工藝講稿第六章

第六章航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)組成零件按結(jié)構(gòu)和用途劃分包括：機(jī)匣、壓氣機(jī)盤與渦輪盤、葉片、渦輪軸、噴嘴和中小結(jié)構(gòu)件等

§6.1航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件的加工一、零件的構(gòu)造、技術(shù)條件與材料１.機(jī)匣的主要類型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承力部件，按結(jié)構(gòu)可為環(huán)形機(jī)匣和異形機(jī)匣兩大類。環(huán)形機(jī)匣包括整體環(huán)形機(jī)匣和對(duì)開結(jié)構(gòu)環(huán)形機(jī)匣結(jié)構(gòu)。整體環(huán)形機(jī)匣由前后安裝邊、錐形或圓柱形筒體、加強(qiáng)肋、安裝座、安裝槽、安裝孔組成。對(duì)開結(jié)構(gòu)環(huán)形機(jī)匣是由兩個(gè)錐形或圓柱形半環(huán)組成，通過水平安裝邊采用栓聯(lián)接方式組對(duì)而成，外表面分布加強(qiáng)肋、安裝座、探視孔，內(nèi)腔有安裝葉片的T形環(huán)槽。2.零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)機(jī)匣總體結(jié)構(gòu)是環(huán)狀回轉(zhuǎn)殼體類零件。機(jī)匣可分內(nèi)部和外部兩個(gè)部分，內(nèi)部主要是發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)渦輪葉片的承載部分，包括動(dòng)力渦輪葉片、靜力渦輪葉片，這是整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出的核心，因而具有很高的加工質(zhì)量要求；機(jī)匣外部連接的是各種復(fù)雜的航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)，還包括與飛機(jī)主體掛接的連接系統(tǒng)，因而各種復(fù)雜特征多、空間關(guān)系復(fù)雜、加工要求高，特別是對(duì)位置精度要求極高。前后端安裝邊分布著復(fù)雜的孔系，通過各種定位銷釘和螺栓與壓氣機(jī)其它部件或燃燒室連接，具有較高的尺寸精度和位置精度，對(duì)工藝系統(tǒng)提出了較高的要求。

某型前機(jī)匣由上、下兩個(gè)部分組成，上、下機(jī)匣通過定位銷釘和螺栓連接。內(nèi)部除了各種圓柱面和圓錐面以外，還有大量深腔槽，都具有很高的加工質(zhì)量要求，在加工方法上，普遍采用數(shù)控車，加工精度可達(dá)士0.02mm，且加工效率很高；外表面分布加強(qiáng)肋、安裝座、探視孔，其中，“米字筋”是一種新的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，在實(shí)際加工過程中，普遍采用五坐標(biāo)數(shù)控加工方法和多坐標(biāo)數(shù)控加工中心等設(shè)備。此外，前后安裝邊以及縱向安裝邊上都分布著尺寸精度和位置精度很高的孔系。3.零件的技術(shù)要求

1.尺寸精度：內(nèi)表面IT7-IT8(0.15mm),外表面IT8-IT9(0.5mm)2.形狀精度:圓跳動(dòng)要求0.05mm3.相互位置精度:孔系的位置度0.2mm4.表面粗糙度:Ra1.6-Ra3.24.零件材料

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣大量采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，材料變形屈服極限高，切削變形抗力大，導(dǎo)致切削力大、切削功率高，需要機(jī)床主軸有更大的扭矩和功率。

鈦合金重要特性：密度低、比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕、線膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率低、無磁性、生理相容性好、表面可飾性強(qiáng)、不易產(chǎn)生低溫脆性。顯著的優(yōu)點(diǎn)：比強(qiáng)度高和耐腐蝕性好，特別是在高溫環(huán)境。鈦合金切削加工性相對(duì)于其他材料的切削，鈦合金的切削技術(shù)還有待進(jìn)一步研究：?

高溫強(qiáng)度高：300℃以上時(shí)具有良好的性能。?

導(dǎo)熱率低：約為45鋼的1/5～1/7，加工時(shí)的絕大部分熱量傳給刀具。?

彈性模量低：切削力作用下鈦合金的變形量是碳鋼的兩倍，后刀面很大的回彈量造成了刀具磨損和很高的切削溫度。?

化學(xué)活性高：與刀具發(fā)生粘著，從而導(dǎo)致崩刀和過早的刀具失效。二、機(jī)匣零件的工藝過程設(shè)計(jì)1.零件的工藝性分析

機(jī)匣零件由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、精度要求高，并采用鈦合金、高溫合金材料，使其加工難度很大，尤其是加工變形是一直無法解決的難題。

1）主要加工部位和加工方法：

采用整體鍛件毛坯的環(huán)形機(jī)匣，材料去除量大，其：①外型面通常用四、五坐標(biāo)加工中心進(jìn)行銑加工。②內(nèi)腔T形槽和前后安裝邊采用數(shù)控立車加工。③前后安裝邊孔和外型面安裝座、探視孔采用數(shù)控鉆鏜床或四、五坐標(biāo)加工中心進(jìn)行加工。④對(duì)開機(jī)匣縱向安裝邊螺栓聯(lián)接孔采用四坐標(biāo)臥式精密鏜加工。2）工藝難點(diǎn)：機(jī)匣屬于薄壁零件剛性差，加工過程中容易產(chǎn)生加工變形。零件材料為鈦合金、高溫合金，銑削后零件表面殘余應(yīng)力較大，加之鍛造毛坯的殘余應(yīng)力較大，由應(yīng)力產(chǎn)生的加工變形也較為嚴(yán)重。外表面分布著多種凸臺(tái)、“米字筋”等結(jié)構(gòu)，外型面銑削加工效率低，加工時(shí)間是幾十個(gè)小時(shí)。在加工前、后端面分布孔時(shí)容易產(chǎn)生顫振和加工變形。

機(jī)匣毛坯多為整體滾壓軋制毛坯，加工余量大，機(jī)匣整體金屬切削率80%多。（例如某機(jī)匣毛坯重266kg，零件重27.85kg）對(duì)開機(jī)匣由上、下兩個(gè)部分組成，上、下機(jī)匣通過定位銷釘和螺栓連接，在實(shí)際加工過程中采取分散加工與組合加工相結(jié)合的方式，由此就造成機(jī)匣在加工過程中多次組裝、拆分造成裝配誤差累計(jì)影響了加工的一致性。2.毛坯的加工滾扎毛坯：機(jī)匣毛坯一般采用扎環(huán)工藝生產(chǎn)，可以獲得理想的微觀組織和力學(xué)性能。但對(duì)原料的要求較高，大量依賴進(jìn)口，并且加工余量較大，材料利用率低。

鍛造毛坯：由于鈦合金的鍛造溫度很窄，加之其變形抗力受變形溫度和變形速度的影響較大，加之機(jī)匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周向分布有多個(gè)不均勻凸臺(tái)，徑向加強(qiáng)筋窄而高，因此，鍛造具有一定難度。理想是采用等溫鍛，可以獲得理想的微觀組織和力學(xué)性能，同時(shí)外形尺寸精確，可以提高材料的利用率。3.工藝基準(zhǔn)選擇機(jī)匣重要的位置精度要求是內(nèi)型面軸線、外型面軸線、大小端面分布孔中心軸線之間的同軸度。方案：是以小端外圓面為主定位基準(zhǔn)，完成大、小端面分布孔的加工和內(nèi)表面的加工。最后以大端的內(nèi)孔表面為基準(zhǔn)加工外表面。即以同一基準(zhǔn)方式保證大小端分布孔與內(nèi)型面的位置精度，精度高；以互為基準(zhǔn)方式保證外型面與其它表面的位置精度，也可以保證一定的精度，該定位誤差將影響機(jī)匣壁厚的均勻性。外型面軸線內(nèi)型面軸線小端分布孔中心軸線大端分布孔中心軸線基準(zhǔn)：大端內(nèi)孔軸線基準(zhǔn)：小端外圓軸線毛坯粗車小端、粗車大端鏜定位孔粗銑外型穩(wěn)定處理修小端、大端基準(zhǔn)線切割結(jié)合面精鏜結(jié)合面、安裝孔裝配，半精車小端半精車內(nèi)型面修復(fù)定位孔半精銑外型面組裝，修大、小端基準(zhǔn)精銑外型精車小端精車內(nèi)型面鉆小端孔、大端孔分解，腐蝕檢查裝配，車小端基準(zhǔn)分解，精鏜結(jié)合面精鏜縱向安裝邊孔研磨結(jié)合面倒角、攻螺紋分解、清理、檢驗(yàn)3.工藝過程分析1）以大端外圓為初基準(zhǔn)加工小端，掉頭加工大端，在大端面加工定位孔，穩(wěn)定處理消除毛坯的殘余應(yīng)力。2）熱處理后要修復(fù)基準(zhǔn)，線切割分開，加工結(jié)合面和安裝孔。3）裝配后半精車內(nèi)型面，半精銑外型面。4）縱向結(jié)合面和安裝孔進(jìn)行精加工5）修復(fù)基準(zhǔn)，精加工外型面，精加工內(nèi)型面，加工大、小端分布孔。6）一些鉗工和檢驗(yàn)工序4.主要工序的進(jìn)行方法1）機(jī)匣零件加工變形控制方法機(jī)匣屬于薄壁弱剛性零件，因此加工中的切削變形和殘余應(yīng)力變形一直是難以解決的工藝問題。(1)粗加工階段充分釋放應(yīng)力原則，如果某些結(jié)構(gòu)的加工破壞工件結(jié)構(gòu)的完整性，必將引起工件內(nèi)應(yīng)力的失衡，使工件產(chǎn)生變形，該原則是在無法消除工件內(nèi)應(yīng)力的情況下，早釋放殘余應(yīng)力變形，有利于精加工矯正變形。如回轉(zhuǎn)體零件上的開槽和鉆孔加工應(yīng)盡早進(jìn)行。(2)半精加工和精加工階段均勻釋放應(yīng)力原則，加工過程中盡量均勻和對(duì)稱去除余量，減小工件內(nèi)應(yīng)力的失衡。如在半精加工階段就對(duì)內(nèi)外表面成型，使精加工的余量均勻。(3)無應(yīng)力裝夾原則，保證工件在自由狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)夾緊，使工件在裝夾過程中避免出現(xiàn)變形。如采用機(jī)匣端面進(jìn)行定位夾緊時(shí)，為防止由于端面存在平面度誤差，而在夾緊時(shí)出現(xiàn)變形，應(yīng)先消除夾緊點(diǎn)的間隙。(4)盡量在剛性好的階段完成切削力大的加工，針對(duì)機(jī)匣環(huán)型薄壁結(jié)構(gòu)，在徑向孔加工時(shí)容易變形的特點(diǎn)，采取的措施是把徑向孔的加工盡量提前，工件內(nèi)外表面的加工余量可以增加加工部位的剛性。但內(nèi)腔表面的后續(xù)加工會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)切削問題，一般采用特殊結(jié)構(gòu)刀具可以解決。2）銑車復(fù)合加工

機(jī)匣零件外型面包含眾多島嶼，需要銑削加工；內(nèi)型腔是各種回轉(zhuǎn)面，適合車削加工。銑車復(fù)合加工技術(shù)常用于機(jī)匣零件。將機(jī)匣內(nèi)型車削加工、外型銑削加工、導(dǎo)向葉片安裝孔、探視孔和安裝邊定位連接孔的鉆、鏜加工，同時(shí)在銑車復(fù)合加工中心上集中完成，能夠達(dá)到節(jié)省刀具、夾具，提高加工效率，保證加工質(zhì)量等目的。具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）將機(jī)匣內(nèi)腔車加工、外型銑加工和孔加工合并為一道加工工序，消除了多次裝夾、找正誤差，有利于保證機(jī)匣壁厚尺寸和孔位置精度。（2）采用銑車復(fù)合加工縮短了工藝路線，減少了找正等輔助加工時(shí)間和人工干預(yù)程度，提高了加工效率。五軸銑車復(fù)合加工中心五軸銑車復(fù)合加工中心以銑削功能為主，除了具備加工中心原有的五軸運(yùn)動(dòng)功能外，在加工中心的基礎(chǔ)之上又增加了使工件回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置。相當(dāng)于1臺(tái)加工中心和1臺(tái)車削中心的復(fù)合。適合加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件中的機(jī)匣、葉盤類零件。這類零件以銑削為主導(dǎo)工藝，銑削工藝去除材料量大于車削工藝，銑削工藝比車削工藝復(fù)雜程度高。零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得對(duì)機(jī)床的銑削功能要求較高。例如第五軸（A或B）要有較寬的擺動(dòng)范圍；主軸可以立式、臥式轉(zhuǎn)換，不僅可以加工軸向端面孔，也可以加工與軸線垂直的徑向孔或成一定角度的斜孔。較為典型的有德國DMG銑車復(fù)合加工中心。五軸車銑復(fù)合加工中心五軸車銑加工中心以車削功能為主，同時(shí)集成了銑削和鏜削等功能。機(jī)床有3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸X、Y、Z和2個(gè)圓周旋轉(zhuǎn)軸A、B或B、C，配有刀具自動(dòng)交換裝置和刀庫。在車削中心基礎(chǔ)上增添用于回轉(zhuǎn)刀具的切削裝置發(fā)展而成，其功能相當(dāng)于1臺(tái)車削中心和1臺(tái)加工中心的復(fù)合，典型代表有奧地利WFL臥式車銑復(fù)合加工中心。適合加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤、軸和中小結(jié)構(gòu)類零件，這類零件以車削為主導(dǎo)工藝、車削部位形位公差精度高，車削去除材料量大。3）環(huán)形機(jī)匣零件深窄槽加工對(duì)開機(jī)匣內(nèi)腔有安裝葉片的T形環(huán)槽，該環(huán)槽窄而深，槽深4-5mm、寬1-2mm、槽兩側(cè)壁厚僅為1.5mm。精度要求較高，槽圓周跳動(dòng)要求為0.05mm，零件基準(zhǔn)直徑要求圓度0.05mm、基準(zhǔn)直徑公差±0.038mm，槽寬公差僅為±0.025mm。是機(jī)匣零件加工的難點(diǎn)之一。B軸擺頭車削內(nèi)型腔結(jié)構(gòu)當(dāng)引入B軸車削加工技術(shù)時(shí)，利用B軸在車削中可以擺頭的功能，使銑削主軸頭帶動(dòng)刀具同步擺動(dòng)，使得車刀桿軸線隨著加工部位的變化逐漸地調(diào)整其與型腔之間的角度，最大限度利用型腔的有限空間，拓展了每一把刀的運(yùn)動(dòng)方位，彌補(bǔ)了常規(guī)車削中刀桿固定不動(dòng)的不足，減少了不同刀具換刀加工所產(chǎn)生的接刀痕，改善了表面質(zhì)量。

常規(guī)車削中心上加工，需要3把非標(biāo)刀具才能將型面全部加工完成，其運(yùn)動(dòng)方向和切削區(qū)域如圖所示。應(yīng)用了車銑復(fù)合加工中心B軸擺頭車功能后，型腔用如圖所示的2把刀具加工就可以完全覆蓋整個(gè)區(qū)域。§6.2航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類零件的加工一、零件的構(gòu)造、技術(shù)條件與材料

航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類零件是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，分成渦輪盤和壓氣機(jī)盤。工作在高溫、高速環(huán)境下，一般轉(zhuǎn)速在10000-20000r/min之間。

零件型面復(fù)雜，盤的尺寸較大，腹板很薄（1mm左右）；盤的圓周上有安裝葉片的榫槽和篦齒，槽和盤的軸線一般是斜交的；為了實(shí)現(xiàn)盤與軸和各級(jí)盤之間的連接，盤有高精度的圓柱形配合環(huán)面；由于盤的腹板剖面按等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，因此腹板兩側(cè)通常由型面組成。整體葉盤傳統(tǒng)盤整體葉盤結(jié)構(gòu)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的整體化、結(jié)構(gòu)化、輕量化是大推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的重要設(shè)計(jì)特性之一。整體結(jié)構(gòu)件具有減重、增效并提高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。將轉(zhuǎn)子葉片和壓氣機(jī)盤設(shè)計(jì)為一體的整體葉盤目前在航空發(fā)動(dòng)中普遍應(yīng)用。與傳統(tǒng)的葉片和輪轂裝配結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤省去了連接用的榫頭和榫槽，具有大大簡化航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、顯著提高風(fēng)扇和壓氣機(jī)性能、延長轉(zhuǎn)子使用壽命和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

整體葉輪（葉盤）是20世紀(jì)80年代中期西方發(fā)達(dá)國家在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中采用的最新結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)布局形式。其中的三種典型結(jié)構(gòu)：（1）閉式葉輪——帶箍，（2）開式葉輪——不帶箍，（3）大小葉片轉(zhuǎn)子——大葉片間含有小葉片的開式葉輪。目前國外主要發(fā)達(dá)國家采用的主要加工方式是五坐標(biāo)數(shù)控銑。閉式整體葉盤開式整體葉盤大小葉片轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)盤技術(shù)條件1.尺寸精度：外圓直徑:IT7-IT8;配合環(huán)面：IT6-IT7；

軸向尺寸：IT6-IT8；封嚴(yán)篦齒直徑：IT8-IT92.形狀精度:配合面圓度：0.009-0.01mm，平面度：0.01-0.015mm

腹板輪廓度：0.1-0.15mm3.相互位置精度：外圓對(duì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)：0.025-0.04mm；

端面對(duì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)：0.02-0.05mm4.表面粗糙度：配合表面：Ra0.8-Ra0.4；

非配合表面：Ra3.2-Ra0.8材料由于各類盤的工作環(huán)境不同，所以采用的材料也不一樣。壓氣機(jī)盤常用鋁合金、鈦合金、合金鋼和耐熱鋼，有時(shí)高壓盤也用高溫合金，常用材料牌號(hào)有：鋁合金：LD7、LY16；鈦合金：TA8、TC4、TC11；合金鋼：18CrNiWA、30CrMnSiA；耐熱鋼：1Cr11Ni2W2MoV、1Cr12Ni2MoVNb；高溫合金：GH698、GH901、GH4169。渦輪盤常用的材料有：耐熱鋼和高溫合金，常用材料牌號(hào)為：耐熱鋼：1Cr12Ni2WMoVNb；高溫合金：GH4036、GH4133、GH4169、GH698和GH901。二、盤類零件的工藝過程設(shè)計(jì)1.毛坯的選擇

由于壓氣機(jī)盤和渦輪盤都是在高速條件下工作，受力大、要求強(qiáng)度高，所以毛坯均為模鍛件。由于零件外表面形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特征較多，盤的直徑很大、腹板又很薄，目前的鍛造技術(shù)還無法達(dá)到小余量，造成鍛造毛坯余量大，而且余量分布極不均勻，材料切除率高達(dá)70%以上。等溫模鍛和超塑性等溫模鍛用于鍛造發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫合金和鈦合金渦輪盤、壓氣機(jī)盤和整體渦輪毛坯，可獲得精確的毛坯外形。

毛坯在鍛造后，一般需要進(jìn)行退火或正火處理，以改善加工性并去除應(yīng)力。2.定位基準(zhǔn)的選擇

盤加工的主要基準(zhǔn)是端面和中心孔和配合環(huán)面。

軸向定位基準(zhǔn)：前后兩個(gè)端面。徑向定位基準(zhǔn)：中心孔或配合環(huán)面。

由于工件的剛性較差，工件裝夾時(shí)，夾緊點(diǎn)的選擇對(duì)零件變形影響很大。粗加工時(shí)一般采用徑向夾緊。精加工時(shí)需要采用軸向夾緊，因?yàn)槎ㄎ欢嗣娴钠矫娑葘?duì)夾緊變形影響很大，需用塞尺進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖所示，某壓氣機(jī)盤在端面上增加一塊材料作為夾緊用。3.工藝過程分析1）工序5是加工兩平行平面為工序10超聲波探傷做準(zhǔn)備。2）工序15,20,25是三個(gè)粗加工工序，采用大小端交替加工的方式去除主要余量。3）工序35是淬火加時(shí)效熱處理。4）工序45,50半精加工大小端，之前40要修復(fù)基準(zhǔn)。5）工序55鉆腹板上的均壓孔，也是拉槽的角向定位基準(zhǔn)。6）工序65是拉榫槽工序，由于余量較大一般采用多把拉刀，在一個(gè)工序中完成。7）工序75是鉆小孔工序。8）工序80,85是配合基準(zhǔn)面和腹板面的精加工。9）最后是一些檢驗(yàn)和表面強(qiáng)化處理工序。三、主要工序的進(jìn)行方法1.盤的車削加工

盤的加工表面以回轉(zhuǎn)面為主，所以車削加工在總加工量中占很大比重。粗加工多在立式車床上進(jìn)行。半精加工和精加工一般采用數(shù)控車。其中腹板面的精加工也可以用雙面車。雙面車：用兩把車刀從腹板兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行車削，加工中兩端的車削抗力就互相抵消，可以避免加工變形。如圖所示是中間傳動(dòng)雙面車削腹板面的加工示意圖。2.榫槽加工渦輪盤和壓氣機(jī)盤的榫槽，數(shù)量多、加工精度要求高以及表面質(zhì)量要求也很高，特別是近幾年新型槽型不斷增加。因此榫槽的加工是盤類零件的關(guān)鍵工序之一。目前榫槽的加工方法主要是拉削和數(shù)控銑。榫槽的高速拉削：一般采用專用的臥式高速拉床進(jìn)行側(cè)面拉削，工件裝在具有自動(dòng)分度功能的夾具上，榫槽的形狀是由多把粗拉刀開槽、粗拉槽形以及多把拉刀精拉槽形完成。專用臥式拉床漸切法：這種拉削方式是將拉刀齒形修整，形成每個(gè)刀齒兩側(cè)表面具有側(cè)隙角，減少了拉刀齒側(cè)面與被加工表面之間的磨擦，提高了拉刀的耐用度。成形法：拉刀每個(gè)齒切下的金屬層與被拉削表面最后型面相似。優(yōu)點(diǎn)是拉刀定型齒的型面精度決定被拉型面的加工精度，因此容易獲得較高的幾何精度。根據(jù)上述原因，確定拉削方式為精拉刀用成形法，粗拉型