馮湛

摘要：近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在不斷改進(jìn)、不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)上機(jī)匣類零件的材料、結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化，越來越多的難加工材料和復(fù)合材料被采用，機(jī)匣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也越來越先進(jìn)、精巧，零件的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的變得復(fù)雜。因此，機(jī)匣件的制造難度越來越大，這就要求制造機(jī)匣零件的工藝方法也需不斷改進(jìn)，傳統(tǒng)的機(jī)械制造方法已經(jīng)難以滿足要求?，F(xiàn)在，越來越多的先進(jìn)制造技術(shù)用在了機(jī)匣件的制造上。本文主要針對(duì)國際業(yè)務(wù)產(chǎn)品中的RR公司高溫合金類機(jī)匣的銑外形工序進(jìn)行的專業(yè)研究，目標(biāo)是使機(jī)匣零件在加工當(dāng)中滿足加工效率高，尺寸特性質(zhì)量穩(wěn)定可控、減小變形因素影響形位公差特性、減少刀具損耗提高經(jīng)濟(jì)性等等。

關(guān)鍵詞：機(jī)匣零件、減震工裝、刀具軌跡、陶瓷刀具

0 引言

當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國家的航空制造技術(shù)水平一直處于國際領(lǐng)先地位，轉(zhuǎn)包業(yè)務(wù)作為公司對(duì)外合作的窗口，成為向國外企業(yè)學(xué)習(xí)航空制造技術(shù)的有效途徑之一。羅爾斯·羅伊斯（簡稱“羅羅公司”）是全球領(lǐng)先的動(dòng)力系統(tǒng)公司，與GE公司一起被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)雙雄。羅羅公司是歐洲最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，也是世界三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司之一。該公司為陸地、海洋和空中提供各種動(dòng)力裝置，其核心燃?xì)鉁u輪技術(shù)在世界上創(chuàng)立了最廣泛的航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品系列。目前羅羅公司在全球擁有600多家航空公司、4000家公務(wù)機(jī)、通用飛機(jī)和直升機(jī)用戶以及2000多家船舶用戶，目前有55000臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在世界150多個(gè)國家的500多家航空公司、2400家公務(wù)用戶、160多家武裝部隊(duì)的固定翼和旋翼飛機(jī)上服役。羅羅公司在中國開展業(yè)務(wù)已經(jīng)歷時(shí)40余載，中國是該公司的航空、船舶和能源產(chǎn)品的重要市場，也是～個(gè)重要性不斷提高的制造伙伴。我公司與羅羅公司的合作始于2000年，在合作初期，我公司承接的零件大部分是一些比較簡單的環(huán)形件。通過近幾年的業(yè)務(wù)往來，我公司與羅羅公司逐步建立了良好的合作伙伴關(guān)系。長期以來，由于國航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形控制工藝研究外航空企業(yè)對(duì)中國的航空制造技術(shù)保密，在轉(zhuǎn)包合作過程中，一直沒能涉獵作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件的機(jī)匣件、盤類零件等的加工，隨著與羅羅公司合作的漸入佳境，我們終于贏得了該公司高壓壓氣機(jī)機(jī)匣零件的加工訂單。作為與國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)合作的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與RR公司機(jī)匣零件的合作有著不同凡響的重要意義。

1 機(jī)匣零件的加工變形機(jī)理

1.1材料力學(xué)性能和加工工藝性與變形的關(guān)系

變形：作用力引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中各點(diǎn)間的相對(duì)位移。變形分為彈性變形和塑性變形。

彈性變形…… 載荷撤除后，可完全恢復(fù)的變形。

塑性變形一……載荷撤除后，不可恢復(fù)的變形。

在實(shí)際的零件加工過程中，以上兩種變形均存在并對(duì)零件的最終尺寸形成起到一定的作用。

1.2機(jī)械加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力

構(gòu)件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響，當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用于影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響稱為錢留應(yīng)力或殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力是當(dāng)物體沒有外部因素作用時(shí)，在物體內(nèi)部保持甲衡而存在的應(yīng)力。

凡是沒有外部作用，物體內(nèi)部保持自相甲衡的應(yīng)力，稱為物體的同有應(yīng)力，或稱為初應(yīng)力，亦稱為山心力。

殘余應(yīng)力是一種固有應(yīng)力。

殘余應(yīng)力的存在狀態(tài)時(shí)隨材料性能、產(chǎn)生條件等的不同而異，分類的方法也不一致。若按殘余應(yīng)力作用的范圍來分，則可分為宏觀殘余虛力與微觀殘余應(yīng)力等兩人類。

宏觀殘余應(yīng)力又稱第一殘余應(yīng)力，它是在宏觀范圍內(nèi)分布的.它的大小、方向和性質(zhì)等可用通常的物理的或機(jī)械的方法進(jìn)行測量。

微觀殘余應(yīng)力：微觀殘余應(yīng)力屬于顯微事業(yè)范圍內(nèi)的應(yīng)力。依其作用的范圍，又可細(xì)分為兩類：即微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力，或稱第二類殘余應(yīng)力，它是在晶粒范圍內(nèi)分巾的；晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力，又稱為第三類殘余應(yīng)力，它是在個(gè)晶粒內(nèi)部作用的。

2 機(jī)匣零件的工藝性分析

2.1零件結(jié)構(gòu)分析

機(jī)匣零件最大外圓直徑為700mm，零件總高度為280mm，零件壁厚最薄處為3.5mm。零件外圍有大小島嶼特征近20處，島嶼表面分布各種孔探儀孔和固定用螺紋孔。零件內(nèi)分布三層花邊，五處T形槽。

2.2零件材料特點(diǎn)

零件材料為MSRR7209（相當(dāng)于Inconel 718），屬于高溫合金，毛料供應(yīng)狀態(tài)為固熔狀態(tài)，成品零件為固溶時(shí)效狀態(tài)。

Inconel718鎳基合金是典型的難加工材料，具有較高的高溫強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度，熱擴(kuò)散系數(shù)較小，切削時(shí)易產(chǎn)生加工硬化，這將導(dǎo)致刀具切削區(qū)溫度高、磨損速度加快。高溫合金屬于高硬度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫的材料，其加工性能如下：（1）刀具磨損劇烈，在高的切削溫度下，刀具將產(chǎn)生嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損和氧化磨損。（2）加工硬化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，已加工表面硬化后，切削更加困難.（3）切屑硬而韌，不易折斷，造成切削過程中切屑處理困難。（4）由于材料硬度高、強(qiáng)度高，即使在較高的溫度內(nèi)，仍能保持相當(dāng)高的硬度和強(qiáng)度，因此切削力非常大，切削力約為一般鋼材的2～3倍。（5）導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)熱性很差，切削熱集中在刀尖附近，不易散出，使切削溫度高。（6）高溫合金中金屬間化合物Y相的含量越多，高溫合金的切削加工性越差。

3 零件的工藝方法

3.1減震工裝的使用

由于零件屬于薄壁透平機(jī)械加工，在機(jī)械加工過程中零件的結(jié)構(gòu)剛性處于較弱的水平。這一結(jié)構(gòu)使得零件在切削過程中會(huì)由于刀具的沖擊力而產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)直接影響刀具的使用壽命和切削質(zhì)量，也會(huì)使刀具的切削參數(shù)大大降低。為了減少、消除這一不利因素，RR機(jī)匣工藝采用了先進(jìn)減震工裝。原理如下：

如圖2所示，零件的輔助減震支撐在零件內(nèi)表面S，正對(duì)零件外表面銑加工部位。使刀具切削受力部位與零件內(nèi)部支撐部位相對(duì)應(yīng)，從而產(chǎn)生輔助漲力來抵消掉刀具在外部產(chǎn)生的震動(dòng)沖擊。銑外形工序的工裝圖如下圖所示：

圖中所示的漲緊機(jī)構(gòu)在使用過程中，具有操作方便、支撐部位準(zhǔn)確、受力均勻、彈性收緊、壓緊防護(hù)細(xì)致周到、角向定位精確裝夾快速，以及便于維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。它的使用使得零件的震動(dòng)因素基本消除，使薄壁透平機(jī)械加工轉(zhuǎn)化為常規(guī)強(qiáng)剛性結(jié)構(gòu)加工。徹底規(guī)避了航空產(chǎn)品零組件因?yàn)楸”诮Y(jié)構(gòu)帶來的易變形、刀具受力環(huán)境差、加工效率低下等缺點(diǎn)。在加工過程中刀具的加工參數(shù)取得了質(zhì)的飛躍，線切削速度平均提高到原有的2倍以上，加工進(jìn)給率提升2倍以上。

同時(shí)為了得到較高的批量生產(chǎn)能力，夾具的高效精密定位也是必不可少的。在上圖所示右側(cè)是夾具的精密徑向定位銷（如下圖），在每次更換零件的過程中需要對(duì)零件進(jìn)行角向定位校準(zhǔn)。在夾具角向位置已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，零件以自身的徑向孔與夾具徑向定位銷精密配合的方式實(shí)現(xiàn)了零件的角向精密定位。將零件的裝夾時(shí)間節(jié)約了近3個(gè)小時(shí)，在批生產(chǎn)首件結(jié)束后每個(gè)零件的裝夾時(shí)間只需要30分鐘。

3.2高效率切削刀具及走刀方法的使用

3.2.1陶瓷刀具在粗銑工步的應(yīng)用：

陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。目前已發(fā)展的陶瓷刀具主要是氧化鋁基和氮化硅基兩大系列，有40多個(gè)品種，200多個(gè)牌號(hào)。陶瓷刀具具有很高的硬度，可達(dá)93"-'95HRC，具有很好的耐磨性，高溫性能好，在1200℃高溫下仍能進(jìn)行切削，具有良好的抗粘結(jié)性能，化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)低于硬質(zhì)合金。陶瓷刀具適于加工高硬度材料，陶瓷刀具主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度和斷裂韌性較低，脆性較大，導(dǎo)熱性差，抗熱震性不高。

在傳統(tǒng)軍品零件的加工過程中，對(duì)于高溫合金類零件仍然采用硬質(zhì)合金材質(zhì)的刀具進(jìn)行粗銑毛坯大余量，刀具切削線速度只能達(dá)到70-90m/min。在采用陶瓷刀具加工后，切削線速度可達(dá)到650m/min以上，加工效率提高了接近8倍。同時(shí)刀具的切削深度可達(dá)到3.5mm，可實(shí)現(xiàn)100%刀具寬度的加工。

3.2.2重載荷刀具的應(yīng)用

該類型刀具可以將普通硬質(zhì)合金銑刀的每齒進(jìn)給量由通常的0.05mm-0.18mm，提高到0.5mm-0.9mm。使進(jìn)給率在線切削速度不變的情況下提高近5-10倍。

3.2.3偏半徑加工方式的采用

偏半徑加工機(jī)匣外壁，提高機(jī)匣表面的尺寸精度。這種方法改變了傳統(tǒng)偏置刀具半徑使用刀具外側(cè)刀刃加工的方法。但卻保留了避免機(jī)匣表面因刀具中心切削線速度低而導(dǎo)致的“讓刀”現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)。如圖將刀具向右方向偏移5mm：

刀具中心部位切削線速度趨近于0；將刀具的有效切削點(diǎn)偏移到旋轉(zhuǎn)中心以外改變了刀具的實(shí)際切削部位，規(guī)避刀具中心刃的不合理切削使得刀具的使用壽命進(jìn)一步增加。零件的切削質(zhì)量進(jìn)一步提高，有利于表面光潔度的完整性。這種方式既保證了刀路軌跡大為縮短，有保證了機(jī)匣表面的平整無接刀臺(tái)階出現(xiàn)。刀具始終保持端面以平面的方式切削機(jī)匣表面，得到完全平整的表面。

3.2.4切向進(jìn)刀切入加工

刀具在機(jī)匣外表面采用零件周向銑加工即“車銑”方式的時(shí)候，刀具在零件表面沿周向環(huán)繞。這時(shí)在刀具的初始進(jìn)刀方向上采用和刀具周向運(yùn)動(dòng)圓弧軌跡相切的方式開始切削加工，

刀具始終保持受力方向不變，不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)榉较蛲蛔儗?dǎo)致的瞬間受力變化。這對(duì)刀具的加工平穩(wěn)性有很大好處，避免了因?yàn)閿?shù)控編程加工軌跡出現(xiàn)的折線、拐角所產(chǎn)生的進(jìn)給矢量的非連續(xù)變化。刀具始終處于平穩(wěn)的受力狀態(tài)，有利于增加刀具的使用壽命和零件加工表面質(zhì)量。

4 結(jié)果

該產(chǎn)品銑外形工序目前已由傳統(tǒng)的45小時(shí)的加工周期將為18小時(shí)。加工質(zhì)量穩(wěn)定，關(guān)重特性尺寸cpk評(píng)價(jià)已達(dá)到了1.3。加上其余部分工序如N210鉆孔銑小端槽、N220鉆孔銑大端內(nèi)部花邊已達(dá)到了部分無人干預(yù)加工狀態(tài)，年產(chǎn)量在300件左右，成為了分廠主要?jiǎng)?chuàng)匯產(chǎn)品。

機(jī)匣零件的加工變形、效率問題一直是當(dāng)前機(jī)匣加工領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，是現(xiàn)代制造技術(shù)研究中不可或缺的重要內(nèi)容，代表著制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和方向。本文以機(jī)匣零件為研究對(duì)象，通過對(duì)零件的加工方法、加工刀具的選擇、數(shù)控加工走刀路線設(shè)計(jì)及降低零件加工震動(dòng)因素等方面的分析，總結(jié)如下：

通過采用先進(jìn)的工裝消除結(jié)構(gòu)性不足帶來的負(fù)面影響，采用新型高效率切削刀具和科學(xué)的走刀路線增加加工效率，增加刀具的使用效率和壽命。從而提高了零件加工效率與質(zhì)量，降低了刀具的使用成本。這一成果值得在廣大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件工藝制造的過程中予以推廣，可以使我們現(xiàn)有的制造水準(zhǔn)達(dá)到國際先進(jìn)水平。