基于對(duì)開機(jī)匣多凸臺(tái)環(huán)形槽的加工難點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)革新，制定數(shù)控銑削工藝總體方案。從數(shù)控刀具與切削參數(shù)選擇、切削刀路規(guī)劃兩個(gè)方面采取工藝優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)環(huán)槽刀路對(duì)凸臺(tái)的自動(dòng)避讓，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)，大幅提高了加工效率。
1 序言
對(duì)開機(jī)匣是大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承力部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)承受氣動(dòng)載荷、質(zhì)量慣性力和溫差引起的熱載荷。對(duì)開機(jī)匣材料多為鈦合金、不銹鋼及高溫合金等難加工材料，其結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半環(huán)組成，使用時(shí)通過縱向安裝邊上的螺栓和定位銷聯(lián)接成整環(huán)。聯(lián)接成整環(huán)后，對(duì)機(jī)匣前后安裝邊的圓度、孔系的位置度及安裝座平面的位置度有很高的要求。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣存在因設(shè)計(jì)、材料和制造帶來的形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料難加工、薄壁弱剛性和高去除率等特性，因此導(dǎo)致其在生產(chǎn)中存在工藝流程長(zhǎng)、加工效率低和變形誤差大等加工難點(diǎn)[1]。此外，機(jī)匣在加工過程中需要大量的工序流轉(zhuǎn)和重復(fù)裝夾，工藝參數(shù)的低適應(yīng)性會(huì)降低生產(chǎn)效率，同時(shí)由于殘余應(yīng)力和切削力等因素引起的加工變形對(duì)機(jī)匣的產(chǎn)品質(zhì)量也有不利影響[2-5]。
2 加工難點(diǎn)分析
某型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)開機(jī)匣模型如圖1所示。
經(jīng)分析，對(duì)開機(jī)匣的加工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1）機(jī)匣設(shè)計(jì)基準(zhǔn)公差小，相互位置要求項(xiàng)目多。對(duì)開機(jī)匣連接成整環(huán)后，前后安裝邊基準(zhǔn)圓度和同軸度公差小，由于采用對(duì)開結(jié)構(gòu)，在加工過程中反復(fù)拆裝，因此兩半機(jī)匣的一致性較難保證，容易產(chǎn)生應(yīng)力釋放變形，造成圓度、位置度超差。
2）外形特征多，形狀復(fù)雜。對(duì)開機(jī)匣外表面有環(huán)形加強(qiáng)筋、縱向安裝邊，將機(jī)匣外表面分割成多個(gè)環(huán)形槽，環(huán)形槽內(nèi)分布聯(lián)動(dòng)環(huán)限位凸臺(tái)、孔探儀凸臺(tái)等各種凸臺(tái)，凸臺(tái)數(shù)目多、間距小，位置分布不規(guī)律。
3）材料去除量大，材料難切削。對(duì)開機(jī)匣的毛坯多為整環(huán)自由鍛件。受機(jī)匣縱向安裝邊影響，機(jī)匣外表面環(huán)形槽內(nèi)的材料全部靠數(shù)控銑削去除，材料去除量非常大。
由于存在這些難點(diǎn)，因此對(duì)開機(jī)匣的工藝過程非常復(fù)雜。對(duì)開機(jī)匣外表面有環(huán)形槽和大量凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其外表面特征只能通過數(shù)控銑削加工，而機(jī)匣外表面環(huán)形槽加工材料去除量大，材料難加工，數(shù)控銑削效率較低。在對(duì)開機(jī)匣的加工中，數(shù)控銑削加工工作量大，占整個(gè)加工周期的50%以上。
目前已有的對(duì)開機(jī)匣加工工藝，工序過于分散，工序間余量分配不夠合理，過多依賴專用工裝、測(cè)具，加工周期長(zhǎng)、效率低。
本文提出一種對(duì)開機(jī)匣高效數(shù)控銑削加工方法，從數(shù)控銑削工藝總體方案、高效數(shù)控銑削刀路規(guī)劃兩個(gè)方面保證加工精度、提高加工效率。該方法在某型對(duì)開機(jī)匣加工中得到成功應(yīng)用，將對(duì)開機(jī)匣加工周期縮短到2個(gè)月，大大提高了加工效率。
3 數(shù)控銑削工藝總體方案
對(duì)開機(jī)匣采用對(duì)開結(jié)構(gòu)，為了保證兩半機(jī)匣良好地配合、保證設(shè)計(jì)精度，將工序分為粗加工、半精加工和精加工3個(gè)部分。在兩個(gè)加工階段之間，安排去應(yīng)力熱處理、修正端面基準(zhǔn)及修正縱向結(jié)合面基準(zhǔn)的工序。數(shù)控銑削分為粗銑外形、精銑外形和精銑凸臺(tái)平面3個(gè)步驟。
（1）粗銑外形 在粗車工序后，對(duì)機(jī)匣外形面進(jìn)行粗銑，目的是去除機(jī)匣外表面環(huán)形槽的大余量，保證材料內(nèi)部應(yīng)力得到較充分的釋放，大大減小零件在精加工后的變形。粗銑時(shí)凸臺(tái)端面留1mm余量，凸臺(tái)側(cè)面、環(huán)形槽底面及側(cè)面留0.5mm余量。
粗銑后，將機(jī)匣剖成兩半，并對(duì)結(jié)合面重新加工。在粗銑外形時(shí)，考慮到結(jié)合面的加工余量，將兩半機(jī)匣偏心放置，保證在加工完結(jié)合面后，機(jī)匣能重新拼成整環(huán)，外形余量均勻，余量合理。
（2）精銑凸臺(tái)外形 將凸臺(tái)側(cè)面、環(huán)形槽底面及側(cè)面全部加工到位，對(duì)尺寸和位置度要求高的聯(lián)動(dòng)裝置支撐臺(tái)平面、凸臺(tái)端面等面留有余量。
（3）精銑凸臺(tái)端面及聯(lián)動(dòng)裝置支撐臺(tái)平面 精銑是外型面成形的最終加工工序，外型面上所有槽、座和凸臺(tái)的尺寸、位置以及表面粗糙度都是由精銑工序保證的。
4 多凸臺(tái)環(huán)形槽高效數(shù)控銑削方法
受機(jī)匣縱向安裝邊高度影響，機(jī)匣環(huán)形槽深度大，同時(shí)機(jī)匣直徑較大，使得環(huán)形槽銑削材料去除量很大。由于環(huán)形槽中存在眾多凸臺(tái)，凸臺(tái)之間、凸臺(tái)與環(huán)形槽側(cè)面之間的距離小，限制數(shù)控刀具直徑與走刀路徑。在選擇刀具和銑削刀路時(shí)，需要快速去除材料，同時(shí)有效避讓各種凸臺(tái)，數(shù)控編程十分繁瑣，工作量很大。本文從數(shù)控刀具與切削參數(shù)選擇、下刀方式優(yōu)化及切削刀路規(guī)劃等方面采取工藝改進(jìn)措施，從而提高粗銑加工效率。
4.1 數(shù)控刀具與切削參數(shù)選擇
粗銑時(shí)，盡可能選擇直徑大的刀具，按照先大刀、后小刀，先開闊區(qū)域、后狹窄區(qū)域的順序進(jìn)行加工選擇[6]。開粗去除大余量時(shí)，選擇直徑20mm的機(jī)夾刀。該刀具為方肩銑刀，適合進(jìn)行大切削深度、快進(jìn)給側(cè)刃銑削。該刀具切削不銹鋼材料，每層切削深度可達(dá)8mm，進(jìn)給速度可達(dá)500mm/min，材料去除效率很高。
該機(jī)匣凸臺(tái)根部的轉(zhuǎn)接R為1.5mm，如果直接用直徑為3mm的球銑刀清根，那么進(jìn)給速度比較慢，并且需要走刀3～4次，加工效率比較低，因此先用轉(zhuǎn)角為R1.5mm的棒銑刀去除根部大部分余量，然后再用直徑為3mm的球銑刀一次走刀清根，便可提高加工效率。
4.2 切削刀路優(yōu)化
（1）環(huán)形槽型面高效粗加工 在環(huán)形槽深度方向，根據(jù)凸臺(tái)高度對(duì)刀路進(jìn)行合理分層，盡量使用大直徑刀具，優(yōu)先去除凸臺(tái)上層材料。對(duì)刀路合理分層，切削區(qū)域由大到小，優(yōu)先對(duì)大切削區(qū)域進(jìn)行加工，有利于大余量連續(xù)、穩(wěn)定去除，有利于減少程序數(shù)量，減少非切削移動(dòng)，減少進(jìn)退刀次數(shù)，提高加工效率。
在環(huán)形槽周向，根據(jù)凸臺(tái)側(cè)面與相鄰面的距離以及刀具直徑的大小，需要將環(huán)形槽分成多個(gè)加工區(qū)域。對(duì)刀具空間足夠的凸臺(tái)，可以用編程方法實(shí)現(xiàn)刀路對(duì)凸臺(tái)的自動(dòng)避讓。分區(qū)域銑削與隨形銑削如圖2所示，這樣靈活安排刀路，在方便編程的同時(shí)減少程序數(shù)量，提高加工效率。
圖2 分區(qū)域銑削與隨形銑削
（2）環(huán)形槽型面高效精加工 為提高加工效率和表面質(zhì)量，按照“環(huán)形槽側(cè)面→凸臺(tái)側(cè)面→環(huán)形槽底面”的順序進(jìn)行加工。
機(jī)匣環(huán)形槽側(cè)面加工時(shí)，將四周側(cè)面作為整體，采用五軸側(cè)刃銑削加工，并采用螺旋銑的方式。與每個(gè)面單獨(dú)往復(fù)銑削相比，該方法刀路全部為順銑，改善了刀具的切削狀態(tài)，減小了切削力和刀具顫振。該刀路只有一次進(jìn)退刀，節(jié)約了進(jìn)退刀時(shí)間；避免分區(qū)域銑削時(shí)區(qū)域間接刀，提高了加工表面質(zhì)量。
在機(jī)匣環(huán)形槽底面精加工中，受凸臺(tái)的影響，需要將環(huán)形槽底面分成很多區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行編程，分區(qū)域銑削的方法編程較繁瑣，區(qū)域之間連刀較多，機(jī)床非切削移動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，刀路效率不高；加工表面接刀較多，表面質(zhì)量差。
對(duì)加工順序進(jìn)行優(yōu)化，首先精銑凸臺(tái)外形，銑削刀路如圖3所示；然后用端刃加工凸臺(tái)根部一定范圍的環(huán)形槽底面，將凸臺(tái)外形及相鄰環(huán)形槽底面進(jìn)行精加工；最后對(duì)機(jī)匣環(huán)形槽底面其余部位進(jìn)行加工，在刀具遇到凸臺(tái)時(shí)，進(jìn)行抬刀，從凸臺(tái)頂部讓過凸臺(tái)后重新下刀，繼續(xù)進(jìn)行銑削。由于之前凸臺(tái)周圍材料已經(jīng)去除，可以直接進(jìn)刀。以這種方法避讓凸臺(tái)，刀路切削效率較高，能夠減少程序數(shù)量，減少機(jī)床非切削移動(dòng)，減少銑削區(qū)域間接刀。
圖3 凸臺(tái)外形銑削刀路
5 加工實(shí)例
應(yīng)用該加工方法，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)開機(jī)匣進(jìn)行加工驗(yàn)證。該機(jī)匣最大外徑600mm，有各類凸臺(tái)78個(gè)。加工完成的對(duì)開機(jī)匣零件如圖4所示，外形表面質(zhì)量完好，各部位尺寸和位置精度符合圖樣要求，加工效率和加工質(zhì)量都得到顯著提升。
圖4 加工完成的對(duì)開機(jī)匣零件
咨詢機(jī)匣加工中心：135 2207 9385
6 結(jié)束語
通過規(guī)劃對(duì)開機(jī)匣數(shù)控銑削工藝方案，對(duì)加工順序、工序間余量進(jìn)行合理安排，有效保證了加工精度。提出多凸臺(tái)環(huán)形槽高效粗銑和環(huán)形槽型面高效精加工方法，提高了數(shù)控銑削加工效率，降低了刀具磨損，提高了加工質(zhì)量和加工穩(wěn)定性。
