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航空发动机机匣加工技术探讨

2020-03-11王铁海

科学与财富 2020年34期
关键词:机匣加工航空

王铁海

摘 要:作为航空器心脏的关键组成部件,航空发动机机匣在制造业领域具备非常特殊的地位, 本文讨论了优化航空发动机机匣加工技术的意义,指出了机匣加工工艺优化的目标,最后,分析比较了几种不同的航空发动机机匣加工工艺。

关键词:航空;发动机;机匣;加工

1.优化航空发动机机匣加工技术的意义

飞机已经成为全世界普遍使用的交通工具和运输工具。在今年的新冠疫情期间,航空运输由于其高效的特点在全球范围内抗击疫情中发挥了重大作用。航空运输和交通以及与之相关的各项产业在全世界各国的地位和作用都越来越重要。

飞行器制造产业是一个国家和地区科技、制造业乃至综合实力的整体体现,与之相关联的可以有数千家企业、机构,和几十万从业人员,对一个国家的科技水平、经济发展甚至是军事安全都有着很大影响。

发动机是航空器的最核心组成部分,航空发动机的制造工艺水平代表了一个国家的科技实力和制造业实力,体现了这个国家在诸多领域内的科技水平。航空发动机机匣起到支撑起发动机的框架作用,是航空发动机不可缺少的构成部分。不同类型的航空器,所采用的发动机不同,发动机机匣也因而有着显著不同。发动机机匣种类繁多,结构多样,加工要求精度高,制造成本高,周期也比较长,航空发动机机匣的工作环境恶劣,低温、强风、高压等诸多不利于发动机机匣稳定的因素都伴随着发动机机匣的工作。随着时代的发展,现代航空器发动机的工艺水平不断提升,新设计、新结构不断涌现。各种合金、复合材料接连出现。机匣结构不断创新,所整合的功能也越来越多,越来越强大,给机匣零件也提出了更高的制造要求。与此同时,加工过程中存在的制造成本高、效率低等问题与機匣功能要求越来越高形成了尖锐矛盾。因此,不断提高和完善航空发动机机匣加工工艺对于航空器制造水平提高有着十分重大的意义。

2 机匣加工工艺优化的目标

不同工艺方案必然存在着不同的参数,优化加工工艺,就是通过确定合理参数,使制造水平达到最高,这就是加工工艺优化的目标。质量、效率、成本三者构成了互相制约互相影响的工艺优化目标。

3 几种工艺对比

3.1 多轴数控铣削

我国航空发动机的机匣型面,基本都是使用多轴数控铣削完成。发动机机匣的传统加工工艺几乎已经发展到极致,下一阶段的工艺提高必然要依靠数字化手段。数字化的工艺系统能够是一个复杂的系统,可以通过适当设置参数,使用软件调节来自动适应各种不同情况的生产实际,全面提升发动机机匣的工艺水平。数控机床就是数字化工艺的一个具体体现,数控机床甫一出现就立即引起了全球工业界的高度重视。数控机床是我国制造业不能错过的发展机遇,只有数控机床能够实现制造业的加工自动化。数控机床的发展,提出了对掌握数控技术的人才要求。今后的数控技术将不仅仅局限在制造业领域,而是会对社会的方方面面和各个行业都产生深远影响。

航空发动机机匣零件外部表面呈环形,分两部分,有两条环形带状凸起边缘,呈对称状。机匣毛坯是自锻件,加工余量较多,一般来说,机匣零件所使用的材料强度较大,难于切削,为了加工精度和质量有保障,避免零件加工失败,外型表面的加工应当分层、块进行,通过科学设计走刀路径,留好加工余量,分多次加工完成,可以有效避免材料变形。

3.2 电火花高效放电铣

电火花高效放电铣类似于数控铣削,是使用一定长度的铜质导管做为电极,通过导向装置实现稳定导向,加工时,铜质导管在高速旋转,同时在导管与机匣零件间施加高频大强度脉冲电流,加工区域以液体保持冷却、排出加工碎屑,再使用软件系统控制运动,形成加工形状,实现高效高质量加工。

电火花高效放电铣加工工艺具有以下特点。一是可用于复杂表面发动机机匣零件加工;二是加工出的机匣表面显微裂纹和再铸层厚度都比较大;三是对加工时间要求高,材料表面受电击会大量产热,易影响加工精度,甚至烧伤零件表面;四是与其他工艺相比,加工效率高;五是环境友好,无污染;六是设备成本适中。

电火花高效放电铣的放电产热会使工件表面产生裂纹、并形成再铸层,并且此过程较为随机,难于控制。此外,铜质导管会在加工过程中不断消耗,为了达到较高的加工效率有必要加大电流强度,而这又会进一步导致裂纹加深、再铸层加深。因此此工艺适用于表面形状复杂不规则的零件。

3.3 电解加工

电解加工根据零件尺寸设计加工程序,通过周期式循环,进行加工。在周期内的小间隔进行作业,大间隔进行冲洗,保障了加工精度。通过软件系统实现自动测量和反馈加工余量,自动确定加工间隙,当一个电解周期结束后,电极退回,冲洗液进行自动冲洗,排除废液。电极退回的过程中断电,可以避免过度加工。一个周期加工结束后,系统再重新评估电极位置,计算加工余量,移动电极到适当位置,再次加工,如此反复至加工结束。

电解加工工艺有以下特点。一是加工精度高,电解加工的加工间隙小,因此可以实现高精度加工;二是加工效率高,通过电极的阳极溶解反映,实现蚀除,对电流利用效率高,因此加工效率也比较高;三是杂散腐蚀减小,棱边、锐度提高;四是加工稳定性好,在电极退回过程中,电解液被自动抽吸,完成更新;五是加工表面较为光滑,质量好;六是加工难度相对较低。

与其他工艺相比较,电解加工工艺表面无温度剧烈变化、反映过程平缓,不形成显微裂纹,工艺简单,虽然不适于表面形状复杂不规则的零件,但对于加工较为简单、难度低的零件,可以大批量加工,生产效率较高。

3.4 磨粒流加工

磨粒流加工即使用加入了磨料的流体,通过高压喷射,切割、磨削工件表面,起到加工的作用。该工艺还可以优化流动系数或提高某些零件的高、低周疲劳强度。磨料流加工是指在含磨料、粘弹性化合物或磨料介质的压力下,通过夹具在待抛光、去毛刺和半径区域上来回流动。该工艺已广泛用于汽车零部件的精加工:进排气管、进气门、增压腔、喷油器、喷油嘴、气缸头、涡轮壳体和叶片、花键、齿轮、制动器等。工作时,装有零件的夹具固紧在上、下介质缸中间形成封闭的通道,磨流介质在挤压力作用下从下介质缸开始,通过欲加工工件被表面挤压到上介质缸,然后磨流介质再从上介质缸反向流过夹具、工件到达下介质缸,完成一个加工循环,选定加工参数可实现自动循环加工和自动停止。

3.5 仿真加工

航空工艺设计成本高、周期长,这两个特点不仅增加了传统工艺设计的难度,而且是传统工艺无法根本解决的。能够解决各类欧式几何或非欧几何对象的快速构造和处理问题,从而为各类生产过程的仿真提供有力支撑。因此,对发动机关键零部件传统工艺采用数字化仿真加工手段进行优化改造势在必行。工艺仿真能够在三维沉浸感的虚拟环境中真实再现一个具体的工艺过程,并且允许用户实时操作工艺设备或改变相关参数。它是产品设计与制造过程的有力辅助工具。即在开始真正加工之前,通过软件模拟出完整的加工过程,通过模拟加工过程来发现问题,清除各种错误,减少实际加工出现问题的可能性,以达到改进设计方案,完善加工过程,提高加工工艺的控制力,减少工时的目的。这要求仿真系统能够快速地构造、修改、删除各种类型的几何模型,如锻造过程的毛坯变形、石块破碎过程的石块对象生成和消亡,而目前虚拟现实系统几何模型构造、变形、破碎恰是瓶颈之一。它作用包括清除编程错误和改进切削效率 ,提高数控程序对硬材质零件、薄壁零件的切削性能。

4 结束语

航空发动机机匣表面不规则,形状多变不统一,加工使用的材料也多为强度大、硬度高的合金等,零件表面也不能存在过多、过深的显微裂纹,加工难度大、精度要求高。发动机机匣的制造一直都是航空器制造领域内的一个难题。本文分析讨论了机匣加工的几种工艺,希望能对发动机机匣的加工技术研究起到抛砖引玉的作用。各种工艺有不同的适用条件,也有不同的特点。因此,必须要根据机匣设计方案,科学选择加工工艺,设置加工参数,通过数字化手段提高加工精度,不断完善加工工艺。

参考文献:

[1]吴莉萍.航空发动机机匣零件快速建模导航工具研究[D].西北工业大学,2004.

[2]张正义.面向三维复杂零件工艺优化关键技术的研究[D].华中科技大学,2008.

(中国航发哈尔滨东安发动机有限公司  黑龙江 哈尔滨   150066)

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