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航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇單元體高效孔加工技術(shù)

2024-8-28 來(lái)源：中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司作者：李曉偉陳鵬飛

【摘要】: 論述了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇單元體孔的特征、加工難點(diǎn)和加工刀具的設(shè)計(jì)思路。針對(duì)特征孔加工周期長(zhǎng)、質(zhì)量差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了新型加工刀具及改進(jìn)加工工藝路線，提高了加工效率和零件質(zhì)量，形成一套高效的孔加工方案，有利于提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體制造水平。

【關(guān)鍵詞】: 高效孔加工 ; 航空發(fā)動(dòng)機(jī) ; 自動(dòng)化

1.引言

風(fēng)扇單元體是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要支撐和連接部件，特征孔加工難度大，迄今少數(shù)國(guó)外企業(yè)壟斷了特征孔的高效加工技術(shù)和裝備。由于國(guó)內(nèi)特征孔高效加工經(jīng)驗(yàn)不足，金屬切削加工技術(shù)欠缺，特征孔的高效加工已成為制約我國(guó)裝備制造業(yè)高速發(fā)展的瓶頸之一。

特征孔的加工難點(diǎn)在于多特征孔、深孔和反锪孔加工，如 CF34-10A 的風(fēng)扇單元體中有較多的輸油孔、吊掛孔和連接孔，加工難度大、周期長(zhǎng)，一直是生產(chǎn)加工中的難點(diǎn)。因此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)專用加工刀具和改進(jìn)加工工藝方案對(duì)加工難度大的特征孔進(jìn)行高效加工研究，以解決孔加工周期長(zhǎng)、精度差等問(wèn)題。高效孔加工可以為加快我國(guó)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)進(jìn)度提供技術(shù)保障，且具有較大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

2. 特征孔的加工難點(diǎn)

以 CF34-10A 的風(fēng)扇單元體為研究對(duì)象，加工難度大的特征孔主要分為深孔、多特征孔和反锪孔，其數(shù)量眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前的通用加工刀具無(wú)法做到一次成型，因此需要眾多工步和繁雜的工藝路線，加工周期較長(zhǎng)。

2.1 深孔加工難點(diǎn)

深孔特征在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中較為常見(jiàn)，某型號(hào)零件的深孔結(jié)構(gòu)特征如圖 1 所示。

圖 1 深孔加工結(jié)構(gòu)特征

具體加工難點(diǎn)有 :

加工狀態(tài)不可見(jiàn) : 如圖 1 所示，深孔位置在風(fēng)扇框架的內(nèi)腔中，加工時(shí)無(wú)法觀察到刀具的下刀位置，只能根據(jù)聲音判斷加工過(guò)程中零件的狀況和刀具的磨損狀況，在一定程度上給編程和加工帶來(lái)了難度。

精度高 : 該孔為裝配精密孔，尺寸公差要求嚴(yán)格（直徑φ68.001+0+0.0508mm，位置度φ0.0508，粗糙度 Ra1.6），加工中刀具的磨損、排屑狀況和剛性導(dǎo)致的振動(dòng)都會(huì)造成尺寸超差。

剛性差 : 從圖 1 可以看出，該部位屬于深孔加工（加工深度 315.772mm），長(zhǎng)徑比 L/D ≥４，且無(wú)法支撐薄壁，部件剛性較弱，加工時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，導(dǎo)致零件超差，無(wú)法保證孔的精度。

孔特征多 : 孔底部有 R2.286mm±0.508mm圓角，孔口有深度 3.81mm±0.508mm、角度30° ±2°的倒角，造成工步分散，加工周期長(zhǎng)。切削熱不易散出 : 深孔加工排屑困難和排屑通道長(zhǎng)，零件加工一直處于封閉環(huán)境，產(chǎn)生大量的切屑熱不易散出，由于熱量會(huì)對(duì)零件和刀具產(chǎn)生影響，在冷卻不到位情況下易造成鈦合金零件尺寸超差。

2.2 多特征孔加工難點(diǎn)

多特征孔大多有四五處加工特征，需要經(jīng)過(guò)多道加工工藝且公差要求較嚴(yán)，因此在加工過(guò)程中周期長(zhǎng)成為主要難點(diǎn)，圖 2 為多特征孔結(jié)構(gòu)。

圖 2 多特征孔加工結(jié)構(gòu)

特征多是該孔主要加工難點(diǎn)，具有沉頭孔、兩處倒角、通孔等特征，需要多種加工工藝（見(jiàn)圖 3），現(xiàn)場(chǎng)操作中需要多次更換刀具和兩次零件裝夾，造成同軸度易超差、加工內(nèi)容繁雜、工序分散、加工周期長(zhǎng)、加工效率低等問(wèn)題。

圖 3 多特征孔加工路線

2.3 反锪孔

反锪孔在風(fēng)扇部件中是重要的裝配特征，數(shù)量眾多且孔徑尺寸公差要求較為嚴(yán)格（見(jiàn)圖４）。

圖 4 反锪孔結(jié)構(gòu)特征

主要加工難點(diǎn)有 :

結(jié)構(gòu)特殊導(dǎo)致加工難度大 : 由于沉頭在反面，所以無(wú)法應(yīng)用普通刀具，目前國(guó)內(nèi)使用分體式反锪刀進(jìn)行加工，需要在加工時(shí)手動(dòng)裝卸刀頭，完成一個(gè)孔的加工需要三次裝卸，自動(dòng)化水平低，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率 ; 如果忘記裝卸刀頭則會(huì)和零件發(fā)生碰撞，加工風(fēng)險(xiǎn)高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成零件報(bào)廢。

剛性差 : 從圖 4 可以看出，反锪孔位于零件邊緣且周向分布，此位置壁厚相對(duì)較小，剛性弱，加工時(shí)需要將刀柄深入通孔底部后再裝刀進(jìn)行反向切削，因而刀柄直徑較小（通孔直徑±0.01016mm），加工狀態(tài)不可控，尺寸易超差。

冷卻不充分 : 因?yàn)榧庸の恢迷诒巢浚鋮s液澆注難度大，會(huì)對(duì)零件質(zhì)量造成極大影響，因此在加工中必須采取有效的冷卻方式來(lái)降低切削區(qū)域溫度。

3. 解決方案

3.1 深孔解決方案

由于深孔的特點(diǎn)在于長(zhǎng)徑比較大，加工時(shí)無(wú)法進(jìn)行觀察，參數(shù)設(shè)定較高容易使刀具產(chǎn)生振動(dòng)，影響特征孔的表面質(zhì)量和尺寸精度，因此可以在保證質(zhì)量的前提下設(shè)計(jì)專用的深孔刀具 : 一把粗鏜刀去除大余量和一把精鏜刀保證尺寸精度。專用鏜刀的設(shè)計(jì)目的是改善深孔加工的加工效率和加工質(zhì)量，因此需對(duì)鏜刀的尺寸大小、重量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最大程度地保證加工狀態(tài)的穩(wěn)定性和高效性。

3.1.1 刀具參數(shù)

深孔加工需要利用鏜刀長(zhǎng)度和直徑尺寸控制刀具的擺動(dòng)偏差，進(jìn)而保證加工的穩(wěn)定性。圖 5和圖 6 為刀具擺動(dòng)偏差和刀具尺寸的關(guān)系。

圖 5 長(zhǎng)度對(duì)擺動(dòng)偏差分析

圖 6 直徑對(duì)擺動(dòng)偏差分析

針對(duì)鏜刀長(zhǎng)度，有

式中，Δ Ｒ為擺動(dòng) 偏差（mm）; Ｆ為切削力（Ｎ）; Ｌ為刀桿長(zhǎng)度（mm）; Ｅ為彈性模量（Ｎ /mm2）; Ｉ為截面慣性矩（mm4）。

從式 (1) 中可以看出，ΔR 和 L3 成正比，因而在滿足加工要求的條件下，鏜刀越短擺動(dòng)偏差越小，剛性越好，因此刀具長(zhǎng)度應(yīng)盡可能接近深孔深度。

針對(duì)鏜刀直徑，有

式中，Ｉ為截面慣性矩 (mm4); Ｄ為刀柄直徑（mm）。

從式（2）可以得出，Ｉ和 D4 成正比，刀柄直徑Ｄ越大，截面慣性矩Ｉ就越大，擺動(dòng)偏差△Ｒ就越小，因此在滿足加工的條件下刀柄直徑越大越好。

綜上所述，為保證零件加工時(shí)的穩(wěn)定性，盡量選擇長(zhǎng)度短、直徑大的鏜刀。

3.1.2 冷卻系統(tǒng)

深孔區(qū)域加工內(nèi)容較封閉，冷卻液不易沖到，因此需要增加內(nèi)冷系統(tǒng)，不僅可以有效降低切削區(qū)域溫度，保證加工質(zhì)量，也可以通過(guò)內(nèi)冷將鐵屑沖出，防止堵屑。

3.1.3 切削齒數(shù)

傳統(tǒng)粗加工用整硬銑刀進(jìn)行螺旋層銑去除大余量，此方法受力不均勻，加工效率低，周期長(zhǎng)。通過(guò)增加切削刀片的數(shù)量，采用多刃對(duì)稱鏜刀對(duì)零件進(jìn)行加工，以達(dá)到部件受力均勻效果。改進(jìn)前后的受力效果如圖 7 所示，這種粗鏜刀加工方式類似于鉸孔，比螺旋層銑更加高效、穩(wěn)定。

圖 7 受力效果對(duì)比

3.2 多特征孔解決方案

針對(duì)多特征孔的加工難點(diǎn)對(duì)刀具進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì) : ①風(fēng)扇單元體多為導(dǎo)熱性差的鈦合金，所以刀具需要有內(nèi)冷孔 ; ②定制一把專用的多特征臺(tái)階鉆（見(jiàn)圖８），可以將原工藝路線從鉆孔、擴(kuò)臺(tái)階孔、鉸孔、倒角集中為鉆孔工藝，達(dá)到工序集中目的，提高加工效率，解決加工周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，并且縮短工藝路線，也可以提高加工質(zhì)量（同軸度）和容錯(cuò)率 ; ③將彈簧刀柄替換為專用熱縮刀柄，增加剛性。

圖 8 臺(tái)階鉆

3.3 反锪孔解決方案

反锪孔的難點(diǎn)是分體式反锪刀需要人工裝卸，步驟繁瑣，容錯(cuò)率低。為解決加工低效的難題，設(shè)計(jì)一把專用的整體式反锪刀，其設(shè)計(jì)理念為通過(guò)冷卻系統(tǒng)和離心力控制刀片的收放，解決人工裝卸問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到縮短周期、提高自動(dòng)化程度的效果。

3.3.1 自動(dòng)化控制刀片

可以通過(guò)控制冷卻液和轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制刀片收放，打開(kāi)內(nèi)冷刀具收回，打開(kāi)轉(zhuǎn)速則刀具伸出（見(jiàn)圖９）。自動(dòng)化控制刀具收放可以減少人為操作，提高零件加工質(zhì)量和加工效率。

圖 9 高效反锪刀加工

3.3.2 刀桿設(shè)計(jì)

加工反锪孔的刀桿直徑比底孔小，在反锪孔加工過(guò)程中刀具振動(dòng)會(huì)造成反锪孔有振紋，無(wú)法滿足粗糙度要求，因此需要通過(guò)增加減振裝置來(lái)提高刀桿剛性，控制加工質(zhì)量。

4. 效果分析對(duì)比

4.1 深孔加工效果對(duì)比

深孔加工工藝是用整硬銑刀螺旋層銑去除大余量后用鏜刀進(jìn)行精加工，再倒角。分析深孔加工難點(diǎn)，利用專用粗鏜刀提高加工效率并縮短加工周期，以某外貿(mào)零件為例分析對(duì)比改進(jìn)效果。

4.1.1 加工周期

深孔加工時(shí)間為

改進(jìn) 前，工藝路線為先螺旋層銑再精鏜，螺旋層銑見(jiàn)圖 10，加工參數(shù)為 : 螺旋銑S600F80 ，螺旋銑層數(shù) 66; 精鏜 S60F6。理論螺旋銑時(shí)間 126.9345min，精鏜（兩刀加工）時(shí)間為 44min，總時(shí)間為170.9345min，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工時(shí)間為 200min。

圖 10 螺旋層銑

使用專用鏜刀后，工藝路線為先粗鏜再精鏜，加工參數(shù)為 : 粗鏜 S85F15，精鏜 S70F7。理論粗鏜（一刀）加工時(shí)間 8.8min ，精鏜（兩刀）加工時(shí)間 38min，總時(shí)間 46.8min，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工時(shí)間 50min。

4.1.2 加工質(zhì)量

經(jīng)過(guò)專用鏜刀加工，深孔基本無(wú)振紋，深孔的直線度也得到保證，解決了光潔度、粗糙度不合格以及深孔被加工成喇叭孔的問(wèn)題，總體質(zhì)量?jī)?yōu)于原加工方式。

4.2 多特征孔的加工效果對(duì)比

4.2.1 加工周期

改進(jìn)前的工藝路線為 : 鉆中心孔—鉆底孔 φ６—鉸孔 φ ７—鉆孔 φ9.72—倒角—倒角 ; 加工參數(shù)為 : 鉆中心孔 S600F50，鉆底孔 S600F20 ，鉸孔S600F20 ，鉆孔 φ9.72 S200F10，倒角 S240F20。單孔加工約 19min，23 個(gè)孔的總加工時(shí)間為437min 。改進(jìn)后的鉆孔工藝只需一刀完成，加工參數(shù)為 S780F50，加工時(shí)間為 23min。通過(guò)對(duì)比，改進(jìn)后節(jié)約時(shí)間 414min，縮短 94.32％。

4.2.2 加工質(zhì)量

通過(guò)使用臺(tái)階鉆加工多特征孔，孔的位置度和同軸度有明顯改進(jìn)，并且在刀具中增加了內(nèi)冷孔，使得加工區(qū)域完全冷卻且易于排屑，進(jìn)而提高了特征孔的光度和尺寸精度，相比原加工方案有明顯改善。

4.3 反锪孔加工效果對(duì)比

4.3.1 加工周期

改進(jìn)前的工藝路線為拆刀頭—下刀—裝刀頭—反锪加工—退刀—拆刀頭—返回起始點(diǎn)，加工時(shí)間為40h（現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)）。改進(jìn)后只有鉆孔工藝，加工時(shí)間為 3.7h。

分體式反锪刀需要手動(dòng)裝卸刀頭，因而加工周期不可控，加工效率極低。通過(guò)對(duì)比可以得出，時(shí)間減少 36.3h，縮短 90.75％。

4.3.2 加工質(zhì)量

分體式反锪刀加工特征孔時(shí)，可以利用程序來(lái)控制內(nèi)冷進(jìn)而控制刀具的收縮，解決了人工裝卸刀頭的低效和高風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，并且整體式反锪刀剛性比分體式更高，能有效減小加工振動(dòng)，提高零件質(zhì)量。

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)專用刀具來(lái)加工深孔、多特征孔和反锪孔，解決了特征孔加工周期長(zhǎng)、加工效率低的問(wèn)題。以某外貿(mào)型號(hào)為例，進(jìn)行加工效果對(duì)比。

（1）特征孔實(shí)際加工總計(jì)縮短時(shí)間為2742min，較原工藝減少 90.28％，已達(dá)到高效加工預(yù)期。

（2）專用刀具中的內(nèi)冷孔可以有效冷卻加工區(qū)域，并且專用刀具的剛性更高，能夠降低加工中的振動(dòng)，保證零件的光潔度和粗糙度。專用刀具具有多特征加工能力，使工序集中，減少人為干預(yù)，提高容錯(cuò)率，保證零件的加工質(zhì)量。實(shí)際加工中，φ68mm 的深孔表面粗糙度可達(dá) Ra1.6甚至更好，其他孔徑尺寸也符合要求，超差率為 0，位置度無(wú)超差。使用專用刀具達(dá)到預(yù)期目的，提高了零件的合格率。

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