鄧元山，胡志星，冷紅標(biāo)，朱朝霞

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

鋁鎂機匣是航空發(fā)動機重要部件，主要承接發(fā)動機動力輸出機構(gòu)、滑油潤滑系統(tǒng)及外掛發(fā)動機部件[1]，其外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)鑄油路多，尺寸精度高。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，故其加工工藝復(fù)雜，加工流程長；加工方法比較傳統(tǒng)，切削方式有待改進，切削效率不高；傳統(tǒng)刀具質(zhì)量不穩(wěn)定、反復(fù)裝夾誤差大，手工攻螺紋內(nèi)容多，易產(chǎn)生質(zhì)量問題。這些因素導(dǎo)致目前鋁鎂機匣加工周期長、切削效率偏低及質(zhì)量穩(wěn)定性不好。

新一代航空發(fā)動機制造精度要求越來越高，所需求的制造技術(shù)也在不斷升級，正由手工作業(yè)、機械化、數(shù)控化向自動化、柔性化、智能化單元制造技術(shù)升級轉(zhuǎn)變，這種單元制造技術(shù)具有自動找正、自動對刀、自動測量、自動補償功能和刀具管理、監(jiān)控功能。刀庫內(nèi)刀具可實現(xiàn)共享，加工程序可各自調(diào)用，在更換零件或更換工序時可實現(xiàn)自動排產(chǎn)，連續(xù)不間斷加工，以滿足典型鋁鎂機匣的高效復(fù)合加工要求。

2 機匣高效復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 機匣高效復(fù)合加工工藝流程重構(gòu)

目前鋁鎂機匣加工工藝路線分粗加工、半精加工、精加工[2]；按加工設(shè)備可分為數(shù)控車床加工、數(shù)控立式加工中心加工、數(shù)控四軸機床加工、數(shù)控五軸機床加工、鉗修等工序，其特點是加工工序多、使用的設(shè)備多及生產(chǎn)周期長。圖1、圖2所示的是典型零件鋁鎂機匣1和鋁鎂機匣2的原加工工藝流程。

圖1 鋁鎂機匣1原加工工藝流程

圖2 鋁鎂機匣2原加工工藝流程

如何重構(gòu)工藝流程、減少加工工序、縮短生產(chǎn)周期是本次研究的首要任務(wù)，經(jīng)研究分析，所需的條件：①要有更先進的設(shè)備。②需分析試驗工序集中的生產(chǎn)方式能否滿足質(zhì)量要求。③需對現(xiàn)有工件的裝夾技術(shù)進行創(chuàng)新。

（1）加工設(shè)備的選用 研究選用的是一臺高精度銑車復(fù)合五軸加工中心設(shè)備，該設(shè)備可實現(xiàn)車削、五軸銑削復(fù)合加工，使用的是高速高精的SHK100刀柄，機床主軸、床身、切削液配有恒溫冷卻裝置，可實時進行溫度檢測與補償，主軸最高轉(zhuǎn)速12000r/min，定位精度0.006mm，重復(fù)定位精度0.003mm，刀庫容量200把，可自動交換工作臺8個，與MES相連能實現(xiàn)訂單式生產(chǎn)過程管控，單工序流或多工序、多品種混流生產(chǎn)，屬于單臺柔性復(fù)合制造單元。

（2）工序集中生產(chǎn)方式優(yōu)缺點分析 工序集中的優(yōu)點：①有利于采用高效的專用設(shè)備和數(shù)控機床，提高生產(chǎn)效率，減少工序數(shù)目，縮短工藝路線，簡化生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)組織工作。②可減少機床數(shù)量、操作人員和占地面積。③能減少工件裝夾次數(shù)，不僅可保證各加工表面的相互位置精度，還能減少夾具數(shù)量和縮短裝夾工件的輔助時間。

工序集中的缺點：專用設(shè)備和工藝裝備投資大、調(diào)整維修比較麻煩、生產(chǎn)準備調(diào)試加工周期長，如果采用專用設(shè)備，不利于轉(zhuǎn)產(chǎn)。

隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，特別是復(fù)合加工中心的應(yīng)用，工藝路線的安排更趨向于工序集中。單件小批量、多品種生產(chǎn)時，更適合采用工序集中的復(fù)合加工、柔性生產(chǎn)方式。

（3）機匣裝夾方式的創(chuàng)新 原工藝路線中數(shù)控立式車床加工、五軸機床加工工序需獨立進行，分別采用不同的夾具，現(xiàn)銑車復(fù)合加工，將工序加工內(nèi)容進行集中，原有的夾具與現(xiàn)有的加工內(nèi)容會產(chǎn)生干涉，需對夾具進行創(chuàng)新設(shè)計，其主要做法如下。

1）將原一面兩孔定位改為一面三孔定位。一面三孔定位限制了工件6個自由度，優(yōu)點是定位精度高且穩(wěn)定可靠，要注意的問題是一面三孔定位屬于過定位，對夾具制造精度和零件定位孔的加工精度要求非常高，如優(yōu)化后典型零件鋁鎂機匣1加工的第一道工序——銑車復(fù)合機床加工的3×φ6mm的定位孔和第三道工序——銑車復(fù)合機床加工的3×φ7.9mm定位孔位置度都控制在0.015mm以內(nèi)，兩端端面平面度、平行度可達到0.01mm，完全能滿足過定位裝夾方式，特別是在第四道工序——銑車復(fù)合機床精車時，已無需操作人員再手動找正零件中心與機床B軸中心重合，可以依靠夾具定位直接保證。

2）將原上端面壓緊、側(cè)面凸臺壓緊改為只靠面利用工藝螺栓孔反拉固定裝夾零件。如圖3所示，采用螺栓倒拉固定方式，壓緊在底端毛坯剛性好的部位，消除了零件壓緊變形誤差，解決了加工過程中夾具壓板、螺栓發(fā)生干涉的問題。

圖3 零件裝夾示意

通過加工試驗，重構(gòu)其加工工藝路線，使用銑車復(fù)合五軸加工單元，將加工工藝分為先零件正反兩面兩道粗加工、再正反兩面兩道精加工共4道工序來完成，有效簡化了加工流程；同時利用現(xiàn)有設(shè)備新功能和加工技術(shù)創(chuàng)新，將原來人工攻螺紋、鉗工刮削等內(nèi)容轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工。最終，重構(gòu)的鋁鎂機匣1和鋁鎂機匣2加工工藝流程如圖4所示。

圖4 鋁鎂機匣重構(gòu)后的加工工藝流程

2.2 機匣高效復(fù)合加工中新的質(zhì)量控制技術(shù)

原有的機匣數(shù)控加工過程中，零件的工序質(zhì)量控制方式是每一批零件、每一道工序的第一個零件必須經(jīng)過三坐標(biāo)檢測并滿足首件二檢合格后方可往下加工，計量等待時間一般都＞2h，造成零件生產(chǎn)中斷，設(shè)備停機等待。現(xiàn)通過機內(nèi)在線測量與補償加工技術(shù)，對工序中的關(guān)鍵重要尺寸進行檢測控制，可取消每道工序的首件計量要求，只需在所有銑車復(fù)合工序加工完成后，對工件進行全尺寸三坐標(biāo)計量檢測即可，有效減少了工序間的測量等待時間。

（1）機匣加工在機測量技術(shù)應(yīng)用 具體如下。

1）優(yōu)化實時在線測量技術(shù)，確保關(guān)鍵重要尺寸精度 現(xiàn)有的銑車復(fù)合五軸加工中心設(shè)備自帶在機測量功能，能實現(xiàn)工序加工中的尺寸控制與補償，縮短了數(shù)控加工中工件的找正時間，提高了裝夾加工效率和產(chǎn)品合格率，為數(shù)字化、自動化、智能化加工提供了有力支撐。

其要點是零件關(guān)鍵重要尺寸應(yīng)放在所有粗加工、半精加工完成后再進行，由于工序集中，加工時間較長，所以在零件的自身應(yīng)力得到有效釋放后，再對關(guān)鍵重要尺寸進行精加工，會獲得很好的幾何尺寸精度。其執(zhí)行過程中需注意的是：首先需將零件自動沖洗干凈；測量前一定要先重新校準測頭，再對零件進行尺寸測量和工件零點找正；零件最后精加工切削參數(shù)要與試切時保持一致；同時在測量結(jié)果判斷時設(shè)置允許誤差值變化的公差范圍，超出公差范圍系統(tǒng)將自動報警，以此來確保測量系統(tǒng)的可靠性。

2）實時找正工件原點，規(guī)避機床熱變形誤差。機床受自身結(jié)構(gòu)和工作溫度、環(huán)境溫度影響，在工作中從早至晚8h內(nèi)一般可產(chǎn)生0.03～0.06mm的熱變形誤差，主要影響Y軸與Z軸位置精度，如處理不好將會直接造成零件超差。其具體改進方法是：在零件每道加工工序的夾具上設(shè)置一個基準平面，在線測量系統(tǒng)使用前，先將測頭進行自身實時校準，再進行基準測量找正及補償，以此判別、調(diào)整機床熱變形誤差和測量系統(tǒng)誤差。機床停機2h以上時，零件加工前要運行預(yù)熱程序15min來確保機床主軸、床身處于熱平衡、熱穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）刀具壽命及狀態(tài)管理 具體如下。

刀具壽命控制主要通過機床系統(tǒng)的刀具壽命管理功能來實現(xiàn)，每把刀均可設(shè)置切削控制時間和報警提示時間，加工中系統(tǒng)會自動記錄刀具的切削時間，當(dāng)切削時間達到下限報警值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)更換刀具提示報警，如未及時更換，此刀具將禁用，停止加工。

1）自動對刀與破損監(jiān)測。該設(shè)備的刀庫中自帶機內(nèi)、機外紅外對刀系統(tǒng)，可采用標(biāo)準刀進行自動標(biāo)定校準。刀具使用前根據(jù)需要執(zhí)行機內(nèi)自動對刀，切削完返回刀庫后可進行機外破損對刀檢測，當(dāng)?shù)毒咧睆?、長度數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時，設(shè)備會發(fā)出報警，提示刀具出現(xiàn)問題。如果小尺寸刀具在加工中出現(xiàn)斷刀，再放回到刀庫時機外對刀裝置檢測后會發(fā)出報警，以確保加工過程受控，刀具監(jiān)控流程如圖5所示。

圖5 刀具監(jiān)控流程

2）自適應(yīng)切削功率監(jiān)控。功率監(jiān)視系統(tǒng)可在加工期間應(yīng)用功率監(jiān)視器對每把刀具所達到的最大吸收值進行記錄學(xué)習(xí)，在主軸旋轉(zhuǎn)后和切削加工程序段（G1、G2 或G3）前插入功率監(jiān)視器指令PWM（50，2），即可對加工時異常情況進行切削功率監(jiān)控。其PWM（50，2）的含義是對應(yīng)于主軸吸收值的50%的最大功率閾值，并且干預(yù)延遲為0.2s。

2.3 機匣高效加工中切削效率的優(yōu)化提升方案

（1）用銑削方式替代端面偏心槽的車削加工 鋁鎂機匣1端面有1個φ449.4mm偏心環(huán)槽，如圖6所示，一般選擇的加工工藝是數(shù)控車削，但圓槽中心與零件的回轉(zhuǎn)中心不重合，有25.4mm的偏心尺寸，數(shù)控車床加工前需要重新找正夾具25.4mm的偏心孔，是單獨一道數(shù)控車削工序。當(dāng)使用銑車復(fù)合設(shè)備時，可以使用銑削來替代數(shù)控車削，使用五軸的定向加工指令將坐標(biāo)系偏移25.4mm。由于銑槽加工時，零件不轉(zhuǎn)動，所以工作臺不會產(chǎn)生離心力，利用小銑刀的高速旋轉(zhuǎn)，其加工效率比數(shù)控車削提高1倍，且無需再重新裝夾找正夾具和零件。

（2）用銑車方式替代原粗車加工 如圖6中A-A所示，零件毛坯小端φ C位置加工余量大，一般采用車削加工去除余量，但由于零件較大，當(dāng)零件旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的離心力大，導(dǎo)致切削效率低、加工時間長。通過采用銑刀高速高效的銑車混合方式代替粗車加工，再采用車刀精車至最終尺寸，零件的切削時間可減少1h，時間縮短75.6%。

圖6 鋁鎂機匣1端面偏心環(huán)槽示意

（3）切削刀具的選用與改進 在航空機匣高效數(shù)控加工中，刀具選擇直接影響著零件的加工質(zhì)量、效率。在選擇刀具時，主要考慮刀具的切削性能、可靠性和加工精度[3]。

1）三刃鉆在螺紋底孔與螺栓孔加工中的應(yīng)用。三刃整體合金鉆頭屬于中型硬質(zhì)合金鉆頭，在螺紋底孔與螺栓孔加工中可用三刃鉆取代原中心鉆、鉆頭、鏜刀，一次加工至尺寸，加工效率比麻花鉆提高3～5倍，且孔徑尺寸穩(wěn)定，位置度和垂直度好。其主要特點：①比二刃麻花鉆頭鉆心厚、強度高，從而補償了硬質(zhì)合金韌性差的弱點。②刀尖前端形成特殊形狀，切削時可自動定心，無需加工中心孔。③切削刃多、定心好使得每轉(zhuǎn)進給量增大2～3倍，又可進行高速切削，從而可大幅縮短加工時間。④加工精度高，尺寸精度達H7，位置精度可提高1倍。⑤刀具壽命長，加工合金鋼、鑄鐵和鋁合金可分別增大1～2倍。⑥切削刃多，鉆頭定心好，適合加工孔深為3～4倍徑的孔。

2）鋁鎂合金專用銑刀與復(fù)合刀具的應(yīng)用。采用鋁鎂合金專用銑刀，實現(xiàn)機匣的高速、高效優(yōu)質(zhì)加工。該銑刀一般采用0.6μm超細微高速鋼材料制成，熱處理淬火后硬度58HRC，具有很高的耐磨性和強度，屬于高硬度高速切削應(yīng)用銑刀。刀具一般采用三刃、35°螺旋角，雙刃帶+圓弧韌帶設(shè)計，超大容量排屑槽，使得排屑更流暢，刃口持久鋒利，切削力小，尺寸控制好。

將同位置多尺寸的臺階孔加工中原使用的中心鉆、鉆頭、埋鉆、鏜刀和倒圓、倒角等刀具合并設(shè)計為復(fù)合刀具，一次將多組尺寸加工到位，例如用60°、90°、120°三把倒角銑刀代替原各專用定尺寸倒角刀，用埋孔和高速銑削的方式加工倒角尺寸和去除毛刺，有效減少了刀具數(shù)量、換刀時間和鉗工工作量。

（4）對數(shù)控攻螺紋技術(shù)進行優(yōu)化與提升，取代鉗工手工攻螺紋操作 在本次研究過程中所有螺紋都是通過數(shù)控攻螺紋來完成的，有效取代了鉗工手動攻螺紋作業(yè)，提高了螺紋加工精度和生產(chǎn)效率。由于數(shù)控攻螺紋針對螺紋超差的補救措施比較少，所以易造成整個機匣報廢。分析螺紋超差的主要情況有絲錐發(fā)生斷裂引起螺紋破損超差，主軸轉(zhuǎn)速與進給同步誤差過大造成螺紋尺寸超差，絲錐跳動過大、攻螺紋時絲錐位置與底孔位置同軸度不好引起螺紋超差等，特別是加工中徑公差帶只有0.03～0.05mm的AJ螺紋時困難更大。其解決方案如下。

1）優(yōu)化攻螺紋程序。所使用設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)為西門子840D sl，其中CYCLE84攻螺紋指令中有多項細節(jié)功能選項，對預(yù)防絲錐斷裂，螺紋尺寸超差有較好的保護作用，主要功能：①主軸定向準停功能?？蓪崿F(xiàn)一個螺紋孔多次重復(fù)攻螺紋而不亂牙。②前饋控制功能（FFWON）?？墒构ヂ菁y加工過程中動作連續(xù)平順。③加速度優(yōu)化功能。能有效減少攻螺紋時的沖擊力，預(yù)防絲錐瞬間切削力增大導(dǎo)致的絲錐斷裂。④底部暫停延時功能。絲錐斷刀80%都發(fā)生在退刀時主軸反轉(zhuǎn)的那一瞬間，此功能配合預(yù)控制、加速度、加速功能的使用，絲錐加工到底端時會精準地停下來，然后再慢速啟動平穩(wěn)回退，可有效避免主軸反轉(zhuǎn)時瞬間扭矩增大和減小進退刀慣性。

2）微量柔性攻螺紋刀柄的使用。微量柔性攻螺紋刀柄在軸向和徑向分別有0.5mm和0.2mm的浮動變化量，既能獲得好的螺紋位置與尺寸精度，又能緩沖抵消各種伺服誤差和瞬間扭矩增大的問題，起到保護絲錐和提高螺紋精度的作用。

3 結(jié)束語

本文通過采用銑車復(fù)合技術(shù)重構(gòu)優(yōu)化工藝路線、使用高效加工方法、應(yīng)用在線測量技術(shù)、改進原機匣加工的刀具、使用設(shè)備刀具管理功能監(jiān)控刀具壽命和創(chuàng)新零件裝夾方式等方面，全面提升鋁鎂機匣加工品質(zhì)，將鋁鎂機匣加工周期整體縮短50%，切削效率提升60%以上，質(zhì)量穩(wěn)定性進一步提升。

通過應(yīng)用在機自動測量、自動補償、自動找正和刀具壽命監(jiān)控等新技術(shù)及對切削方式、加工刀具、裝夾方式的改進優(yōu)化，實現(xiàn)鋁鎂機匣高效復(fù)合加工，為同類加工提供一定的借鑒方法。