航空發動機風扇單元體高效（xiào）孔加工技術
2024-8-28 來源：中國航發成都發動機（jī）有（yǒu）限公司 作（zuò）者：李曉偉 陳鵬飛
【摘要】: 論述了渦扇發動機風扇單元體（tǐ）孔的特征、加工難點和加工（gōng）刀具的設計思路。針（zhēn）對特征孔加工周期長、質量差的問題，設計了新型加工刀具及改進加工工藝路線，提高了加工效率和零件質量，形成一套高效的（de）孔加工方案，有利於提升航空發動機整體製造水平。
【關鍵詞】: 高效孔加工 ; 航空發動機 ; 自動化
1.引言
風扇單元體是航空發動機中的重要支撐和連接部件，特征孔加工難度大，迄今少數國外企業壟斷了特征孔的（de）高效加（jiā）工技（jì）術和裝備。 由於國內特征孔高效加工（gōng）經驗不足，金（jīn）屬切削加工技術欠缺，特征孔的高效加工（gōng）已成為製約我國裝（zhuāng）備製造業高速發展的瓶頸之一（yī）。
特征孔的加工難點在於多特征（zhēng）孔、深（shēn）孔和反锪孔加工（gōng），如 CF34-10A 的風扇單元體中有較多的輸油孔、吊掛（guà）孔和連接孔，加工難度大、周（zhōu）期長（zhǎng），一直是（shì）生產加（jiā）工中（zhōng）的難點。因此，本文（wén）通過設計專用加工刀具和改進加工工（gōng）藝方案對加工難度大的特征孔進行高效加工（gōng）研究，以（yǐ）解決孔（kǒng）加工周期長、精度差等問題。高效孔加工可（kě）以為加快我國先進發動機生產進度提供技術保障，且具（jù）有較大的應用價值（zhí）和廣闊的應用前景。
2. 特征孔的加（jiā）工（gōng）難點
以 CF34-10A 的風扇單元體為研究對象，加工（gōng）難度大的特征孔主要分為深孔、多特征孔和反锪孔，其數量眾多且結構複（fù）雜，目前的通用加工（gōng）刀具無法做到一次成型，因此需要眾多工步和繁雜（zá）的工藝路（lù）線，加工周期較（jiào）長。
2.1 深（shēn）孔加工難（nán）點
深孔特征在航空發動機中較為（wéi）常見（jiàn），某（mǒu）型號零件的深孔結構特征如圖 1 所示。
圖 1 深（shēn）孔加工結構特征
具體加工（gōng）難點有（yǒu） :
加工狀態不可見 : 如圖（tú） 1 所（suǒ）示，深孔位置在風扇框架的內腔中，加工時無（wú）法觀察到刀具的下刀位置，隻能根據聲音判斷加工（gōng）過程中零件（jiàn）的狀況和刀具的磨損狀況，在一定程度（dù）上給編程（chéng）和加工帶來了難度。
精度高 : 該（gāi）孔為裝配精密孔，尺寸公差要（yào）求嚴格（直徑φ68.001+0+0.0508mm，位置（zhì）度φ0.0508，粗糙度（dù） Ra1.6），加工中刀具的磨損、排屑狀況和剛性（xìng）導致的振動都會造（zào）成尺寸超（chāo）差。
剛性差 : 從圖 1 可以看出（chū），該部位屬於深孔加工（加工深度 315.772mm），長徑比 L/D ≥４，且無法支（zhī）撐薄壁，部件剛（gāng）性較弱，加工時容易（yì）產生振動和變形，導致零件超差，無法保證孔的精度。
孔特征多（duō） : 孔（kǒng）底部有（yǒu） 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（gōng）步分散，加工周期長。切削熱不易散（sàn）出 : 深孔加工排屑困難（nán）和排屑通道長，零件加工一直處於封閉環境，產（chǎn）生大量的切屑熱不易散出（chū），由於熱量會對零件和刀（dāo）具產生影響（xiǎng），在冷（lěng）卻不到（dào）位情況（kuàng）下（xià）易造成鈦（tài）合金零件尺寸超差。
2.2 多特征（zhēng）孔加工難點
多特征孔大多有四（sì）五處加工特征，需要經過多（duō）道加工工藝且（qiě）公差要求較嚴，因此在加工過程中周期長（zhǎng）成為主要難點，圖 2 為多特征孔結構（gòu）。
圖 2 多特征孔加工結（jié）構
特征多是該孔主要加工難點（diǎn），具有沉頭孔、兩處（chù）倒角、通孔等特征，需要多種加工工藝（yì）（見圖 3），現場操作中（zhōng）需（xū）要多次更換刀具和（hé）兩次零件裝夾，造成同軸度易超差、加工內容繁雜、工序分散、加工周期長、加工效率低等問題。
圖 3 多特征（zhēng）孔加工路線（xiàn）
2.3 反锪孔
反锪孔在風扇部件中是重要的裝配特征，數量眾多且孔徑尺寸公差（chà）要求較為（wéi）嚴格（見圖４）。
圖 4 反锪孔結構特征
主要加工難點有 :
結構特殊導致加（jiā）工難度大 : 由於沉頭在（zài）反麵，所以無法應用普通刀具，目前國內（nèi）使用分體（tǐ）式反锪刀進行加工（gōng），需要在加工時（shí）手動裝卸刀（dāo）頭，完成一個孔的加工需要三次裝卸（xiè），自動化水平低，嚴重製約（yuē）生產效率 ; 如果忘記裝卸刀頭則會和零件發生碰撞，加工風險高，嚴重時會造成零（líng）件報廢。
剛性差 : 從圖 4 可以看出，反锪孔位於零件邊緣且周向（xiàng）分布，此位置壁厚相對較小，剛性弱，加工時需要將刀柄深入通孔底部後再裝刀進行反向切削，因而刀柄直徑較小（通孔直（zhí）徑±0.01016mm），加工狀態不可（kě）控，尺寸（cùn）易超差。
冷卻不充分 : 因為加工位置在背部，冷卻液澆注難度大（dà），會對零（líng）件質量造成極大影響，因此在加工中必須采取有效的冷卻方式來降低切削區域溫度。
3. 解決方案
3.1 深孔解決方案
由（yóu）於深孔的特點在於長徑比較大，加工時無法進行觀察，參（cān）數設定較高容易使刀具產生振動，影響特（tè）征孔的表麵質量和尺寸精（jīng）度，因此（cǐ）可以在保證（zhèng）質量的前提下設計專用的深孔刀具 : 一把粗鏜刀去除大餘量和一把精鏜刀保證尺寸精度。專用鏜刀的（de）設計目的是改善深孔加工的加工效率和加工質量，因此需對鏜刀的尺寸大小、重量（liàng）和結構進行分（fèn）析（xī），最大程度地保證加工狀態的穩（wěn）定性和高效性。
3.1.1 刀具參數
深孔加工需要利用鏜刀長度和直徑尺寸控（kòng）製刀具的擺動偏（piān）差，進而保證（zhèng）加工（gōng）的穩定性。 圖 5和圖 6 為刀具擺動偏差和（hé）刀具尺寸的關係。
圖 5 長度（dù）對擺動偏差分析
圖 6 直徑對擺動偏差分析
針對鏜刀長度，有
式 中，Δ Ｒ 為 擺 動 偏 差（mm）; Ｆ 為 切 削 力（Ｎ）; Ｌ為刀杆長度（dù）（mm）; Ｅ為彈性模量（liàng）（Ｎ /mm2）; Ｉ為截麵慣性矩（mm4）。
從式 (1) 中可（kě）以看出，ΔR 和 L3 成正比，因而在滿足加工要求的條件下，鏜（táng）刀越短（duǎn）擺動偏差越小，剛性越好，因此刀（dāo）具長度應（yīng）盡可能接近深孔深度。
針對鏜刀直徑，有
式中（zhōng），Ｉ為截麵慣性矩 (mm4); Ｄ為刀柄直徑（mm）。
從式（2）可以得出，Ｉ和 D4 成正（zhèng）比，刀柄直（zhí）徑Ｄ越大，截麵慣性矩Ｉ就越大，擺動偏差△Ｒ就（jiù）越小，因此在滿足加工的條件下刀柄直（zhí）徑越大越好。
綜上所述，為保證零件加工時的穩定性，盡量選擇長度短、直徑大的鏜刀。
3.1.2 冷卻係統
深孔區域加工內容較封閉，冷卻（què）液不易衝（chōng）到，因此需要增加（jiā）內冷係統，不僅可以有效降低切（qiē）削區（qū）域溫度（dù），保證加工質量，也（yě）可以通（tōng）過內冷將鐵屑衝出，防止（zhǐ）堵屑。
3.1.3 切削齒數
傳統粗加工用整硬銑（xǐ）刀進行螺（luó）旋層銑去除大餘量，此方法（fǎ）受（shòu）力不均勻，加工效率低，周期長（zhǎng）。通過增加切削刀片的數（shù）量，采用多刃對稱（chēng）鏜（táng）刀（dāo）對零件進行加（jiā）工，以達到部件受力均勻效果。改進前後的受力效果如圖 7 所示，這種粗鏜刀加工方式類似於鉸孔，比螺旋層銑更加高效、穩定。
圖 7 受力效果對比
3.2 多（duō）特征孔解決方案
針（zhēn）對多特征孔的加工難點對（duì）刀具進行改進設（shè）計 : ①風扇（shàn）單元體多為導熱性差的鈦合金，所以刀具需要有內冷孔（kǒng） ; ②定製一把專用（yòng）的多特征台（tái）階鑽（見圖８），可（kě）以將原工藝路線從鑽孔、擴（kuò）台階孔、鉸孔、倒（dǎo）角集中（zhōng）為鑽（zuàn）孔工藝，達到工序集中目的，提高加工效（xiào）率，解決加工周期過長的問題，並且縮短工藝路線，也可以提高加工（gōng）質量（同軸度）和容錯率 ; ③將彈簧刀柄替換為（wéi）專用熱縮刀柄，增加（jiā）剛性。
圖 8 台階鑽
3.3 反锪孔解決方（fāng）案
反锪孔的難（nán）點是分體式反锪刀需（xū）要人工裝卸，步（bù）驟繁瑣，容錯率低。為解決加工低效的難題，設（shè）計一把專用的整體式反锪刀，其設計理念為通（tōng）過冷卻係統和離（lí）心力控製刀片的（de）收放（fàng），解決人工裝卸問題，進而達到縮短周期、提高自動化程度的效果。
3.3.1 自動（dòng）化控（kòng）製刀片（piàn）
可以通過控製冷卻液和轉速來實現自（zì）動控（kòng）製刀片收（shōu）放，打開內冷刀（dāo）具收回，打開轉速則刀具伸出（見圖９）。自動化控製刀具收放可以減少人為操作，提高零件加工質量和加工效率。
圖 9 高效反锪刀加工
3.3.2 刀杆設計
加工（gōng）反锪孔的（de）刀杆直（zhí）徑比底孔小，在反锪孔加工過程中刀具振動會造成反锪孔有振紋，無法滿足粗糙度（dù）要求，因（yīn）此需要通過增加減振裝置來提高刀杆剛性，控製加（jiā）工質量（liàng）。
4. 效（xiào）果分析（xī）對比
4.1 深孔加工效果對比
深孔加工工藝是用（yòng）整硬銑刀螺旋層銑去除（chú）大餘量（liàng）後用鏜刀（dāo）進行精加（jiā）工，再倒角。分析（xī）深孔加工難點，利（lì）用專用粗鏜刀提高加工效率並縮短加工周期，以某外（wài）貿零（líng）件為例分析對比改進效果。
4.1.1 加工周期
深孔加工時間為
改 進 前， 工 藝 路 線 為 先 螺 旋 層 銑 再 精鏜（táng），螺旋層銑見圖 10，加工參數為 : 螺旋銑S600F80 ，螺旋銑層數 66; 精鏜 S60F6。理論螺旋銑時間 126.9345min，精鏜（兩刀加工）時間為（wéi） 44min，總時間為170.9345min，現場實際加工（gōng）時間為 200min。
圖 10 螺旋層銑
使（shǐ）用專（zhuān）用鏜刀後，工藝路線為先粗（cū）鏜再（zài）精鏜，加（jiā）工參數（shù）為 : 粗鏜 S85F15，精鏜 S70F7。理論粗鏜（一刀）加工時間 8.8min ，精鏜（兩刀）加工時間（jiān） 38min，總時間 46.8min，現場（chǎng）實際（jì）加工時間 50min。
4.1.2 加工質量（liàng）
經過專用鏜刀加工，深孔基本無振紋，深孔（kǒng）的直線（xiàn）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題，總體（tǐ）質量優於原加工方（fāng）式。
4.2 多特征孔的加工效果對比
4.2.1 加（jiā）工周期
改進前的工藝路線為 : 鑽中心孔—鑽底孔 φ６—鉸孔 φ ７—鑽孔 φ9.72—倒角—倒角 ; 加工參數為 : 鑽中心孔 S600F50，鑽底孔 S600F20 ，鉸（jiǎo）孔（kǒng）S600F20 ，鑽孔 φ9.72 S200F10，倒角 S240F20。單孔加工約 19min，23 個孔的總加工時（shí）間為437min 。改進（jìn）後的鑽孔工藝隻需一刀完成，加工（gōng）參數為 S780F50，加工時間為 23min。 通過對比，改進後節約時間 414min，縮短 94.32％ 。
4.2.2 加工質量
通過使用台階鑽加工多（duō）特征孔（kǒng），孔（kǒng）的（de）位置度（dù）和同軸度有明顯改進，並且在刀具中增加（jiā）了內冷孔，使得加工區域完全冷卻且（qiě）易於（yú）排屑，進而提高了特征孔的光度和（hé）尺寸（cùn）精度，相比（bǐ）原加工方案有明顯改善（shàn）。
4.3 反锪孔加工效（xiào）果對比
4.3.1 加工（gōng）周期
改進前的工藝路（lù）線為拆刀頭—下刀—裝刀頭（tóu）—反锪加工—退刀—拆刀頭—返回起始點，加工時間為40h（現場統計）。改（gǎi）進後隻有鑽孔工藝，加工時間為 3.7h。
分體式反锪（huō）刀需要手（shǒu）動裝卸刀頭，因而加工周期不可控，加工效率極低。 通過對比（bǐ）可以得出，時間減少 36.3h，縮（suō）短 90.75％ 。
4.3.2 加工質量
分體式反锪刀（dāo）加工特征孔時，可以利用程序來控（kòng）製內冷進而控製刀具的收縮，解決了人工裝卸刀（dāo）頭的低（dī）效和高風險問題，並且整體式反锪刀剛性比分體式更高，能有效（xiào）減小加工振動，提高零件質量。
5. 結語
通過設計（jì）專用刀具來加工深孔、多特征孔和反锪孔，解決了（le）特征孔加工周（zhōu）期長、加工（gōng）效（xiào）率（lǜ）低的問題。以某外貿型（xíng）號為（wéi）例，進行加工（gōng）效果對比（bǐ）。
（1） 特征（zhēng）孔實際（jì）加工總計縮（suō）短時間為2742min，較原工藝減少 90.28％ ，已達到（dào）高效加工預期。
（2）專用刀具中的內冷孔可以有效冷卻加工區域，並且專（zhuān）用刀具的剛性更高，能夠降低加工中的振動，保證零（líng）件的光潔度和粗糙度（dù）。 專用刀具（jù）具有多特征加工能力，使工序集中，減少人為幹預（yù），提高容錯率，保證零（líng）件的（de）加工質量。 實際加工中，φ68mm 的深孔表（biǎo）麵粗糙度可達 Ra1.6甚至更好，其（qí）他孔徑尺寸也符合（hé）要求，超（chāo）差率為 0，位置度無超差。使用專用刀具達到預期目的，提高了零件的合格率。
投稿箱：
如果您有機（jī）床行業、企業相（xiàng）關新聞稿件發（fā）表，或進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機（jī）床行業、企業相（xiàng）關新聞稿件發（fā）表，或進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更（gèng）多相關信息
- target=_blank>模（mó）具製造（zào）中的（de）數控銑削加工刀具技術探討（tǎo）
- target=_blank>航空航天高精密法蘭盤的加工
- target=_blank>博世力士樂 PRC7000 點焊伺（sì）服運動控製器，重器啟新！
- target=_blank>NTN榮獲本田汽車零部件製造有限公司（sī）“搬入優秀獎”
- target=_blank>博世（shì）力士樂助力博（bó）世布萊（lái）夏赫工廠的互聯與效（xiào）率升級
新聞資訊
| 更多
- target=_blank>覆蓋件模具數控加工刀庫自動化應用
- target=_blank>高速、高（gāo）質（zhì）、高效的精密齒輪製造之路（lù）——訪（fǎng）平湖市一鑫齒輪有限公司總經理金佳（jiā）先生
- target=_blank>高速、高質與高效（xiào） ：埃馬克助力一鑫齒輪夯實精密齒輪製造之路
- target=_blank>伊斯卡將再次改（gǎi）變金屬切削的世界！
- target=_blank>車削加（jiā）工，高效（xiào）迅速
- target=_blank>創新引領 共赴未來--——訪孚爾默（太倉）機械有限（xiàn）公司（sī）總經理（lǐ） Bernd Kern 先生
- target=_blank>SINUMERIK ONE 提供眾（zhòng）多支持（chí）可持續發展的功能
- target=_blank>中國裝備 裝備中（zhōng）國 走向世界：新中國成立 75 年來，隨著國家經濟社會的
- target=_blank>HandySCAN 3D|MAX 係列（liè）全新增強規格
- target=_blank>切削刀具行業的未來
