术与新工艺

1.1 新型毛坯件制造技术

航空发动机新型毛坯件成型铸造技术包含定向凝固技术与单晶精铸技术[2]。在航空发动机机械加工过程中，精密、整体的结构毛坯件是不可或缺的重要部分，通过新型毛坯件制造技术代替传统大余量毛坯件，可以较好地提高毛坯件加工精度及加工质量。

1.2 先进切削成型技术

切削成型是航空发动机加工制造过程中应用十分广泛的制造方式，运用机械切削来实现精密、复杂零部件的制作。目前，钛合金由于其高强度、高刚度以及高耐热性的优势，在航空发动机零部件中应用占比较高，这也给传统机械切削加工带来了新的挑战。

航空发动机零部件中对曲面和表面光洁度有较高的要求，因此需要通过利用具备四轴、五轴联动功能等复杂曲面高精度加工能力的设备来提升加工质量[3]。数控加工技术在零部件加工种发挥着重要的作用，可以较好地完成复杂曲面与高精度结构件的加工。除此之外，需要重视航空发动机高精度零部件切削加工过程中的变形补偿与自适应加工等先进技术的应用，进一步提升加工精度。

1.3 特种加工技术

高能束流加工技术是一种特种加工技术，一些应用常规切削加工技术无法完成的机械加工操作可以运用此技术来实现，例如复杂型腔、型面等复杂难切削零部件的加工。另外，航空发动机机械加工常用的特种加工技术还包含激光、等离子、电火花以及离子加工技术等。新技术的应用对于提升航空发动机复杂型面与复杂型腔的加工质量具有较高的现实意义。

2 机械加工工艺的优化方法

2.1 科学规划工艺路线

航空发动机每个机械零件的加工工序中，可能存在两个或者多个加工表面，且每一个加工表面都需要应用不同的方式加工，每种加工方式在时间成本、材料成本、加工质量等方面都有着较大的差别。例如，部分零件有具体的生产加工计划与要求，只进行单次切削不能够达到要求的标准。对此，可以运用多层次、多种方式的加工方法对加工面进行操作，科学规划工艺路线，有效降低时间成本与加工成本，提高零件加工质量。

2.2 矫正加工工具误差

航空发动机加工工艺的完善，一方面需要相关工作人员完善技术内容，另一方面也需要完善对工具设备的选用标准。航空发动机机械加工过程中，加工工具的选用直接影响零件加工质量。因此，应当在机械加工使用工序表之中，对刀具号码及专用刀具信息进行明确。数控加工中心所使用的刀具应当对其部位装配图及尺寸进行描述。加工过程中需要选择合适的机床，减少选用尺寸及型号不合理而导致的时间与成本浪费问题，对加工表面精度形成良好的保障。

针对航空发动机机械加工工艺的优化，需要依据相关标准来完善加工体系，确保航空发动机工序信息及资源等能够在工作人员之中实现良好的共享，提升数据利用效率。除此之外，应当构建标准化的加工体系，以此带动信息化的发展，促使航空发动机机械加工过程更具规范性。

2.3 优化工艺方案及各项工序

航空发动机加工工艺的优化存在较高的复杂性。首先需要将各种机床按照相应的次序进行排列安置，做好零件加工流程的规划。其次，应当对各种工艺实施统一规划，以此来保障工作的顺利实施，并合理安排各项工艺开展的顺序及使用频率；最后，在具体的加工过程中使用优化的工艺方案，有效完善工序工艺规程。除此之外，可以将加工工艺做成工艺模板，降低加工制造难度，提高发动机零部件加工制造水平。

2.4 科学改进加工工艺

一方面，机械加工过程中，航空发动机所运用的切削工具越来越倾向于超硬度复合材料，此材料的切削工具能够有效的提升零件的精良性；另一方面，在金属加工油之中硫化添加剂的相关技术也有了新的突破，实现了技术的新发展。同时，通过专业性方式能够实现对机械加工工艺统一打磨，使用光能与机械能来转变材料的深层构造，减少零件之间的磨损，不断提升零件加工的水平，制造出更加精良的零部件。

在加工工序层面，航空发动机的要求也十分繁杂。一些设计较为复杂的要求较高的孔需要依靠数控机床技术来实现。除此之外，在进行机械加工的过程中，可以通过三维加工视图来帮助操作人员做好整个加工工艺进程的控制工作，使各项工作更具条理性。针对高精度工件，其加工测量也应当使用高精度量具开展工作，以此提高测量的规范性。

3 应用案例

本文以静子内环机械加工工艺的优化为例，分析航空发动机机械加工的新工艺（图1）。传统的对开式铝合金薄壁加工模式存在零件切断之后变形及尺寸差过大的问题，新工艺路线能够有效控制零件切断后的变形，满足设计所要求的性能参数。同时，在工艺路线设计的过程中也兼顾了经济性，重视生产成本及生产周期的控制。

图1 静子内环零件结构

首先，在零件切断后变形问题的控制方面，主要的设计理念为将切断工序前移。在单件粗加工之后，将零件切割为两个半环，并在之后增加两道工序：去应力热处理与自然时效。加工设备由普通卧式车床设备改为数控立式车磨床。本文设计的静子内环组合件机械加工新工艺路线如图2 所示。

图2 静子内环组合件机加工工艺路线

相比较于传统的工艺路线，优化的静子内环新工艺路线具备多方面的优势。首先是能够将线切割切断工序前移，尽早释放内应力。将部件切割为两个半环以满足设计图的要求及后续的装配需求。其次，在粗加工之后、切断之前对零部件实施去应力热处理，并在精加工之前对零部件实施自然时效处理，能够进一步释放零件内应力及加工参与应力，以此来降低加工后变形的概率。最后，精车工序应用数控设备加工，能够固化切削参数及走刀路径，提高加工的稳定性。选用合金机夹刀具，能够有效提升加工的效率。采用立式车床进行加工，消除了传统工艺使用卧式车床加工导致的重力影响，同时方便工人对夹具进行调整，对零件进行安装。

切割为半环的零件加工过程中还需要重视工艺准备。首先是切断工序的计划，为了消除应力变形，需要切割为半环状。为控制加工质量，零件的精加工余量以1.5 mm 为宜。根据相关试验结果，零件切断后的变形量最大为1.4 mm，同时结合可能存在的精加工定位误差、半精加工尺寸精度误差，如果在半精加工之后实施切断工序，可能导致精加工余量不足。所以零件切断工序需要选定在粗加工之后及半精加工之前。

对于零件最小内径的轴向端面的两端的装夹定位方法，应当从两个方面进行分析。其一是加工大端面，即远离端面，零件装夹选择支撑基准面、压紧端面的方式。零件的最终形态是在小端面有轴向孔，因此在加工时可以选择若干轴向孔理论位置加工出工艺基准孔，同时以小端面作为基准面实施相应的定位，继而完成大端面及外轮廓尺寸加工。其二是加工小端面，即靠近端面，零件装夹运用支撑基准面，压紧工艺安装边的方式。方法是选用大端面作为基准面，从大端面工艺安装边上加工出工艺基准孔作为定位。

最后是加工基准孔工序。此工序可以安排在零件切断前后，可根据实验分析确定选择工艺流程，确保基准孔位置精度。在此过程中，观察零件圆周基准是否找正，基准孔位置度情况等。在切断前安排大端面基准孔工序，切断后以打断基准孔作为基准实施定位，以此来加工小端基准孔，应用于最终精加工，使位置精度满足零件精加工定位的要求。