冯湛

[摘  要]某型机高压压气机前机匣是一个结构复杂、技术含量高、加工难度大的大型精密薄壁对开机匣。整个机匣上各种径向孔、轴向孔多达500余个。孔的种类繁多，尺寸公差与技术条件要求严格，表面粗糙度要求高。在发动机类零件的钻、镗、铰孔加工中具有一定的代表性。本文着重介绍前机匣高效孔加工工艺改进过程和实施方法。

[关键词]高效钻  镗  铰切削  工艺路线

中图分类号：TG124.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0021-03

1、引言

航空发动机的制造是一个国家制造业的典型代表，它集制造业的设计、工艺、材料、加工、质量控制等领域的高、精、尖技术为一体。结构复杂、壁薄、材料难加工、尺寸精度高是发动机零件的典型特征。与飞机等其它装备相比，航空发动机制造在材料、结构空间的可加工性、精度等诸方面有更高的要求，更能体现一个国家制造业的制造水平。

扩大新机的生产能力这是国防建设的需要，也是国际形势的需要，重要的是对航空发动机行业生产能力和水平的巨大考验和挑战。根据以往的情况来看，提高年产能力的形成仅靠传统技术改造的设备投入（数控加工设备占较大比例）是不可能达到的，毕竟资金、场地、熟练的操作者等等都是有限的。因此，必须在技术改造引进加工设备的同时，注重提高设备的应用水平和应用效率才是根本。因此，我们应该在某新型发动机转入批量生产之前以先进制造技术中的核心技术之一——数控加工技术为突破口，以及机匣类零件中的关键零件为载体，展开高效数控加工技术在发动机零件制造中的应用研究，达到提升整个航空发动机行业数控加工技术水平和数控加工效率的目的。

本项目以某型机发动机前机匣为载体，进行了详细的工艺分析。目前现有的钻孔、镗孔和铰孔加工程序，其工艺是80年代首件试制时编制的，多年以来一直就没有进一步完善与提高，沿袭了普通设备加工的切削参数。因此与外型面的铣加工，内型腔的车加工一起构成了前机匣的三大重要“瓶颈”工序。这种加工格局存在一定的不足，再不进行改进，就不能满足某型机定型后批量生产的需要，在解决了前机匣外型面的高效铣削后，精密孔的高效加工就成了我们重点研究的当务之急。只有解决了三大典型工序，才有可能建立起机匣加工的高效率、高质量生产线。为解决这一问题，从2003年起，我们对机匣的三大工序陆续采用新工艺、新技术，进行了全面的研究，前机匣高效精密镗孔加工技术研究是其中的一个重要分支。

2、前机匣零件结构分析

发动机高压压气机前机匣是某型机机械加工中结构最复杂的机匣，其加工周期长，技术要求高、加工难度大。机匣材料是钛合金，为对开式结构。该零件在制造过程中有三大关键工序，即：外形面铣削加工、内形面车削加工和径向镗孔加工，这三道工序都具备了加工周期长，难度高的特点。前机匣仅径向孔、前、后端面孔，对开纵向结合面装配连接孔等就多达500多个。 其中包含280个镶叶片的径向孔，分布在外型面的0-3级梁上（见图2.1）。

孔直径公差为0.018，位置度不超过0.1。这些孔两侧都有台阶孔（见图2.2）。

而整个机匣内外型腔车、铣加工完毕后，整个机匣壁厚只有2.5毫米，由于机匣壁较薄，孔加工时会对加工尺寸产生影响。除此之外，前、后安装边上分布有高精度的轴向定位孔与连接孔。机匣的上、下两半部对开结合处有连接装配孔。在1-6级腔槽中又分布有构型复杂的各种直的、斜的凸台、一些台阶孔就位于这些凸台上。斜凸台上的孔与发动机轴线空间夹角不尽相同，需要在五坐标加工中心上主轴摆动一定角度才能加工。如采用普通设备，每加工一个空间角度不同的孔，就要配一套工装，无论在加工成本上，还是在加工周期上，都不划算。前机匣的这种结构给加工带来了相当大的难度。

3.高效精密孔加工工艺路线、加工方法优化

3.1 工装夹具的调整

我们对现行的镗孔夹具作了分析，现有的夹具材料是原来车间自己设计的铝盘，材料较软，多年使用后，局部已经不平。而本道工序对位置度的要求较高，夹具的基本状态不佳，势必对加工的结果有影响。基于此，我们对前机匣一些工序的夹具进行了筛选分析，发现本道工序的夹紧限位尺寸与镗轴向孔工序相同，这两道工序可以公用一个夹具，该夹具是具有正式工装号的夹具，这样既保证了夹紧的状态又可以节省科研试制的成本。改进零件的装夹方案，增加工艺系统的刚性，对高效加工至关重要。

3.2 工艺性分析及加工方法的优化

原精镗工序在NOVAR四坐标加工中心上进行，该设备是90年代引进的。280个镶叶片的精密径向孔形状见图2.2与图2.3，孔直径公差是：0.018，位置公差是0.1，孔的内、外两侧均有台阶，非常难加工。原来的加工路线是：打点→钻孔→镗孔→铰孔→反锪内腔台阶孔→正锪外腔台阶孔。特别是机匣的内腔台阶孔按原加工方法采用的是反锪加工。一般来说反锪刀头与刀杆是两体，如果加工一个内台阶孔，首先主轴夹持反锪刀杆从底孔缓缓进入内腔一定长度。主轴停止进给，由守候在工作台上的操作者手工将反锪刀头装到反锪刀杆上，主轴开始运转，才能开始加工内部台阶孔。加工完毕，则需要操作者手工再次卸下反锪刀头，主轴从孔中徐徐退出，转到下一个待加工孔的中心，再重复上述过程。虽然零件是在数控加工中心上加工的，但是装刀、卸刀这两个动作却是由人工手动完成的，而且需要二个操作者，一个在台下操作数控机床，另一个守在工作台上装刀、卸刀，极大的降低了该道工序的加工效率。反锪工步是使镗孔工序构成前机匣的三大瓶颈工序的主要原因之一。

针对这一薄弱环节，我们进行了大刀阔斧的改革。经过分析在机匣外侧加工内台阶孔，只有反锪这一条路。首先设想可否将外侧反锪孔加工改为在机匣内侧正铣孔加工，但这需要如下几个条件：

1）机匣内径足够大，使得主轴头可以进入机匣内腔。

2）加工中心由卧式转为立式，但可通过配备主轴直角转换头完成立卧转换，达到在机匣内腔正向铣孔加工的目地。

但一般加工中心不配主轴直角转换头，我们按照加工精度，以及一次装夹尽可能加工多部位的原则，将机匣线95车间的数控设备进行了筛选，最后选定德国五坐标加工中心（新BOKO），作为镗孔加工的主要设备，并将另一台四坐标机床上的主轴直角转换头，经过一些工艺上的改进，安装到新BOKO主轴上，使这台设备具备正铣孔的条件。这样每加工一个孔，就省去了装刀头、卸刀头两个不必要的非接触零件的加工环节。使该工序的加工完全实现了名副其实的自动化，而非以前的半手动加工。

经过加工试验，内腔台阶孔从反锪加工改为正铣加工有如下几个显著优点：

1.φ19.8的内台阶孔加工效率明显提高。

2. 内台阶孔台阶面至圆心的径向尺寸（见图2.2所示）、和内台阶孔台阶面至机匣外壁的厚度尺寸（见图2.3，尺寸5）。这两个尺寸是组合件装配工序中重要装配尺寸，原来容易超差。经过修改加工工艺后，加工手段和以前比先进，刀具质量比原来可靠，刀具长度补偿用对刀仪器保证，消除了反锪刀由于刚性差，在加工中产生的间隙。加工刀具固定后，我们摸索出在特定的切削参数下的让刀规律，并把它一次性加入刀具补偿量中，使得加工质量明显提高。

同样，我们对加工280个镶叶片的径向孔旁的限位窝（形状见图3.1）加工也采取了同样对策，利用主轴直角转换头，并重新选择了适合正铣加工的刀具，将反锪加工转化为正铣加工，仅此两项关键重大措施就将280个φ19.8的内壁台阶孔和限位窝的加工效率成倍提高。并由于将反锪刀换成了φ19.8立铣刀，其刀具的刚性是反锪刀不能比拟的，加工时让刀明显减少，该部位的反复加工次数减少，有效的保证了内壁台阶孔的直径尺寸，使得以往容易超差的这个尺寸合格率上升。取得了加工效率和质量上的双赢。

3.3 精密孔表面粗糙度改善方法

280个径向孔的粗糙度Ra为0.8，原工艺方法加工后孔内壁经常有划痕，需要增加人工抛修工序，才能达到设计要求。粗糙度不能满足设计要求一直是本工序亟待解决的问题，几经反复调整，收效甚微。针对这一问题，我们重新收集了各种铰刀生产厂家的资料，从中优选了可转位硬质合金机夹铰刀进行尝试。这种铰刀只有单刃，齿数少于标准铰刀。但增大了容屑空间和刀齿强度，使切屑向下排出，不会摩擦、划伤孔壁，因而使加工后的孔粗糙度一次合格，不必抛修就满足了设计需求。又由于刀具的耐磨性增强，一片刀片就能将四级280个径向孔全部加工完毕，中间不用换刀，减少了原来中途刀具磨损换刀后必须空走刀或修改程序的过程。即节省了空走刀时间，又消除了改错程序带来的质量隐患。

3.4 合理选刀，简化加工路线

在机匣的第六级腔槽分布有若干个φ34的空间角度孔，由于孔直径较大，从打中心定位点开始，到最后直径φ32，中间采用了7种钻头，加工时间较长。以前普通刀具加工的工艺路线是：φ3中心钻打点→φ8钻头钻底孔→φ14扩孔→φ20扩孔→φ26扩孔→φ28扩孔→φ30扩孔→φ32扩孔。我们选用了新型的U钻加工该孔，仅使用φ20、φ32两种U钻，就把该孔圆满的加工出来，且省去了打点过程。U钻属于可转位的硬质合金机夹刀，它的切削速度要高于高速钢钻头的切削速度，因此，这些较大直径引气孔的加工，除了加工路线缩短外，加工时间和原来比较也大为缩短。

4 孔加工选用刀具及切削参数

钛合金加工时变形系数小，这是它的一个显著特点，切屑在前刀面上滑动摩擦的路程增大，继而加速了刀具磨损。其次由于钛合金的导热系数很小，使得钛合金加工时切削温度高。由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性摩量小，加工时在径向力作用下容易产生变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。综上所述，钻孔加工应尽量选择硬质合金刀具。

钻孔为半封闭式切削，钛合金钻孔过程中切削温度很高，钻孔后回弹大，钻屑长而薄，易粘结而不易排出。因此要求钻头具有高的强度和较好的刚性，钻头与钛合金的化学亲和性要小，因此采用硬质合金钻头钻底孔。原来未攻关前钻四级叶片底孔的钻头是两个刃的复合钻铰刀，经过使用发现，效果并不理想，本身钻完之后直接铰，未经过镗孔。一旦机床的状态稍微不稳定，由于孔的位置度较精，难以保证，很容易超差。因此，我们淘汰了这种刀具，直接采用硬质合金钻头钻底孔。

作为一种尝试，这次加工还选用了一种新型结构的铰刀，单刃机夹铰刀。它的优点是不用刃磨就可以调整铰刀的直径，这是普通铰刀无法比拟的。在使用中感觉效果不错，切削速度高，加工后表面粗糙度值低。硬度和耐磨性较高，一把刀可以加工完280个精密孔，中途不用换刀。还具有较好的经济性。

切削参数是加工过程中对切削力影响最主要的因素。由于切削参数选择不当导致切削力过大，刀具耐用度降低，致使刀具磨损严重，零件表面残余应力增加，加工质量下降等都会降低数控加工的效率，因此数控加工中切削参数的合理和优化选择非常重要，也是高效加工中至关重要的一个环节。结合钛合金材料的切削性能和所采用刀具的耐用度，还要综合考虑加工中的变形因素给尺寸精度带来的影响等等。通过对机匣加工过程的摸索，试验，基础数据的积累，粗铰余量在0.2～0.5mm之间，精铰余量在0.1～0.4之间，直径小时取小值，反之取大值。铰刀切削用量Vc=15～50m/min，F=0.1～0.5mm/r，可以根据孔直径和加工各种条件再进一步调整。

5.结束语

前机匣高效精密镗孔加工攻关效果十分显著，主要体现在：

1）加工效率显著提高

通过调整加工方法、改变与优化原来的工艺路线、更换加工设备、工装、采用新型机夹刀具、重新编制数控加工程序、调整走刀路线等一系列新举措，使精密孔的加工周期明显减少，同时也省掉精密内孔的钳修时间。攻关前本道工序加工时间是160小时，攻关后首件只用80小时，并节省抛修时间32小时，通过进一步完善，目前为止加工一件只用40小时，加工效率成倍提高。

2）产品表面质量大幅度提高

原来的280个精密孔，表面粗糙度只能达到Ra1.6，采用新型刀具加工后表面粗糙度达到Ra0.8，达到设计要求。

3）节省劳动力

原镗径向孔时，每班需要两个操作者，现在每班只需要一人。

近20年来，为了提高发动机的性能，钛合金用量显著增加，钛合金在飞机和发动机中的使用量也是衡量期限的重要指标之一，如美国第四代飞机机体钛合金使用量已达41%，因而掌握钛合金材料的加工性能与加工技术，显得愈来愈重要。钛合金材料精密镗孔高效加工技术的研究与应用在我公司刚刚开始，它解决了前机匣生产中的“瓶颈”工序之一，为今年某型机批量生产奠定了基础。科研能够解放生产力是一个不争的事实，我们力争结合公司目前生产线紧急需求和长远发展，开展应用先进技术，优化改进已有工艺，并开展新工艺的研究;进一步加快科技成果工程化这一过程，让我们的科研成果扎扎实实的体现在黎明公司的发动机零件生产中。