论文部分内容阅读
摘要：近年来，随着航空发动机的性能及设计结构在不断改进、不断提高，发动机上机匣类零件的材料、结构也发生了很大的变化，越来越多的难加工材料和复合材料被采用，机匣设计结构也越来越先进、精巧，零件的结构相应的变得复杂。因此，机匣件的制造难度越来越大，这就要求制造机匣零件的工艺方法也需不断改进，传统的机械制造方法已经难以满足要求。现在，越来越多的先进制造技术用在了机匣件的制造上。本文主要针对国际业务产品中的RR公司高温合金类机匣的铣外形工序进行的专业研究，目标是使机匣零件在加工当中满足加工效率高，尺寸特性质量稳定可控、减小变形因素影响形位公差特性、减少刀具损耗提高经济性等等。
关键词：机匣零件、减震工装、刀具轨迹、陶瓷刀具
0 引言
当今世界发达国家的航空制造技术水平一直处于国际领先地位，转包业务作为公司对外合作的窗口，成为向国外企业学习航空制造技术的有效途径之一。罗尔斯·罗伊斯（简称“罗罗公司”）是全球领先的动力系统公司，与GE公司一起被称为发动机双雄。罗罗公司是欧洲最大的航空发动机公司，也是世界三大航空发动机公司之一。该公司为陆地、海洋和空中提供各种动力装置，其核心燃气涡轮技术在世界上创立了最广泛的航空发动机产品系列。目前罗罗公司在全球拥有600多家航空公司、4000家公务机、通用飞机和直升机用户以及2000多家船舶用户，目前有55000台发动机在世界150多个国家的500多家航空公司、2400家公务用户、160多家武装部队的固定翼和旋翼飞机上服役。罗罗公司在中国开展业务已经历时40余载，中国是该公司的航空、船舶和能源产品的重要市场，也是～个重要性不断提高的制造伙伴。我公司与罗罗公司的合作始于2000年，在合作初期，我公司承接的零件大部分是一些比較简单的环形件。通过近几年的业务往来，我公司与罗罗公司逐步建立了良好的合作伙伴关系。长期以来，由于国航空发动机机匣变形控制工艺研究外航空企业对中国的航空制造技术保密，在转包合作过程中，一直没能涉猎作为航空发动机核心零件的机匣件、盘类零件等的加工，随着与罗罗公司合作的渐入佳境，我们终于赢得了该公司高压压气机机匣零件的加工订单。作为与国外先进航空发动机制造企业合作的转折点，与RR公司机匣零件的合作有着不同凡响的重要意义。
1 机匣零件的加工变形机理
1.1材料力学性能和加工工艺性与变形的关系
变形：作用力引起的结构或构件中各点间的相对位移。变形分为弹性变形和塑性变形。
弹性变形…… 载荷撤除后，可完全恢复的变形。
塑性变形一……载荷撤除后，不可恢复的变形。
在实际的零件加工过程中，以上两种变形均存在并对零件的最终尺寸形成起到一定的作用。
1.2机械加工产生的内应力
构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为钱留应力或残余应力。
残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持甲衡而存在的应力。
凡是没有外部作用，物体内部保持自相甲衡的应力，称为物体的同有应力，或称为初应力，亦称为山心力。
残余应力是一种固有应力。
残余应力的存在状态时随材料性能、产生条件等的不同而异，分类的方法也不一致。若按残余应力作用的范围来分，则可分为宏观残余虚力与微观残余应力等两人类。
宏观残余应力又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的.它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量。
微观残余应力：微观残余应力属于显微事业范围内的应力。依其作用的范围，又可细分为两类：即微观结构应力，或称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分巾的；晶内亚结构应力，又称为第三类残余应力，它是在个晶粒内部作用的。
2 机匣零件的工艺性分析
2.1零件结构分析
机匣零件最大外圆直径为700mm，零件总高度为280mm，零件壁厚最薄处为3.5mm。零件外围有大小岛屿特征近20处，岛屿表面分布各种孔探仪孔和固定用螺纹孔。零件内分布三层花边，五处T形槽。
2.2零件材料特点
零件材料为MSRR7209（相当于Inconel 718），属于高温合金，毛料供应状态为固熔状态，成品零件为固溶时效状态。
Inconel718镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高温合金属于高硬度、高强度、耐腐蚀、耐高温的材料，其加工性能如下：（1）刀具磨损剧烈，在高的切削温度下，刀具将产生严重的扩散磨损和氧化磨损。（2）加工硬化现象十分严重，已加工表面硬化后，切削更加困难.（3）切屑硬而韧，不易折断，造成切削过程中切屑处理困难。（4）由于材料硬度高、强度高，即使在较高的温度内，仍能保持相当高的硬度和强度，因此切削力非常大，切削力约为一般钢材的2～3倍。（5）导热系数低，导热性很差，切削热集中在刀尖附近，不易散出，使切削温度高。（6）高温合金中金属间化合物Y’相的含量越多，高温合金的切削加工性越差。
3 零件的工艺方法
3.1减震工装的使用
由于零件属于薄壁透平机械加工，在机械加工过程中零件的结构刚性处于较弱的水平。这一结构使得零件在切削过程中会由于刀具的冲击力而产生振动，这种振动会直接影响刀具的使用寿命和切削质量，也会使刀具的切削参数大大降低。为了减少、消除这一不利因素，RR机匣工艺采用了先进减震工装。原理如下：
如图2所示，零件的辅助减震支撑在零件内表面S，正对零件外表面铣加工部位。使刀具切削受力部位与零件内部支撑部位相对应，从而产生辅助涨力来抵消掉刀具在外部产生的震动冲击。铣外形工序的工装图如下图所示： 图中所示的涨紧机构在使用过程中，具有操作方便、支撑部位准确、受力均匀、弹性收紧、压紧防护细致周到、角向定位精确装夹快速，以及便于维护等诸多优点。它的使用使得零件的震动因素基本消除，使薄壁透平机械加工转化为常规强刚性结构加工。彻底规避了航空产品零组件因为薄壁结构带来的易变形、刀具受力环境差、加工效率低下等缺点。在加工过程中刀具的加工参数取得了质的飞跃，线切削速度平均提高到原有的2倍以上，加工进给率提升2倍以上。
同时为了得到较高的批量生产能力，夹具的高效精密定位也是必不可少的。在上图所示右侧是夹具的精密径向定位销（如下图），在每次更换零件的过程中需要对零件进行角向定位校准。在夹具角向位置已经确定的基础上，零件以自身的径向孔与夹具径向定位销精密配合的方式实现了零件的角向精密定位。将零件的装夹时间节约了近3个小时，在批生产首件结束后每个零件的装夹时间只需要30分钟。
3.2高效率切削刀具及走刀方法的使用
3.2.1陶瓷刀具在粗铣工步的应用：
陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。目前已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基和氮化硅基两大系列，有40多个品种，200多个牌号。陶瓷刀具具有很高的硬度，可达93"-'95HRC，具有很好的耐磨性，高溫性能好，在1200℃高温下仍能进行切削，具有良好的抗粘结性能，化学稳定性好，摩擦系数低于硬质合金。陶瓷刀具适于加工高硬度材料，陶瓷刀具主要缺点是强度和断裂韧性较低，脆性较大，导热性差，抗热震性不高。
在传统军品零件的加工过程中，对于高温合金类零件仍然采用硬质合金材质的刀具进行粗铣毛坯大余量，刀具切削线速度只能达到70-90m/min。在采用陶瓷刀具加工后，切削线速度可达到650m/min以上，加工效率提高了接近8倍。同时刀具的切削深度可达到3.5mm，可实现100%刀具宽度的加工。
3.2.2重载荷刀具的应用
该类型刀具可以将普通硬质合金铣刀的每齿进给量由通常的0.05mm-0.18mm，提高到0.5mm-0.9mm。使进给率在线切削速度不变的情况下提高近5-10倍。
3.2.3偏半径加工方式的采用
偏半径加工机匣外壁，提高机匣表面的尺寸精度。这种方法改变了传统偏置刀具半径使用刀具外侧刀刃加工的方法。但却保留了避免机匣表面因刀具中心切削线速度低而导致的“让刀”现象的优点。如图将刀具向右方向偏移5mm：
刀具中心部位切削线速度趋近于0；将刀具的有效切削点偏移到旋转中心以外改变了刀具的实际切削部位，规避刀具中心刃的不合理切削使得刀具的使用寿命进一步增加。零件的切削质量进一步提高，有利于表面光洁度的完整性。这种方式既保证了刀路轨迹大为缩短，有保证了机匣表面的平整无接刀台阶出现。刀具始终保持端面以平面的方式切削机匣表面，得到完全平整的表面。
3.2.4切向进刀切入加工
刀具在机匣外表面采用零件周向铣加工即“车铣”方式的时候，刀具在零件表面沿周向环绕。这时在刀具的初始进刀方向上采用和刀具周向运动圆弧轨迹相切的方式开始切削加工，
刀具始终保持受力方向不变，不会产生因为方向突变导致的瞬间受力变化。这对刀具的加工平稳性有很大好处，避免了因为数控编程加工轨迹出现的折线、拐角所产生的进给矢量的非连续变化。刀具始终处于平稳的受力状态，有利于增加刀具的使用寿命和零件加工表面质量。
4 结果
该产品铣外形工序目前已由传统的45小时的加工周期将为18小时。加工质量稳定，关重特性尺寸cpk评价已达到了1.3。加上其余部分工序如N210钻孔铣小端槽、N220钻孔铣大端内部花边已达到了部分无人干预加工状态，年产量在300件左右，成为了分厂主要创汇产品。
机匣零件的加工变形、效率问题一直是当前机匣加工领域的一个重要研究方向，是现代制造技术研究中不可或缺的重要内容，代表着制造业的发展趋势和方向。本文以机匣零件为研究对象，通过对零件的加工方法、加工刀具的选择、数控加工走刀路线设计及降低零件加工震动因素等方面的分析，总结如下：
通过采用先进的工装消除结构性不足带来的负面影响，采用新型高效率切削刀具和科学的走刀路线增加加工效率，增加刀具的使用效率和寿命。从而提高了零件加工效率与质量，降低了刀具的使用成本。这一成果值得在广大的航空发动机机匣类零件工艺制造的过程中予以推广，可以使我们现有的制造水准达到国际先进水平。
关键词：机匣零件、减震工装、刀具轨迹、陶瓷刀具
0 引言
当今世界发达国家的航空制造技术水平一直处于国际领先地位，转包业务作为公司对外合作的窗口，成为向国外企业学习航空制造技术的有效途径之一。罗尔斯·罗伊斯（简称“罗罗公司”）是全球领先的动力系统公司，与GE公司一起被称为发动机双雄。罗罗公司是欧洲最大的航空发动机公司，也是世界三大航空发动机公司之一。该公司为陆地、海洋和空中提供各种动力装置，其核心燃气涡轮技术在世界上创立了最广泛的航空发动机产品系列。目前罗罗公司在全球拥有600多家航空公司、4000家公务机、通用飞机和直升机用户以及2000多家船舶用户，目前有55000台发动机在世界150多个国家的500多家航空公司、2400家公务用户、160多家武装部队的固定翼和旋翼飞机上服役。罗罗公司在中国开展业务已经历时40余载，中国是该公司的航空、船舶和能源产品的重要市场，也是～个重要性不断提高的制造伙伴。我公司与罗罗公司的合作始于2000年，在合作初期，我公司承接的零件大部分是一些比較简单的环形件。通过近几年的业务往来，我公司与罗罗公司逐步建立了良好的合作伙伴关系。长期以来，由于国航空发动机机匣变形控制工艺研究外航空企业对中国的航空制造技术保密，在转包合作过程中，一直没能涉猎作为航空发动机核心零件的机匣件、盘类零件等的加工，随着与罗罗公司合作的渐入佳境，我们终于赢得了该公司高压压气机机匣零件的加工订单。作为与国外先进航空发动机制造企业合作的转折点，与RR公司机匣零件的合作有着不同凡响的重要意义。
1 机匣零件的加工变形机理
1.1材料力学性能和加工工艺性与变形的关系
变形：作用力引起的结构或构件中各点间的相对位移。变形分为弹性变形和塑性变形。
弹性变形…… 载荷撤除后，可完全恢复的变形。
塑性变形一……载荷撤除后，不可恢复的变形。
在实际的零件加工过程中，以上两种变形均存在并对零件的最终尺寸形成起到一定的作用。
1.2机械加工产生的内应力
构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为钱留应力或残余应力。
残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持甲衡而存在的应力。
凡是没有外部作用，物体内部保持自相甲衡的应力，称为物体的同有应力，或称为初应力，亦称为山心力。
残余应力是一种固有应力。
残余应力的存在状态时随材料性能、产生条件等的不同而异，分类的方法也不一致。若按残余应力作用的范围来分，则可分为宏观残余虚力与微观残余应力等两人类。
宏观残余应力又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的.它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量。
微观残余应力：微观残余应力属于显微事业范围内的应力。依其作用的范围，又可细分为两类：即微观结构应力，或称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分巾的；晶内亚结构应力，又称为第三类残余应力，它是在个晶粒内部作用的。
2 机匣零件的工艺性分析
2.1零件结构分析
机匣零件最大外圆直径为700mm，零件总高度为280mm，零件壁厚最薄处为3.5mm。零件外围有大小岛屿特征近20处，岛屿表面分布各种孔探仪孔和固定用螺纹孔。零件内分布三层花边，五处T形槽。
2.2零件材料特点
零件材料为MSRR7209（相当于Inconel 718），属于高温合金，毛料供应状态为固熔状态，成品零件为固溶时效状态。
Inconel718镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高温合金属于高硬度、高强度、耐腐蚀、耐高温的材料，其加工性能如下：（1）刀具磨损剧烈，在高的切削温度下，刀具将产生严重的扩散磨损和氧化磨损。（2）加工硬化现象十分严重，已加工表面硬化后，切削更加困难.（3）切屑硬而韧，不易折断，造成切削过程中切屑处理困难。（4）由于材料硬度高、强度高，即使在较高的温度内，仍能保持相当高的硬度和强度，因此切削力非常大，切削力约为一般钢材的2～3倍。（5）导热系数低，导热性很差，切削热集中在刀尖附近，不易散出，使切削温度高。（6）高温合金中金属间化合物Y’相的含量越多，高温合金的切削加工性越差。
3 零件的工艺方法
3.1减震工装的使用
由于零件属于薄壁透平机械加工，在机械加工过程中零件的结构刚性处于较弱的水平。这一结构使得零件在切削过程中会由于刀具的冲击力而产生振动，这种振动会直接影响刀具的使用寿命和切削质量，也会使刀具的切削参数大大降低。为了减少、消除这一不利因素，RR机匣工艺采用了先进减震工装。原理如下：
如图2所示，零件的辅助减震支撑在零件内表面S，正对零件外表面铣加工部位。使刀具切削受力部位与零件内部支撑部位相对应，从而产生辅助涨力来抵消掉刀具在外部产生的震动冲击。铣外形工序的工装图如下图所示： 图中所示的涨紧机构在使用过程中，具有操作方便、支撑部位准确、受力均匀、弹性收紧、压紧防护细致周到、角向定位精确装夹快速，以及便于维护等诸多优点。它的使用使得零件的震动因素基本消除，使薄壁透平机械加工转化为常规强刚性结构加工。彻底规避了航空产品零组件因为薄壁结构带来的易变形、刀具受力环境差、加工效率低下等缺点。在加工过程中刀具的加工参数取得了质的飞跃，线切削速度平均提高到原有的2倍以上，加工进给率提升2倍以上。
同时为了得到较高的批量生产能力，夹具的高效精密定位也是必不可少的。在上图所示右侧是夹具的精密径向定位销（如下图），在每次更换零件的过程中需要对零件进行角向定位校准。在夹具角向位置已经确定的基础上，零件以自身的径向孔与夹具径向定位销精密配合的方式实现了零件的角向精密定位。将零件的装夹时间节约了近3个小时，在批生产首件结束后每个零件的装夹时间只需要30分钟。
3.2高效率切削刀具及走刀方法的使用
3.2.1陶瓷刀具在粗铣工步的应用：
陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。目前已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基和氮化硅基两大系列，有40多个品种，200多个牌号。陶瓷刀具具有很高的硬度，可达93"-'95HRC，具有很好的耐磨性，高溫性能好，在1200℃高温下仍能进行切削，具有良好的抗粘结性能，化学稳定性好，摩擦系数低于硬质合金。陶瓷刀具适于加工高硬度材料，陶瓷刀具主要缺点是强度和断裂韧性较低，脆性较大，导热性差，抗热震性不高。
在传统军品零件的加工过程中，对于高温合金类零件仍然采用硬质合金材质的刀具进行粗铣毛坯大余量，刀具切削线速度只能达到70-90m/min。在采用陶瓷刀具加工后，切削线速度可达到650m/min以上，加工效率提高了接近8倍。同时刀具的切削深度可达到3.5mm，可实现100%刀具宽度的加工。
3.2.2重载荷刀具的应用
该类型刀具可以将普通硬质合金铣刀的每齿进给量由通常的0.05mm-0.18mm，提高到0.5mm-0.9mm。使进给率在线切削速度不变的情况下提高近5-10倍。
3.2.3偏半径加工方式的采用
偏半径加工机匣外壁，提高机匣表面的尺寸精度。这种方法改变了传统偏置刀具半径使用刀具外侧刀刃加工的方法。但却保留了避免机匣表面因刀具中心切削线速度低而导致的“让刀”现象的优点。如图将刀具向右方向偏移5mm：
刀具中心部位切削线速度趋近于0；将刀具的有效切削点偏移到旋转中心以外改变了刀具的实际切削部位，规避刀具中心刃的不合理切削使得刀具的使用寿命进一步增加。零件的切削质量进一步提高，有利于表面光洁度的完整性。这种方式既保证了刀路轨迹大为缩短，有保证了机匣表面的平整无接刀台阶出现。刀具始终保持端面以平面的方式切削机匣表面，得到完全平整的表面。
3.2.4切向进刀切入加工
刀具在机匣外表面采用零件周向铣加工即“车铣”方式的时候，刀具在零件表面沿周向环绕。这时在刀具的初始进刀方向上采用和刀具周向运动圆弧轨迹相切的方式开始切削加工，
刀具始终保持受力方向不变，不会产生因为方向突变导致的瞬间受力变化。这对刀具的加工平稳性有很大好处，避免了因为数控编程加工轨迹出现的折线、拐角所产生的进给矢量的非连续变化。刀具始终处于平稳的受力状态，有利于增加刀具的使用寿命和零件加工表面质量。
4 结果
该产品铣外形工序目前已由传统的45小时的加工周期将为18小时。加工质量稳定，关重特性尺寸cpk评价已达到了1.3。加上其余部分工序如N210钻孔铣小端槽、N220钻孔铣大端内部花边已达到了部分无人干预加工状态，年产量在300件左右，成为了分厂主要创汇产品。
机匣零件的加工变形、效率问题一直是当前机匣加工领域的一个重要研究方向，是现代制造技术研究中不可或缺的重要内容，代表着制造业的发展趋势和方向。本文以机匣零件为研究对象，通过对零件的加工方法、加工刀具的选择、数控加工走刀路线设计及降低零件加工震动因素等方面的分析，总结如下：
通过采用先进的工装消除结构性不足带来的负面影响，采用新型高效率切削刀具和科学的走刀路线增加加工效率，增加刀具的使用效率和寿命。从而提高了零件加工效率与质量，降低了刀具的使用成本。这一成果值得在广大的航空发动机机匣类零件工艺制造的过程中予以推广，可以使我们现有的制造水准达到国际先进水平。