复合加工技术在薄壁机匣加工中的应用

复合加工技术在薄壁机匣加工中的应用

近年来航空发动机的性能及设计结构在不断改进和提高。随之而来，发动机机匣零件的材料、结构也发生了很大的变化，越来越多的难加工材料，像钛合金、高温合金、不锈钢、硬质合金以及复合材料等被采用。机匣设计结构也越来越先进，整体结构机匣、单一机匣所具有的功能也越来越多，因此，机匣零件的制造成形难度也越来越大。

标签：复合加工；机闸加工；铣车

随着航空制造技术的发展，新一代飞机发动机的机动性、灵敏性、可靠性大幅提高，高性能飞机发动机大量采用了整体、薄壁复杂结构及难加工材料零件，复杂整体薄壁结构的采用，减轻了发动机零部件的重量，有利于提高发动机推重比，但同时也增加了加工难度。机匣一般是一个圆柱形或圆锥形的薄壁筒体，主要起承力和包容作用，而且对不同段机匣的要求不一样。涡轮机匣通常是带有安装边的圆柱形或截锥形壳体，其前后安装边分别与燃烧室机匣和动力涡轮前的中间机匣连接，涡轮机匣上作用有扭矩、轴向力、惯性力和内环压差力等。

近些年，在航空发动机机匣加工领域，具有复杂外型面的整体结构机匣，其外型面的成形加工是普通机械加工工艺所不能实现的，只有应用多轴数控加工技术才能实现复杂外型面的成形加工。但在加工过程中存在着刀具费用高，加工效率低，设备占用量大。针对多年来生产中的加工难题，寻求品质的提升、效率的提高、成本降低的途径和方法，运用特种加工技术——电火花加工技术和电解加工技术，同时结合现代数控加工技术，通过对典型结构机匣外型面大量的基础试验研究，取得了良好的加工效果，在保证工艺要求基础上，满足了生产高效益的需求。

1 机匣加工和复合加工技术

1.1 机匣电铣加工技术

机匣型面的成形，国内通常是通过在多轴数控铣削设备上加工完成的。该零件外环形面共分二级，分布有二条环形凸缘，下部有1个纵向小凸缘，两个纵向凸缘对称分布。由于机匣毛坯是自锻件，加工余量很大，且零件材料难切削，为了保证尺寸加工精度和表面加工质量，防止加工后零件变形。其外型面加工分层、分块进行，采取合理的走刀路径，采用对称的切削加工余量。分几次走刀加工到最后尺寸的方法，以减少加工后的变形。因此，该机匣加工划分三个主要阶段并附加特征工序热处理，以去除材料内应力，防止零件变形。

火花高效放电铣电火花高效放电铣加工技术原理。电火花高效放电铣借鉴了数控铣削加工方式，采用简单的超长铜管做工具电极，由导向器导向，在工作中电极作高速旋转，在电极与工件之间施加高效高频脉冲电源，电流高达上百安培，对加工区施以冲、浸工作液进行有效冷却排屑，通过专用数控系统控制工件与电

极之间的相对运动轨迹，在电极与工件之间产生高效脉冲放电，加工出所需工件的形状，实现零件复杂型面的高效去余量加工。

电火花高效放电铣加工工艺特点。①可以加工特殊及复杂三维型面的零件。

②加工過程中由于大电流放电作用，增大零件表面的显微裂纹和再铸层厚度。③脉冲放电持续时间较长，脉冲额率高，增大表面粗糙度值，降低加工精度，材料被加工表面热影响范围太，加工中易产生拉弧烧伤工件表面。④加工效率比普通电火花加工高，可以达到2000mm3/min。⑤采用水质工作液，安全无污染并提高加工效率。⑥与数控加工中心比较，设备的成本相对较低。

1.2 机匣复合加工技术

航空发动机零件的整体化、结构化、轻量化是大推比发动机的重要设计特性之一。在整体结构零件设计上基本上融合了原来两个单体零件，盘和叶片的加工难度。车铣复合加工中心适合加工以车削工艺为主，铣削工艺为辅的零件。五轴车铣复合加工中心的B轴摆头车削技术，对于加工航空发动机零件中一些形状复杂的半封闭型腔凸显出相当大的优势，是近年来发展较快的新技术。一些机床厂家已经将该项功能作为出售机床的标准配置之一。

2 整体环形机匣铣车复合加工工艺方案

2.1 总体方案

外机匣工艺分析发现，由于该机匣壁厚较薄，属于典型的整体环形机匣，在车加工后会产生一定程度的变形，通常机匣件车加工后，再安排前后安装边及径向安装座孔的加工，这样会造成零件二次装夹找正的困难，二次装夹找正的误差会影响精密定位孔加工的位置度，很难保证加工质量。航空发动机机匣空间曲面形状较复杂，难切削材料，零件表面要求无再铸层，无裂纹，加工去除余量大，加工精度要求相对低。机匣加工要求有足够的加工效率。这就需要选择适宜的工艺方法，使加工周期缩短，妥善地解决这矛盾，扬长避短，相得益彰。从理论上讲电火花高效放电铣蚀除机理的电热过程是导致诸多表面裂纹，表面再铸层形成的重要环节。而且产生过程难于人为控制，且刀具铜电极损耗也较大，为了提高效率必须加大脉宽电流，从而使加工表面再铸层、微裂纹更加加深，表面粗糙度值加大，反之生产效率相对较低，该工艺只适用于加工形状复杂的三维曲面单件加工。而电解加工是小间隙电化学反应过程，零件表面无冷、热硬化层、无塑性变形、无显微裂纹、无应力、表面粗糙度值低，因此电解加工后零件无中间热处理的周转过程，简化了工艺过程。

2.2 铣车复合加工工艺路线

铣车加工工艺的编制原则：尽量在一次装夹下完成零件多个方向工位的加工。按照上述的铣车复合工艺编制方法与原则，其工艺路线的设置可采用如下方式：主轴装卡棒料→粗车叶轮外部轮廓→精车外部轮廓→五轴铣削开槽→流道粗加工→流道半精加工→流道精加工→钻孔→背主轴装卡→车削叶轮底部平面→

钻孔。可以看出，一次装卡即完成全部叶轮加工工序，加工效率及精度可以得到大幅提高。对于具有双刀架的车铣加工中心，双刀塔的设备都具有双通道的控制系统，上下刀架可单独控制，同步加工可以通过代码中的同步语句来实现。为充分发挥设备的加工能力，可以在加工条件允许的前提下，通过双刀架的同步操作实现零件的多个工序同时加工。可以通过上下刀架的同步设置，在粗车外形的同时完成内孔的粗镗加工，从而进一步提高加工效率。

2.3 铣车复合程序的编制

根据铣车复合加工中心数控编程的特点分为铣加工和车加工两种模式，铣加工模式为DM_MILL，车加工模式为DM_TURN。在编制五轴联动铣加工程序时，需要激活五轴加工刀尖跟踪功能，数控加工路径前瞻功能G64和加工轴同步协调功能FGROUP。在编制数控车加工程序时，需要使用德马吉五坐标加工中心的平衡功能，在机床屏幕指示的配重位置，按系统提示的重量配置相同重量的配重块，保证车削系统平衡。采用铣车复合加工技术，实现了车、铣、钻、镗多工序合并加工。

3 结束语

航空发动机机匣空间曲面形状较复杂，难切削材料，零件表面要求无再铸层，无裂纹，加工去除余量大，加工精度要求相对低。机匣加工要求有足够的加工效率。这就需要选择适宜的工艺方法，使加工周期缩短，妥善地解陕这矛盾，扬长避短，相得益彰。对于机匣的加工，采用几种加工工艺相结合的方式，达到优势互补，提高加工的质量和加工的效率，为加工出优质的机匣探索出一条全新的道路。面对我国加工技术相对落后的情况下，更应探索新的加工方式，开拓进取，创新是永恒的主题。

参考文献

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