第六章第六章 航空发动机典型零件加工航空发动机典型零件加工航空发动机组成零件按结构和用途划分包括：机匣机匣、压气机盘与涡轮盘压气机盘与涡轮盘、叶片、涡轮轴、喷嘴和中小结构件等 6.1 6.1 航空发动机机匣零件的加工航空发动机机匣零件的加工一、零件的构造、技术条件与材料一、零件的构造、技术条件与材料. . 机匣的主要类型机匣的主要类型航空发动机机匣类零件是发动机的重要承力部件，按结构可为环形机匣环形机匣和异形机匣异形机匣两大类。环形机匣包括整体环形机匣和对开结构环形机匣结构。整体环形机匣整体环形机匣由前后安装边、锥形或圆柱形筒体、加强肋、安装座、安装槽、安装孔组成。对开结构环形机匣对开结构环形机匣是由两个锥形或圆柱形半环组成，通过水平安装边采用栓联接方式组对而成，外表面分布加强肋、安装座、探视孔，内腔有安装叶片的T形环槽。2. 2. 零件的结构特点零件的结构特点 机匣总体结构是环状回转壳体类零件。机匣可分内部和外部两个部分，内部主要是发动机压气机涡轮叶片的承载部分，包括动力涡轮叶片、静力涡轮叶片，这是整个航空发动机的动力输出的核心，因而具有很高的加工质量要求；机匣外部连接的是各种复杂的航空发动机附件系统，还包括与飞机主体挂接的连接系统，因而各种复杂特征多、空间关系复杂、加工要求高，特别是对位置精度要求极高。前后端安装边分布着复杂的孔系，通过各种定位销钉和螺栓与压气机其它部件或燃烧室连接，具有较高的尺寸精度和位置精度，对工艺系统提出了较高的要求。 某型前机匣由上、下两个部分组成，上、下机匣通过定位销钉和螺栓连接。内部除了各种圆柱面和圆锥面以外，还有大量深腔槽，都具有很高的加工质量要求，在加工方法上，普遍采用数控车，加工精度可达士0.02mm，且加工效率很高；外表面分布加强肋、安装座、探视孔，其中，“米字筋”是一种新的加强筋结构，在实际加工过程中，普遍采用五坐标数控加工方法和多坐标数控加工中心等设备。此外，前后安装边以及纵向安装边上都分布着尺寸精度和位置精度很高的孔系。3.3.零件的技术要求零件的技术要求 1.尺寸精度：内表面IT7-IT8(0.15mm),外表面IT8-IT9(0.5mm) 2.形状精度:圆跳动要求0.05mm 3.相互位置精度:孔系的位置度0.2mm 4.表面粗糙度:Ra1.6-Ra3.24.4.零件材料零件材料 航空发动机机匣大量采用钛合金、高温合金等难加工材料，材料变形屈服极限高，切削变形抗力大，导致切削力大、切削功率高，需要机床主轴有更大的扭矩和功率。钛合金重要特性：钛合金重要特性：密度低、比强度高、耐热性好、耐腐蚀、线膨胀系数低、导热率低、无磁性、生理相容性好、表面可饰性强、不易产生低温脆性。显著的优点：显著的优点：比强度高和耐腐蚀性好，特别是在高温环境。钛合金切削加工性钛合金切削加工性相对于其他材料的切削，钛合金的切削技术还有待进一步研究： 高温强度高：300以上时具有良好的性能。 导热率低：约为45钢的1/51/7，加工时的绝大部分热量传给刀具。 弹性模量低：切削力作用下钛合金的变形量是碳钢的两倍，后刀面很大的回弹量造成了刀具磨损和很高的切削温度。 化学活性高：与刀具发生粘着，从而导致崩刀和过早的刀具失效。二、机匣零件的工艺过程设计二、机匣零件的工艺过程设计1. 1. 零件的工艺性分析零件的工艺性分析 机匣零件由于其结构复杂、刚性差、精度要求高，并采用钛合金、高温合金材料，使其加工难度很大，尤其是加工变形是一直无法解决的难题。 1 1）主要加工部位和加工方法：）主要加工部位和加工方法： 采用整体锻件毛坯的环形机匣，材料去除量大，其：外型面通常用四、五坐标加工中心进行铣加工。内腔T形槽和前后安装边采用数控立车加工。 前后安装边孔和外型面安装座、探视孔采用数控钻镗床或四、五坐标加工中心进行加工。对开机匣纵向安装边螺栓联接孔采用四坐标卧式精密镗加工。2 2）工艺难点：）工艺难点： 机匣属于薄壁零件刚性差，加工过程中容易产生加工变形。 零件材料为钛合金、高温合金，铣削后零件表面残余应力较大，加之锻造毛坯的残余应力较大，由应力产生的加工变形也较为严重。 外表面分布着多种凸台、“米字筋”等结构，外型面铣削加工效率低，加工时间是几十个小时。 在加工前、后端面分布孔时容易产生颤振和加工变形。 机匣毛坯多为整体滚压轧制毛坯，加工余量大，机匣整体金属切削率80%多。（例如某机匣毛坯重266kg，零件重27.85kg） 对开机匣由上、下两个部分组成，上、下机匣通过定位销钉和螺栓连接，在实际加工过程中采取分散加工与组合加工相结合的方式，由此就造成机匣在加工过程中多次组装、拆分造成装配误差累计影响了加工的一致性。2. 2. 毛坯的加工毛坯的加工 滚扎毛坯：滚扎毛坯：机匣毛坯一般采用扎环工艺生产，可以获得理想的微观组织和力学性能。但对原料的要求较高，大量依赖进口，并且加工余量较大，材料利用率低。 锻造毛坯：锻造毛坯：由于钛合金的锻造温度很窄，加之其变形抗力受变形温度和变形速度的影响较大，加之机匣结构复杂，周向分布有多个不均匀凸台，径向加强筋窄而高，因此，锻造具有一定难度。理想是采用等温锻，可以获得理想的微观组织和力学性能，同时外形尺寸精确，可以提高材料的利用率。3. 3. 工艺基准选择工艺基准选择 机匣重要的位置精度要求是内型面轴线、外型面轴线、大小端面分布孔中心轴线之间的同轴度。方案：方案：是以小端外圆面为主定位基准，完成大、小端面分布孔的加工和内表面的加工。最后以大端的内孔表面为基准加工外表面。即以同一基准方式保证大小端分布孔与内型面的位置精度，精度高；以互为基准方式保证外型面与其它表面的位置精度，也可以保证一定的精度，该定位误差将影响机匣壁厚的均匀性。外型面轴线内型面轴线小端分布孔中心轴线大端分布孔中心轴线基准：大端内孔轴线基准：小端外圆轴线毛坯粗车小端、粗车大端镗定位孔粗铣外型稳定处理修小端、大端基准线切割结合面精镗结合面、安装孔装配，半精车小端半精车内型面修复定位孔半精铣外型面组装，修大、小端基准精铣外型精车小端精车内型面钻小端孔、大端孔分解， 腐蚀检查装配 ，车小端基准分解，精镗结合面精镗纵向安装边孔研磨结合面倒角、攻螺纹分解、清理、检验3.3.工艺过程分析工艺过程分析1）以大端外圆为初基准加工小端，掉头加工大端，在大端面加工定位孔，稳定处理消除毛坯的残余应力。2）热处理后要修复基准，线切割分开，加工结合面和安装孔。3）装配后半精车内型面，半精铣外型面。4）纵向结合面和安装孔进行精加工5）修复基准，精加工外型面，精加工内型面，加工大、小端分布孔。6）一些钳工和检验工序4.4.主要工序的进行方法主要工序的进行方法1 1）机匣零件加工变形控制方法）机匣零件加工变形控制方法 机匣属于薄壁弱刚性零件，因此加工中的切削变形和残余应力变形一直是难以解决的工艺问题。 (1) 粗加工阶段充分释放应力原则，如果某些结构的加工破坏工件结构的完整性，必将引起工件内应力的失衡，使工件产生变形，该原则是在无法消除工件内应力的情况下，早释放残余应力变形，有利于精加工矫正变形。如回转体零件上的开槽和钻孔加工应尽早进行。(2) 半精加工和精加工阶段均匀释放应力原则，加工过程中尽量均匀和对称去除余量，减小工件内应力的失衡。如在半精加工阶段就对内外表面成型，使精加工的余量均匀。(3) 无应力装夹原则，保证工件在自由状态下实现夹紧，使工件在装夹过程中避免出现变形。如采用机匣端面进行定位夹紧时，为防止由于端面存在平面度误差，而在夹紧时出现变形，应先消除夹紧点的间隙。(4) 尽量在刚性好的阶段完成切削力大的加工，针对机匣环型薄壁结构，在径向孔加工时容易变形的特点，采取的措施是把径向孔的加工尽量提前，工件内外表面的加工余量可以增加加工部位的刚性。但内腔表面的后续加工会出现断续切削问题，一般采用特殊结构刀具可以解决。2 2） 铣车复合加工铣车复合加工 机匣零件外型面包含众多岛屿，需要铣削加工；内型腔是各种回转面，适合车削加工。铣车复合加工技术常用于机匣零件。将机匣内型车削加工、外型铣削加工、导向叶片安装孔、探视孔和安装边定位连接孔的钻、镗加工，同时在铣车复合加工中心上集中完成，能够达到节省刀具、夹具，提高加工效率，保证加工质量等目的。具有如下优点：具有如下优点：（1）将机匣内腔车加工、外型铣加工和孔加工合并为一道加工工序，消除了多次装夹、找正误差，有利于保证机匣壁厚尺寸和孔位置精度。（2）采用铣车复合加工缩短了工艺路线，减少了找正等辅助加工时间和人工干预程度，提高了加工效率。五轴铣车复合加工中心五轴铣车复合加工中心 五轴铣车复合加工中心以铣削功能为主，除了具备加工中心原有的五轴运动功能外，在加工中心的基础之上又增加了使工件回转的驱动装置。相当于1台加工中心和1台车削中心的复合。适合加工航空发动机零件中的机匣、叶盘类零件。这类零件以铣削为主导工艺，铣削工艺去除材料量大于车削工艺，铣削工艺比车削工艺复杂程度高。零件结构复杂，使得对机床的铣削功能要求较高。例如第五轴（A 或B）要有较宽的摆动范围；主轴可以立式、卧式转换，不仅可以加工轴向端面孔，也可以加工与轴线垂直的径向孔或成一定角度的斜孔。较为典型的有德国DMG铣车复合加工中心。五轴车铣复合加工中心五轴车铣复合加工中心 五轴车铣加工中心以车削功能为主，同时集成了铣削和镗削等功能。机床有3个直线运动轴X、Y、Z 和2个圆周旋转轴A、B 或B、C，配有刀具自动交换装置和刀库。在车削中心基础上增添用于回转刀具的切削装置发展而成，其功能相当于1台车削中心和1台加工中心的复合，典型代表有奥地利WFL 卧式车铣复合加工中心。适合加工航空发动机盘、轴和中小结构类零件，这类零件以车削为主导工艺、车削部位形位公差精度高，车削去除材料量大。3 3）环形机匣零件深窄槽加工）环形机匣零件深窄槽加工 对开机匣内腔有安装叶片的T形环槽，该环槽窄而深，槽深4-5mm、宽1-2mm、槽两侧壁厚仅为1.5mm。精度要求较高，槽圆周跳动要求为0.05mm，零件基准直径要求圆度0.05mm、基准直径公差0.038mm，槽宽公差仅为0.025mm。 是机匣零件加工的难点之一。B B 轴摆头车削内型腔结构轴摆头车削内型腔结构 当引入B 轴车削加工技术时，利用B 轴在车削中可以摆头的功能，使铣削主轴头带动刀具同步摆动，使得车刀杆轴线随着加工部位的变化逐渐地调整其与型腔之间的角度，最大限度利用型腔的有限空间，拓展了每一把刀的运动方位，弥补了常规车削中刀杆固定不动的不足，减少了不同刀具换刀加工所产生的接刀痕，改善了表面质量。 常规车削中心上加工，需要3把非标刀具才能将型面全部加工完成，其运动方向和切削区域如图所示。应用了车铣复合加工中心B 轴摆头车功能后，型腔用如图所示的2把刀具加工就可以完全覆盖整个区域。6.2 6.2 航空发动机盘类零件的加工航空发动机盘类零件的加工一、零件的构造、技术条件与材料一、零件的构造、技术条件与材料 航空发动机盘类零件是发动机的关键零件之一，分成涡轮盘和压气机盘。工作在高温、高速环境下，一般转速在10000-20000r/min之间。 零件型面复杂，盘的尺寸较大，腹板很薄（1mm左右）；盘的圆周上有安装叶片的榫槽和篦齿，槽和盘的轴线一般是斜交的；为了实现盘与轴和各级盘之间的连接，盘有高精度的圆柱形配合环面；由于盘的腹板剖面按等强度设计，因此腹板两侧通常由型面组成。整体叶盘传统盘整体叶盘结构整体叶盘结构 航空发动机零件的整体化、结构化、轻量化是大推重比发动机的重要设计特性之一。整体结构件具有减重、增效并提高可靠性等优点。将转子叶片和压气机盘设计为一体的整体叶盘目前在航空发动中普遍应用。与传统的叶片和轮毂装配结构相比，整体叶盘省去了连接用的榫头和榫槽，具有大大简化航空发动机结构、显著提高风扇和压气机性能、延长转子使用寿命和可靠性等优点。 整体叶轮（叶盘）是20世纪80年代中期西方发达国家在航空发动机设计中采用的最新结构和气动布局形式。其中的三种典型结构：（1）闭式叶轮带箍，（2）开式叶轮不带箍，（3）大小叶片转子大叶片间含有小叶片的开式叶轮。目前国外主要发达国家采用的主要加工方式是五坐标数控铣。闭式整体叶盘 开式整体叶盘 大小叶片转子压气机盘压气机盘技术条件技术条件1.尺寸精度：外圆直径:IT7-IT8;配合环面：IT6-IT7； 轴向尺寸：IT6-IT8；封严篦齿直径：IT8-IT92.形状精度: 配合面圆度：0.009-0.01mm，平面度：0.01-0.015mm 腹板轮廓度：0.1-0.15mm3.相互位置精度：外圆对基准的跳动：0.025-0.04mm； 端面对基准的跳动：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材料材料 由于各类盘的工作环境不同，所以采用的材料也不一样。压气机盘压气机盘常用铝合金、钛合金、合金钢和耐热钢，有时高压盘也用高温合金，常用材料牌号有：铝合金：LD7、 LY16；钛合金：TA8、TC4、TC11；合金钢：18CrNiWA、30CrMnSiA；耐热钢：1Cr11Ni2W2MoV、1Cr12Ni2MoVNb；高温合金：GH698、GH901、GH4169。涡轮盘涡轮盘常用的材料有：耐热钢和高温合金，常用材料牌号为：耐热钢： 1Cr12Ni2WMoVNb；高温合金：GH4036、GH4133、GH4169、GH698和GH901。二、盘类零件的工艺过程设计二、盘类零件的工艺过程设计1.毛坯的选择毛坯的选择 由于压气机盘和涡轮盘都是在高速条件下工作，受力大、要求强度高，所以毛坯均为模锻件。由于零件外表面形状复杂、结构特征较多，盘的直径很大、腹板又很薄，目前的锻造技术还无法达到小余量，造成锻造毛坯余量大，而且余量分布极不均匀，材料切除率高达70%以上。等温模锻和超塑性等温模锻用于锻造发动机中的高温合金和钛合金涡轮盘、压气机盘和整体涡轮毛坯，可获得精确的毛坯外形。 毛坯在锻造后，一般需要进行退火或正火处理，以改善加工性并去除应力。2.定位基准的选择定位基准的选择 盘加工的主要基准是端面和中心孔和配合环面。轴向定位基准：轴向定位基准：前后两个端面。径向定位基准：径向定位基准：中心孔或配合环面。 由于工件的刚性较差，工件装夹时，夹紧点的选择对零件变形影响很大。粗加工粗加工时一般采用径向夹紧。精加工精加工时需要采用轴向夹紧，因为定位端面的平面度对夹紧变形影响很大，需用塞尺进行检验。如图所示，某压气机盘在端面上增加一块材料作为夹紧用。3.3.工艺过程分析工艺过程分析1）工序5是加工两平行平面为工序10超声波探伤做准备。2）工序15,20,25 是三个粗加工工序，采用大小端交替加工的方式去除主要余量。3）工序35是淬火加时效热处理。4）工序45,50半精加工大小端，之前40要修复基准。5）工序55 钻腹板上的均压孔，也是拉槽的角向定位基准。6）工序65是拉榫槽工序，由于余量较大一般采用多把拉刀，在一个工序中完成。7）工序75是钻小孔工序。8）工序80,85是配合基准面和腹板面的精加工。9）最后是一些检验和表面强化处理工序。三、主要工序的进行方法三、主要工序的进行方法1.1.盘的车削加工盘的车削加工 盘的加工表面以回转面为主，所以车削加工在总加工量中占很大比重。粗加工粗加工多在立式车床上进行。半精加工和精加工半精加工和精加工一般采用数控车。其中腹板面的精加工也可以用双面车。双面车：双面车：用两把车刀从腹板两侧同时进行车削，加工中两端的车削抗力就互相抵消，可以避免加工变形。如图所示是中间传动双面车削腹板面的加工示意图。2.榫槽加工榫槽加工 涡轮盘和压气机盘的榫槽，数量多、加工精度要求高以及表面质量要求也很高，特别是近几年新型槽型不断增加。因此榫槽的加工是盘类零件的关键工序之一。目前榫槽的加工方法主要是拉削和数控铣。榫槽的高速拉削：榫槽的高速拉削：一般采用专用的卧式高速拉床进行侧面拉削，工件装在具有自动分度功能的夹具上，榫槽的形状是由多把粗拉刀开槽、粗拉槽形以及多把拉刀精拉槽形完成。专用卧式拉床渐切法：渐切法：这种拉削方式是将拉刀齿形修整，形成每个刀齿两侧表面具有侧隙角，减少了拉刀齿侧面与被加工表面之间的磨擦，提高了拉刀的耐用度。成形法：成形法：拉刀每个齿切下的金属层与被拉削表面最后型面相似。优点是拉刀定型齿的型面精度决定被拉型面的加工精度，因此容易获得较高的几何精度。 根据上述原因，确定拉削方式为精拉刀用成形法，粗拉型面用渐切法。拉削方式拉削方式 在设计拉削时，拉削方式将影响到拉刀的结构，拉刀的制造工艺性，拉削后的零件型面的几何精度、粗糙度以及拉刀调试时间的长短。燕尾形榫槽拉削时的拉刀排列四四. .整体盘的加工整体盘的加工1.1.整体盘的加工方法整体盘的加工方法 整体盘零件具有狭窄的凹腔、狭长槽和很深的复杂几何形状，切削时往往需要五轴联动。主轴有三个移动运动，工件有旋转和摆转两个运动。确保加工获得成功的关键因素包括具有良好动态特性的五轴机床、经过优化的软件以及正确的刀具选择。2.复合高效强力铣加工工艺方法复合高效强力铣加工工艺方法 整体盘加工材料去除率高、效率低。数控铣加工整体叶盘从毛坯加工成最终零件，90的材料将被去除。 如美国洛克希德马丁公司在研制JSF联合攻击机时，采用五坐标数控加工方法，将约1.5t的钛合金锻锭数控铣削加工成重约99kg的大型升力风扇整体叶盘，其切除率超过93%。复合强力铣加工工艺方法：复合强力铣加工工艺方法：即盘铣- 插铣- 侧铣综合铣削。 首先利用槽的高效粗加工工艺方法即盘铣，对小曲率整体叶盘通道进行大余量切除；在此基础上，通过插铣新工艺对盘铣刀不可达区域进行高效插铣切除，实现扩槽加工；最后，在较小余量的基础上，通过圆柱铣刀或球头铣刀进行侧铣或行切，实现叶片型面的精加工及清根。通过盘铣、插铣、侧铣的有效集成，可大幅度提升小曲率整体叶盘的综合加工效率，降低制造成本。3.3. 整体叶盘数控加工程序优化整体叶盘数控加工程序优化 目前国外 一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，此外，一些通用的软件如：UG、CATIA、PRO/E等也可用于整体叶轮加工。目前，国内只有少数几家企业可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进水平尚有很大差距。总体上我国叶轮加工领域的研究与应用同发达国家相比还有很大差距。 整体叶轮加工视频演示。整体叶轮加工视频演示。