航空机匣壳体衬套精密镗削加工吕书森

航空机匣壳体衬套精密镗削加工吕书森
发布时间：2021-10-28T07:34:39.153Z 来源：《基层建设》2021年第22期作者：吕书森
[导读] 随着我国航空航天事业的蓬勃发展，复合的硬度金属材料广泛应用于航空发动机匣制作
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江省哈尔滨市 150060
摘要：随着我国航空航天事业的蓬勃发展，复合的硬度金属材料广泛应用于航空发动机匣制作。

其常用材料有较为普通的镁合金铝合金铜合金等系列，金属技术人员在对机匣零件加工制作时，对人员仪器设备有着精密的部署。

镗削加工技术在机匣加工时增加了零件的精准度，如机匣内孔由于疏忽检查，造成了对零件加工过程中产生的不必要的质量问题。

影响机匣内孔设备如达不到安全使用标准，给日后零件加工的精准度带来隐患，根据以上观点，对航空机匣壳衬套精密镗削进行论述。

关键词：航空机匣壳体；镗削加工；精密加工
在我国，航空航天发动机技术有了明显的进步和提升高精密内孔加工技术配合的硬度金属如镁合金、铝合金、铜合金等，用来镗削加工粗糙度的数值决定了内孔品质等级。

对于研发航空机匣壳体加工工艺，使用单品金刚石镗刀设计，让低硬度金属体现出最优良的使用特质。

航空航天发动机，对金属材质有较高的要求，需要零件达到一定的精密等级。

对于材质，更看重其高强度、低密度、硬度强耐高温等方面，世界航空工艺不断突飞猛进，对航空产品的要求度也在不断提升，需要研发制造人员填补工艺技术上的不足之处。

本课题将学习研究实验室的精密和超精密加工工艺方法，并将其转移到航空制造领域，实现精密加工工艺方法在航空领域的工程应用，填补铝镁合金齿轮箱产品加工技术空白，提高航空变速箱制造水平。

1航空机匣壳体衬套加工要求
正如常见到的两种加工方法，车削加工和镗削加工法用于航空发动机机匣设备使用，航空发动机对零部件的精度有超高要求，所以对磨削的工艺有着严苛加工制约。

在磨削硬度材质高且表面粗糙的金属时，磨削的加工工艺有了最大化的展现，对于低硬度的金属，磨削工艺无法展现切加工效果有待提升。

过去使用的镗削技术运用到加工这种材料所生产的零件上。

如今，航空发动机性能不断的提高，重量相比过去有了很大的减少，精密度加工在依叶盘、叶环、空心叶片和对转涡轮等整体新颖结构的同时，将会符合硬金属的先进材料。

传统的航空发动机材料再加工工艺仍然可以进一步发展，但它的发展空间已经不大了，很难满足未来航空发动机更加苛刻的温度和重量要求。

中国在这个领域未达到世界领先水平，加工工艺发展有着较难的瓶颈。

本着对精密加工的深入研发和创新，使复合金属在作为零部件的磨削技术得到显著效果，使得更多粗糙度低精度水平高的航空齿轮箱零件的加工向世界先进水平看齐。

2精密镗削加工技术的应用研究
2.1刀具的准备
在刀具采用单晶金刚石（天然）在同等条件下加工，再加工低硬度金属材料的过程中，同样使用车削方式。

这种方式使得低硬度金属材料零件的粗糙度加工到纳米级，的过程中，零件的粗糙度可以达到纳米级。

采用这种车削方法，机床的床身为基准体，工件为回转体，可实现高线速度，其优缺点明显，加工表面精度高和加工部分结构单一，适用于车削特征零件的加工。

镗削技术的加工工艺，是低硬度金属零件粗糙度降低，为航空机匣提供了原材料。

精密车削的加工方式替代传统镗削加工方式，加工过程中该刀具为旋转体，明显的优式是可以完成套管孔系的特征尺寸加工，镗刀尖线速度低是加工工艺存在的弊端，会给加工零件的表面质量带来一定影响。

即使在这种加工条件下，零件的理论表面粗糙度等级也可以达到精度等级。

2.2工艺试验内容
2.2.1试验件的精密加工
车床上进行铜棒外径精密车削加工，使用工作刀具直线运动或者曲线运动来改变空白的形状和大小，以满足加工后零件表面粗糙度等级要求。

车削是在车床上通过单晶金刚石为钻探工具以旋转的方式，来切削零部件。

车削工艺里面切削主题要是结晶金刚石钻探工具。

精密车削在生产中起着非常重要作用，最基本、最通用的切断方法是为旋转面提供适合车削加工。

旋转面的工件的精密度，通过内周面和外筒面、内面、外圆锥面、端面、凹槽、螺丝、旋转成形面等精密的切削加工。

2.2.2试验件的检测
追求铜棒试件精密度为镜面光度，目视检查其铜试棒表面配合用光学粗糙度仪，检测粗糙度数值Ra0.122。

实验室的工作人员对镗削加工的零件目视检查，外观已达到精密等级度。

对此还需以接触式粗糙仪检测结果为准，其数值为Ra0.145.
2.3试验结果
2.3.1精密级加工刀具
在车床上加工的各种钢制零件具有良好的韧性。

车削过程刀具损坏和保护措施尤为重要，产生的切屑具有丰富的塑性卷曲和尖锐边缘。

高速切割钢制零件时，会形成炽热的长切屑，极易伤人。

如有必要，应停止拆卸，但不得用手拆卸或折断。

为了防止切屑造成损伤，通常采取断屑、切屑流量控制和各种防护挡板等措施。

2.3.2精密级加工工艺
传统机器设备加工已无法满足航空航天零部件所要求精密度，改善复合低硬度金属材料在加工时粗糙度等级，去深入研究镗削加工和车削加工制作工艺，以报告理论结合目前实际生产水平，争取达到精密级粗糙等级（Ra≤0.2）。

2.3.3型号制造难题解决
航空发动机属于飞机心脏，附件机匣是用于航空发动机传输的齿轮箱型传递装置。

为了向多个发动机附件[1]传递动力，有多对齿轮网状传输机制。

壳材料通常是铸造镁合金或铸造铝合金，以降低铸造齿轮箱的质量。

同时，使用刀具有可变壁厚和合理的苯乙烯分布结构的壳体来改善壳刚度和轴承容量。

受轴承负载和变速器附件安装弯曲力的影响，壳体必然具有一定程度的弹性，较大弹性影响齿轮传动精度，降低齿轮接触强度，疲劳工作缩短使用寿命，导致齿轮箱异常磨损。

根据航空发动机的推力和重量比的提高，在高速、重量负荷、轻量化的方向上，还开发了辅助齿轮箱。

目前采用了以往的钻孔加工方法，表面粗糙度只能控制在Ra0.9～Ra2.0，不满足设计要求。

为更好推动航空零部件技术生产工艺，可将试验结果直接应用于产品处理这一研究项目中，加快提升航空产品的制造技术课题。

2.3.4有限元计算
附件机匣是由前壳体、中壳体和后壳体3部分组成，螺栓连接是由螺栓孔、过渡圆角、倒角、油路孔、喷嘴等，面对较为复杂的机匣结构，融入有限元计算方式，通过数据进行分析对比，排除微小细节化副体，全面优化突出壳体最基础特点以及工作模式，化繁为简构造壳体模型。

2.5量评估
如果轴承座孔倾斜，轴承的内外圈会发生偏移，轴承内部的滚动不会在理想状态下移动，轴承的实际使用寿命会缩短，错位过大，轴承会过早失效。

由于箱体重量大，轴承可能会移动，齿轮轴可能会倾斜，并且齿轮轴可能会因平行度误差大而移动。

齿轮的承载能力和传动过程中的振动噪声，都是对齿轮位置正确位置有效考量。

因此，既需要考虑热状态下外壳的工作状况，又需使用三坐标测量仪测量外壳各套孔位置的数值进行比对。

另外，用机箱计算各轴承中心孔位置处的位移变化量，计算各齿轮轴的偏角和平行度，对案例情况进行评估。

3精密镗削加工技术的优化
3.1工装夹具的调整
零件高效率的生产加工决定了生产工序和工艺走向，实验人员通过零件夹紧方式和工艺系统的刚度，再对对现有镗孔夹具的分析得出该工序的夹具极限尺寸与镗轴向孔工艺相同，并且这两个工艺可以共用一个夹具。

这个夹具有一个正式的夹具编号。

在保障科研结果的前提下，还保证了夹具的最理想工作形态。

3.2工艺性分析及加工方法的优化
最初的镗孔加工是在四坐标加工中心完成的。

90年代生产设备推出的280镶叶的精密直径孔形状有特定要求，孔径公差为0.018，位置公差为0.1，孔内外均有台阶，加工难度很大。

原加工过程为击点→钻孔→钻孔→铰链→沉孔内腔台阶→镶嵌外腔台阶孔。

特别是型腔内的楼梯孔按原加工方法采用反锪加工。

技术人员改进了这个薄弱的部分。

在实施运行时是否可以将外侧面的锪孔加工改为台箱内侧面的正铣加工，但这需要以下一些条件：
（1）齿轮箱内径足够大，使主轴头可以进入齿轮箱内腔。

（2）加工中心由卧式变为立式，但可通过配备主轴直角转换头来完成立、卧式转换，从而达到齿轮箱内腔正铣孔加工的目的。

德国五坐标加工中心其镗削工艺为目前领先水平，由科研人员经试验研究，可以应用为主要生产设备。

不是所有设备都具有正铣孔的能力，博科机床是典型的立式四坐标加工中心，在生产时具有安装直角转换头的功能，使该设备可以铸造优良镗孔。

即省去了装刀头和卸刀头两个不必要的非接触部分的加工环节。

真正提升了生产力，从以前的半手工加工，到工序的加工完全实现真正的自动化，实现质的飞跃。

3.3精密孔内表面粗糙度改善方法
径向孔的粗糙度Ra为0.8。

这对280个径向孔抛光修复要求极高。

原工艺方法是半手工制作，加工孔内壁出现划痕。

需要增加工作人员手工抛光，才能使加工工艺满足设计要求。

减少生产力加大高品质精密零部件的生产，是研究人员的生产方向。

针对各铰刀厂家的资料，尝试选用可转位硬质合金机夹铰刀。

这种铰刀只有单刃，齿数比标准铰刀少，但增加了容屑空间和齿强度，使切屑向下排出，不会产生摩擦，不会刮伤孔壁。

因此，可以一次性使加工孔的粗糙度合格，无需抛光即可达到Ra1.6的设计要求。

3.4孔加工选用刀具及切削参数
经研究发现，在工作运行中造成刀具过快老化的原因之一就是钛合金，它最显著的一个特点加工时系数小，滑动摩擦阻力大，加工路程较远切削压强高。

与此同时，钛合金的弹性摩量小，用于零部件生产时存在这震动强噪音大，零部件粗糙度难以把控，使其产品精度降低。

结合上述论证，钻孔加工使用单晶金刚石（天然）为刀具最适合。

3.5壳体试验
所有类型的附件都固定在齿轮箱中，并在运行过程中为附件提供动力。

每个附件的安装座承受力不同。

由于每个附件的传递扭矩的作用和每个附件的重量而产生的弯矩有差异。

通过计算分析，附件重量引起的弯矩对齿轮箱几乎没有影响。

因此，在机匣静力试验中，只对各附件的安装位置施加工作扭矩，忽略所附弯矩的影响。

测试方法和程序：
（1）根据发动机的实际装配情况，将附件变速箱固定在试验台上；
（2）将千分表安装在壳体的轴承孔中，将试验前的指示器置零，进行试验在其中记录初始值；
（3）杠杆重量用于在所附齿轮箱的每个安装座上加载。

又因负载为30米的额定扭矩值，读取仪表并记录数值；（4）在每个安装座上卸下负载，存储30秒，读取仪表并记录增加值。

（5）试验测量结果为壳套孔应力位置点的径向位移。

同时提取同一位置点的位移计算结果，半径变为正。

由于千分表数量有限，只能测量较大的位置点。

结果发现中间壳的测试值和计算值有很大的差异。

分析结果表明，中间壳是齿轮箱的主壳，第5轴和第6轴的壳轴向尺寸较大，壳为薄壁结构，无刚性。

因此前壳的轴向尺寸相对较小，有限元建模是将前壳、中壳、后壳构造成一个整体结构，对许多中间壳的影响较大。

但由于计算结果的大小与测试结果基本匹配，因此可以判断测量方法基本合适。

4结语
发展为第一目标，实践作为第一生产力，实验室人员研发时综合考虑齿轮、轴、轴承和壳体等零件的生产技术标准，我国近20年来航空航天事业的腾飞，不是单单提高发动机的性能，而是更加重视综合性的生产规模及运作模式。

现代企业中掌握核心技术至关重要，从材料复合金属到壳体结构优化，既要总合计算考量，又要标准化分析，接轨世界领先研究、生产、运营模式。

为航天航空提高水平能量。

参考文献：
[1]张同，孙淑玲，袁方.精密薄壁衬套类零件的工艺改进及高效加工[J].中国新技术新产品，2014（18）：100.
[2]李宁宁，林博.某型机匣轴承衬套装配工艺的研究[J].科技创新与应用，2018（3）：61-62.
[3]徐秉铨.航空制造工程手册- 发动机机械加工[M].北京：航空工业出版社，1997，12.
[4]郭洪.航空制造工程手册-工艺检测[M].北京：航空工业出版社，1993，12.。