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車銑復(fù)合加工在航空發(fā)動機(jī)精密零件中的應(yīng)用
2020-9-22  來源：中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司  作者：張晶 韓彬 金英卓

  
      摘要 ：航空發(fā)動機(jī)精密零件加工質(zhì)量和效率影響發(fā)動機(jī)的性能和成本。針對噴嘴類零件尺寸小、精度高、種類多和批量小的特點(diǎn)，基于車銑復(fù)合加工技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢設(shè)計(jì)了零件工藝，通過使用 UGNX 軟件編制數(shù)控程序，VERICUT 軟件模擬仿真，并將優(yōu)化后的程序?qū)胲囥姀?fù)合加工中心進(jìn)行了加工驗(yàn)證，減少了加工中的人為干預(yù)，提高了零件加工質(zhì)量和效率。

     關(guān)鍵詞 ：航空發(fā)動機(jī) ；精密零件 ；車銑復(fù)合加工

     0 引言
  
     近年來，世界航空制造技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，并呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。航空發(fā)動機(jī)的研制集中了冶金、材料、熱處理、表面處理、機(jī)械制造、特種加工、增材制造、工裝設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)檢測和試驗(yàn)測試等多種專業(yè)的最高成就，零件數(shù)量達(dá) 1萬余個(gè)，加工精度達(dá)到 0.001 mm。
  
     為了提高航空零件的質(zhì)量，大量的新材料及越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)逐漸被采用，加工精度要求越來越高，噴嘴類零件作為航空發(fā)動機(jī)精密零件的典型代表，其加工精度會直接影響發(fā)動機(jī)的工作性能。隨著數(shù)控車銑復(fù)合加工中心、數(shù)控五坐標(biāo)加工中心、數(shù)控銑磨復(fù)合加工中心等新型復(fù)合加工設(shè)備的不斷發(fā)展，減少了零件的裝夾次數(shù)、夾具數(shù)量和周轉(zhuǎn)時(shí)間，使零件的加工變得簡單、高效，為航空發(fā)動機(jī)精密零件的制造提出了新的解決方案。
  
      1 、車銑復(fù)合加工技術(shù)
  
     車銑復(fù)合加工是一種利用先進(jìn)控制技術(shù)、精密測量技術(shù)以及 CAD/CAM 等現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)和精密制造技術(shù)相合成的先進(jìn)機(jī)械加工方法。通過一次裝夾找正，將車、銑、鉆、鏜、線切割等多工序合并，能夠達(dá)到提高零件加工精度、縮短制造周期、節(jié)省工裝數(shù)量、減少生產(chǎn)管理的效果。噴嘴類零件的具有尺寸小、精度高、種類多和批量小的特點(diǎn)，而車銑復(fù)合加工技術(shù)具有較高的柔性，可以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品加工之間的轉(zhuǎn)換，因此車銑復(fù)合加工技術(shù)適合應(yīng)用于噴嘴類精密零件的制造。

     2 、噴嘴類零件加工實(shí)例
  
     2.1 零件
  
     如圖 1 所示為某型號航空發(fā)動機(jī)副噴口零件，主要承擔(dān)著在主燃燒室噴射帶有一定角度和流量的霧化燃油的工作，燃油經(jīng)充分燃燒后為發(fā)動機(jī)提供推力，其加工精度將直接影響燃油流量和霧化錐角，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的燃燒效率和性能。該零件尺寸較小，精度較高，輪廓尺寸為φ12.5×19.5mm，小孔對大孔有同軸度要求，安裝邊平面對大孔有垂直度要求。
 
 

圖 1 零件模型
  

     2.2 工藝方案
  
     該零件采用普通設(shè)備加工需要派制專用工裝，多次裝夾、找正，無法保證精密尺寸與技術(shù)條件要求。由此，選用帶有雙主軸結(jié)構(gòu)，可以自動對接的車銑復(fù)合加工中心進(jìn)行加工。由 UGNX 軟件建立三維模型，通過合理的設(shè)計(jì)走刀路徑、選擇合適的切削參數(shù)編制加工程序，使用 VERICUT 軟件進(jìn)行模擬仿真，最終輸出能被加工設(shè)備識別的 ptp 格式的數(shù)控加工程序，導(dǎo)入加工設(shè)備進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證。
  
     2.2.1 工藝設(shè)計(jì)
  
    （1）零件毛坯是直徑為 φ15 mm 棒料，直接裝夾棒料外圓。由于小孔對大孔有同軸度要求，安裝邊平面對大孔有垂直度要求，因此先加工大孔一端，同時(shí)粗鉆小孔，保證兩孔的同軸度。

    （2）使用車銑復(fù)合加工中心的自動對接功能，將第二主軸靠緊零件右端，夾持外圓，切斷左端，保證零件總長尺寸19.5 mm。

    （3）夾持零件右端外圓，鏜小孔后車外錐面。
  
     2.2.2 程序設(shè)計(jì)
  
     數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)的核心是數(shù)控加工工藝分析和規(guī)劃，主要包括加工區(qū)域的劃分和規(guī)劃、刀軌形式與走刀方式的選擇、刀具及加工工藝參數(shù)的設(shè)置。UGNX 軟件是 Siemens PLMSoftware 公司出品的具有強(qiáng)大設(shè)計(jì)、工程及制造功能的高端軟件系統(tǒng)，包括 NX 鈑金、外觀造型設(shè)計(jì)、制圖、高級仿真、運(yùn)動仿真、加工、裝配等多種模塊，是航空發(fā)動機(jī)精密零件設(shè)計(jì)、加工的首選軟件。在程序設(shè)計(jì)階段，采用 UGNX 加工模塊，可以按照零件加工工藝路線設(shè)計(jì)并生成刀具軌跡。根據(jù)噴口零件工藝路線，可將加工區(qū)域劃分為 3 個(gè)部分：車加工區(qū)域、銑加工區(qū)域、對接后車加工區(qū)域。

     （1）車加工區(qū)域程序設(shè)計(jì)
  
     選擇 UGNX 加工模塊，配置相應(yīng)綁定包，進(jìn)入車加工環(huán)境。將零件模型與棒料模型裝配一體。車加工編程特別需要注意的是調(diào)整坐標(biāo)系，使機(jī)床坐標(biāo)系符合實(shí)際。按照工藝要求在用戶界面設(shè)置切削區(qū)域、切削策略、刀具參數(shù)、走刀路徑和切削參數(shù)，生成刀軌。

     （2）銑加工區(qū)域程序設(shè)計(jì)
  
     該噴口零件銑加工區(qū)域僅需進(jìn)行銑旋流槽程序設(shè)計(jì)。編程方式有 2 種 ：第一，編制宏程序，輸入設(shè)備 ；第二，采用UGNX 軟件基于零件模型編程，后置處理后生成 ptp 格式的數(shù)控加工程序，導(dǎo)入設(shè)備。采用宏程序編程，利用循環(huán)語句可以縮短程序行數(shù)，修改方便，但是編程人員和設(shè)備操作者需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與宏編程基礎(chǔ)。該噴口零件采用 UGNX 軟件基于零件模型編程。進(jìn)入銑加工環(huán)境，按照工藝要求在用戶界面設(shè)置切削部位、驅(qū)動方法、投影矢量、刀軸、刀具和切削參數(shù)等相應(yīng)參數(shù)，即可完成程序設(shè)計(jì)。采用 UGNX 軟件編程難度較低，但是輸出的程序?yàn)樽鴺?biāo)點(diǎn)，數(shù)據(jù)量巨大，如需修改，必須調(diào)整 UGNX 零件模型再重新輸出，導(dǎo)入設(shè)備。

     （3）對接后車加工區(qū)域程序設(shè)計(jì)
  
      對接后需進(jìn)行精鏜小孔和車外錐面工步。再次進(jìn)入車加工環(huán)境，按照工藝要求在用戶界面設(shè)置切削區(qū)域、切削策略、刀具參數(shù)、走刀路徑和切削參數(shù)，生成刀軌。

      2.2.3 模擬仿真
  
      VERICUT 軟件是美國 CGTECH 公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，是航空發(fā)動機(jī)精密零件加工程序設(shè)計(jì)中最常用的軟件。UGNX 軟件生成的 STL 格式零件模型和 PTP 格式數(shù)控程序加載至 VERICUT 中，配置控制系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)等相應(yīng)模塊即可進(jìn)行仿真和分析。

      2.2.4 加工驗(yàn)證
  
      將 UGNX 軟件生成的數(shù)控加工程序?qū)胲囥姀?fù)合加工中心，采用設(shè)備自動對刀模塊完成刀具設(shè)置，選用合適的切削參數(shù)，加工后的零件經(jīng)檢驗(yàn)符合圖紙要求。

     3 、結(jié)語
  
     采用車銑復(fù)合技術(shù)加工航空發(fā)動機(jī)噴嘴類精密零件，一次裝夾找正，完成車削、銑削和對接后車削的全部加工內(nèi)容，加工精度高、加工效率高、工裝數(shù)量少、生產(chǎn)管理少。通過使用 UGNX 軟件數(shù)控編程，VERICUT 軟件模擬仿真，能夠在計(jì)算機(jī)中完成程序的驗(yàn)證和調(diào)整，將優(yōu)化后的程序?qū)爰庸ぴO(shè)備，能夠減少加工中的人為干預(yù)，提高零件加工質(zhì)量和效率。
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