航天动力系统用精密齿轮箱的集成制造工艺 苏云玲 罗远锋 曲洪亮 王志强 钱卫中 王晓伟 北京动力机械研究所 摘 要： 以某航天动力系统用齿轮箱箱体的制造为例, 针对其制造过程中存在的瓶颈短线问题, 从加工过程中的变形控制以及集成加工工装装夹方案出发, 对航天动力系统用精密齿轮箱箱体类零件的数控集成制造工艺进行了深入研究。研究结果表明, 通过在产品坯料适当部位设置工艺夹台并结合工装的使用, 可以实现齿轮箱箱体的集成制造。该研究成果在航天动力系统用齿轮箱箱体类零部件研制中得到广泛推广和应用。关键词： 航天动力系统; 齿轮箱; 变形控制; 集成制造; 作者简介：苏云玲 (1976-) , 女, 硕士, 高级工程师, 主要从事复杂曲面整体叶轮类零件的五轴精密数控电化学加工、复杂结构件的高效数控加工等方面的研究。Integrated Manufacturing Process for Precision Gear Box for Space Propulsion SystemSU Yunling LUO Yuanfeng QU Hongliang WANG Zhiqiang QIAN Weizhong WANG Xiaowei Beijing Institute of Power Machinery; Abstract： Taking the manufacturing of gearbox for a spaceflight power system as an example, in view of the short-term problems existing in the manufacturing process, from the process of deformation control and integrated processing fixtures, the numerical control integrated manufacturing technology of precision gear box parts for aerospace propulsion system is studied.The research results show that through the production of the appropriate parts of the product blank holder and the use of the tooling, the integrated manufacturing of the gear box can be realized.The research results have been wildly extended and applied to the manufacture of gear box parts for aerospace propulsion system.Keyword： aerospace power system; gear box; deformation control; integrated manufacturing; 航天动力系统用涡轮发动机齿轮箱主要由箱体、零度弧旋锥齿轮、直齿轮、轴承座、磁力封严和轴承等组成, 其中齿轮箱箱体是齿轮箱组件的主体零件, 装配中要实现与多组齿轮传动副的精密配合。齿轮箱的结构示意图如图 1 所示。图 1 齿轮箱结构示意图 下载原图为了保证各传动副间的啮合精度和传动精度, 在保证多组轴承孔孔径尺寸精度的同时, 还应保证各组轴承孔之间的相对位置精度要求1。在传统行业中, 对于齿轮箱箱体类零件的加工, 多采用多次装夹、分别加工的方式来完成各组轴承孔的加工。这种加工方式存在如下问题:1) 多次装夹导致反复找正基准, 基准找正误差、装夹误差和人为操作误差等均对加工精度产生较大影响, 最终导致各组轴承孔之间的位置精度不能满足设计指标要求;2) 反复拆装、找正基准, 使操作者劳动强度增加;3) 由于装夹位置在工件表面上, 装夹力的影响容易使产品发生变形, 导致产品加工精度不能满足设计指标要求。本文针对现有齿轮箱箱体制造工艺方法存在的问题, 从加工工艺方法、工装装夹方案和轴承孔加工方法等方面对齿轮箱箱体的集成加工工艺进行了深入研究。1 加工工艺齿轮箱箱体是齿轮箱的主体零件, 为典型薄壁箱体类零件。其结构复杂, 加工特征集成了 3 组精密轴承孔, 加工精度要求高, 且 3 组孔之间的相对位置精度要求严格。为了提高表面耐磨性及耐腐蚀性, 机械加工后表面, 尤其是轴承孔表面, 要求进行硫酸阳极化处理, 中介机匣配合表面要求进行低电阻特性处理, 所以工艺方案的制定尤为关键。齿轮箱箱体的加工工艺流程如图 2 所示。图 2 齿轮箱箱体的加工工艺流程图 下载原图在齿轮箱箱体的加工过程中, 应注意如下几点。1) 应将轴承孔的精加工工序安排在工艺流程的后段, 保证在完成其余机械加工后再对轴承孔进行精加工, 以减小余量去除过程中的切削力、切削热和应力变形等对轴承孔精度的影响。2) 轴承孔的加工分成粗加工、半精加工和精加工等 3 个独立工序, 应将工序间周转时间与自然时效时间相结合, 以在确保加工质量的同时, 提高加工效率并保证充分的应力释放, 进一步减小应力变形对尺寸精度的影响。3) 为了保证轴承孔间的位置精度指标, 选用四轴以上数控镗铣加工中心设备, 将 3 组轴承孔进行集成加工, 以消除二次基准找正误差对孔径尺寸及位置精度的影响。4) 加工前应对相关设备的定位精度及其重复定位精度进行检查, 并确认设备精度指标是否满足产品加工要求。5) 应针对轴承孔的表面处理工艺开展调研, 并通过技术合作的形式开展工艺研究, 了解并掌握工艺参数对膜层厚度变化的影响规律, 严格控制膜层厚度, 进而控制孔径尺寸精度指标。2 工装装置工装装夹方案制定的关键点如下:1) 通过一次装夹, 实现多面特征的集成加工2;2) 采用分体组装结构, 通过在 3 个定位支柱底部分别设置可调定位销钉, 实现 3 处定位支座位置的精确调节, 并通过联接螺钉固定, 从而消除加工误差, 保证装夹精度。在工装装夹方案的设计中, 通过保证工装本身的制造精度, 来实现齿轮箱类零件的一次精确定位和一次装夹集成精密加工, 从而提高加工精度, 提升操作效率。2.1 工装装置技术方案工装装置结构示意图如图 3 所示。其主要由定位支柱一、定位基准块、联接螺钉、底座和定位支柱二等五部分组成。图 3 中, 工件通过联接螺钉分别与定位基准块、定位支柱一、定位支柱二进行联接;定位支柱一、定位支柱二和定位基准块分别通过联接螺钉、定位销钉进行联接, 且通过可调定位销钉调整 3 处支座在底座上的位置, 并满足 3 处定位表面所在平面的平面度0.01mm 的要求;同时通过定位基准块固定工件在工装上的安装位置;通过立柱与机床工作台连接, 并通过小间隙配合, 保证工装装置在工作台上的安装位置, 加工前分别找正定位基准块、定位支柱一和定位支柱二的定位平面高度差0.01mm, 从而保证工件设计基准与机床程序基准的一致, 减少加工前的人工找正难度和误差。图 3 工装装置结构示意图 下载原图2.2 工装装置功能该装置具有如下功能:1) 通过使用工装装夹、定位, 可以实现齿轮箱类零件的集成加工, 一次装夹完成多面加工内容, 避免反复拆装、找正带来的操作难度和人为误差影响;2) 加工过程中, 通过拆卸定位支柱一, 可以实现定位支柱一附近的尺寸特征的加工, 实现一次装夹、一次定位和一次集成加工;3) 通过使用工装装置, 可以实现工件的一次精确定位, 避免多个基准的反复转换和计算, 降低编程难度, 避免质量隐患, 同时提高加工精度和加工效率。3 轴承孔加工轴承孔孔径尺寸及几何公差要求高, 轴承孔表面需进行硫酸阳极化处理, 为了保证孔径尺寸精度, 需要根据阳极化膜层厚度变化规律, 严格控制轴承孔的加工精度。为了保证各组轴承孔之间的相对位置精度, 需要在一次装夹的情况下完成所有孔的集成加工。因为齿轮箱箱体尺寸较大, 每组轴承孔的轴向距离较远, 需要严格控制加工过程中的变形, 从而保证同轴度要求。3.1 集成加工工艺方案设计在轴承孔加工工艺规划中, 结合五轴镗铣加工中心的设备功能特征, 进行了高精度集成加工工装设计。设计中, 利用齿轮箱箱体铸件非加工部位的工艺凸台并在凸台上加工定位基准, 保证定位基准相对于加工基准的位置精度和几何精度, 从而实现 3 组轴承孔的集成加工。为了实现一次装夹, 在铸件非关重表面设置了工艺夹台, 用于加工过程中的装夹和定位。铸件工艺夹台的结构如图 4 所示。通过在加工工艺中设置基准加工工序, 并根据轴承孔的划线基准进行基准加工, 加工过程中保证 3 处工艺夹台定位表面的平面度要求和 3 处工艺夹台定位平面相对于基准的平行度要求, 从而确保装夹定位基准与理论加工基准的一致性。图 4 齿轮箱箱体铸件工艺夹台结构示意图 下载原图3.2 加工基准的自动转换为了实现精密加工, 应尽可能地避免人为误差对操作过程、加工过程的影响。数控产品的加工工艺流程一般为:刀具测量刀具装夹工件装夹基准找正零点设定程序运行。在使用多轴数控加工设备进行加工的过程中, 机床工作台、A/C 回转轴之间往往不在同一个平面上, 即 A/C 回转轴与工作台面之间往往有一个固定的距离, 当加工部位涉及到多个自由度需要在加工中回转 A/C 轴时, 就涉及到了加工基准的空间转换问题3。传统做法中, 手工编程时, 为了简化加工基准的转换运算, 往往将工件在工作台上的位置进行人为固定, 并要求批量生产时完全按照首件工件的装夹位置进行装夹, 这样极大地增加了操作者的操作难度, 也大幅降低了操作效率。当工件进入批量生产后, 为了保证加工过程的自动化, 减少人为操作, 进而降低质量隐患, 提高加工效率, 亟需实现加工基准的自动转换。自动转换的实现应针对数控系统类型通过在程序编制中使用坐标转换指令来实现, 转换原理如图 5 所示。在齿轮箱箱体的加工工艺中, 所用设备的数控系统为海德汉系统, 通过在程序编制中使用此指令, 产品装夹时无须固定其 Z 向的位置, 只需找正基准面并确定零点后使用坐标转换指令, 即可实现程序坐标系随工件的实时转换, 从而避免了反复找正、换算所带来的人为误差和质量隐患的产生。这样在保证加工精度的同时, 提高了工件加工效率, 充分发挥出多轴数控设备的工艺潜力。图 5 坐标转换原理示意图 下载原图3.3 轴承孔径精密加工为了保证轴承孔孔壁表面的耐磨性、耐腐蚀性要求, 同时保证装配连接表面的低电阻特性要求, 在完成轴承孔孔径机械加工后应进行阳极化处理, 并在装配连接部位进行化学氧化处理, 这样给轴承孔的数控加工尺寸及其精度、阳极化膜层厚度等提出了很高的要求, 大大增加了工艺实现难度。齿轮箱箱体共有 3 组轴承孔, 涉及到 7 个孔径尺寸, 为了保证齿轮箱的装配精度和传动精度, 应在孔径尺寸满足设计指标的同时, 保证各孔之间的位置精度要求。为了保证阳极化膜层的厚度不会影响孔径尺寸指标, 需要在孔径尺寸公差范围内, 合理分配数控加工尺寸指标以及阳极化膜层厚度容许变化范围, 通过控制阳极化膜层厚度指标来保证阳极化处理后的孔径尺寸满足技术指标要求。在数控加工中, 因受切削方式、对刀误差和刀具装夹误差等因素的影响, 采用常规数控铣刀具加工完成的孔径尺寸偏差变化范围不能满足严格的技术指标要求, 因此应订制专用刀具, 并合理安排加工工艺和顺序, 设置切削参数, 来保证孔径加工精度要求;同时需要解决拆卸前的孔径自检难题。在研究过程中, 笔者采用了镗削方式, 并根据孔径尺寸、齿轮箱箱体轴承孔分布结构和产品材料等订制精密镗削刀具, 刀具具备精密对刀功能。在切削方案制定中, 将轴承孔的加工工艺划分为粗加工、半精加工和精加工等3 个工序,