航空发动机机匣加工关键工艺及其冷却技术方法研究

航空发动机机匣加工关键工艺及其冷却技术方法研究

摘要：机匣是航空发动机的关键部件，其材料主要为高温合金这类耐高温的难

加工的材料，这类结构和材料特性使在切削加工的过程中遇到很多困难，如果没

有采用科学合理的技术工艺将影响机匣的制造质量，对发动机整体性能产生影响。为此需要重点考虑加工刀具参数、工件材料、切削参数和工艺方法等。本文将从

航空发动机机匣加工技术和冷却方法的角度进行分析研究，并提出相应的设计优

化方案。

关键词：航空发动机机匣；加工制造；冷却技术

1 航空发动机机匣概述

航空发动机机匣是发动机的关键部件，其结构和形状均很复杂，且材料加工

难度大、难以保证加工制造的质量，在加工中需要克服许多技术工艺上的难点，

且需利用好数控加工的方法。从发动机机匣种类和结构特点分析来看，可根据设

计结构将机匣分成环形机匣与箱体机匣，前者又可以分成整体环形机匣与开环形

匣机匣、带整流支板的环形机匣。如果按照功能来划分，可以将机匣分成进气处

理机匣、低压压气机机匣、高压压气机机匣、轴承机匣、涡轮机匣等。根据材料

划分目前常见的有钛合金机匣、耐高温合金机匣和复合材料机匣，大多数机匣低

压部分采用的是高强度钢材料，而高压部分大多数采用的是钛合金材料。

分析发动机机匣特征发现，因为材料本身难以加工的性质以及发动机机匣结

构的特点使机匣整体加工难度较大。在材料方面的难度具体表现在，对于采用不

锈钢材料的机匣在加工中因为切削力较大且切削温度较高，所以在加工时易于出

现黏附问题，使刀具前刀面产生积屑瘤，加上材料具有塑性和韧性较强的特点，

使加表面产生撕扯。而以钛合金为主材料的机匣，在切削加工中切削变形系数无

限接近于1，在刀具前刀面滑动摩擦较大使刀具磨损加剧，影响刀具的使用寿命。此外因为材料化学活性较大、亲和力较强，所以容易出现硬化和黏刀的问题。对

于以高温合金为主材料的机匣，切削力是一般钢材的多倍，刀具磨损异常严重，

而且容易出现严重的硬化问题。加上材料导热系数较低、切削力集中于刀尖，切

屑因为韧性较大容易形成卷屑不易清除。

2 航空发动机机匣加工工艺分析

2.1 机匣参数建模

根据具体机匣结构特征进行机匣参数建模工作，因此首先要做好对机匣零件

结构的特征、形状分析。其次根据基本特征分析及其相互之间的关系和约束条件

确定形状尺寸并利用数值进行约束控制，在机体特征的基础上进一步创建附加特征。最后一面向制造为单元进行建模，利用三维设计平台快速创建复杂的参数优

化几何模型。

2.2 机匣工艺路线优化

在制作毛坯时要尽量控制加工误差，使和最终成型轮廓相似。其次做好机匣

的夹具设计，制定机匣工艺路线，先基准再其他，先粗加工后精加工，先主要零

件加工后次要零件加工，穿插进行、先面后孔。具体可加工机匣加工制造分成粗

加工、半精加工和精加工。

2.3 机匣数控刀位轨迹优化

首先在进行刀位轨迹规划时必须在粗加工阶段将机匣周围余量去除，缩短加工、提高加工效率，同时改善刀具磨损的问题。其次进行加工区域的合理划分，

以机匣为检查面制定快速高效的切削加工程序。此外对加强筋圆角和相邻过渡圆

角采用四轴联动加工，使用机匣表面刀具半径偏置面对刀位归集裁剪，制定回转

面切削加工程序。

3 机械加工冷却技术方法研究

从已有研究分析可知，切削的温度会影响航空发动机机匣的加工，如果切削

温度太高就会影响发动机机匣切削参数的优化范围，影响加工质量和加工效率。

本文从冷却技术的角度进行研究，设计一种可以内冷却的刀具结构，使用液氮冷

却的方式来降低切削的温度，从而使切削参数的优化范围得到扩大，充分发挥机

床的作用。

3.1 冷却条件对航空发动机机匣加工的影响

首先，换热系数会对切削力产生一定影响，从理论上讲，随着换热系数的增大，对切削力的影响便会降低，但是如果只是单纯地改变换热系数对于切削力的

影响程度很小。其次，换热系数会影响切削热。在其他切削参数不变时换热系数

的增大，刀具的最高温度减小趋势很小，但是刀具的平均温度下降比较明显，这

和金属加工机理有关，刀具最高温度靠近刀尖前刀面，在这附近区域刀具和工件

接触应力温度较大，采用外冷却方式无法起到降低该区域温度的作用，所以刀具

最高温度位置处基本温度不变化，但是冷却会使刀具其他位置的温度下降很快，

所以平均温度也会随着换热系数的增大而显著下降。

3.2 冷却技术方法研究

航空发动机机匣大多数使用的是高温合金比较难加工的材料，主要因为切削

温度太高，高温合金自己的热导率不高但是比热容很大，所以切削加工产生的热

量无法及时排出去。在切削加工时切削范围内的大量热量积聚，并传递到刀具中

使刀具接触点温度升高，当刀具温度太高时便会加剧刀具磨损程度。所以在进行

高温合金切削加工时必须采用相应的冷却技术方法。为降低切削加工的热量、提

高设备生产的效率和质量，保证刀具的使用寿命，改善零配件的生产加工环境，

一般的数控机床都有完备的冷却系统。该系统的作用是在机匣加工中通过降低刀

具的温度来达到控制切削流动的作用。

随着制造技术的发展，数控机床性能日益完善，同时也出现了新的工艺技术，更加注重绿色制造，对于切削冷却技术也有了更多的研究和改进优化，在此基础

上提出了液氮冷却技术方法。液氮冷却指的是将液氮导入切削加工区域，使加工

区域一直处在低温状态，可达到冷却刀具的目的。液氮冷却的应用可以是直接应用，即直接将液氮喷射到切削加工区域，另一种是用液氮先冷却加工刀具或工件，改善加工条件然后再实现对整个切削区域的优化。具体来说，液氮冷却技术具有

以下优点：首先加工的精确度较高，液氮冷却可以使大量切削热量疏散，使加工

时刀具和工件温度都保持在恒定状态，避免因为温度的急剧变化而带来的变形等

问题，使切削加工条件稳定，有利于切削加工的顺利进行，保证机械产品的质量，使机床加工精确度有效提升。其次液氮冷却可极大地降低整个切削区域的温度，

使刀具处在低温状态，从而改变了刀具的特征。在低温状态下，高温合金刀具的

强度、硬度和韧性都有效提升，使刀具性能得到优化、磨损下降，从而提升了刀

具的使用寿命。此外，液氮冷却技术在汽化后可使液氮变成氮气，相对而言，液

氮冷却比冷却剂要更加绿色环保无污染。

3.3 液氮冷却技术的具体应用

液氮冷却有直接和间接两种应用方式，直接应用指的是直接将液氮作为切削

液喷射在切削区域，因为低温控制了碳原子的扩散可大幅度降低刀具磨损程度并