航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣數(shù)控加工技術(shù)研究

2024年3月28日發(fā)(作者：月寒)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣數(shù)控加工技術(shù)研究

摘要：機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要組成部分，其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)對(duì)于航空工

業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣結(jié)構(gòu)部件能否得到全面的精細(xì)化

加工，直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固與安全性能。數(shù)控加工工藝能夠保證機(jī)

匣加工的尺寸參數(shù)準(zhǔn)確，有效節(jié)約了機(jī)匣加工的操作實(shí)施成本。可見，數(shù)控加工

的智能控制技術(shù)應(yīng)當(dāng)全面應(yīng)用于加工生產(chǎn)過程。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣；數(shù)控加工；技術(shù)運(yùn)用要點(diǎn)

1發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣分類

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣一般可以根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、功能及材料進(jìn)行劃分。機(jī)匣類零

件如果按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以分成兩大類，即環(huán)形機(jī)匣和箱體機(jī)匣。環(huán)形機(jī)匣可以進(jìn)

一步分成整體環(huán)形機(jī)匣、對(duì)開環(huán)形機(jī)匣和帶整流支板的環(huán)形機(jī)匣。其中，整體環(huán)

形機(jī)匣，例如燃燒室機(jī)匣、渦輪機(jī)匣等；對(duì)開機(jī)匣，例如壓氣機(jī)機(jī)匣；帶整流支

板的機(jī)匣，例如進(jìn)氣機(jī)匣、中介機(jī)匣、擴(kuò)散機(jī)匣等；箱體機(jī)匣，例如附件機(jī)匣、

雙速傳動(dòng)殼體。機(jī)匣如果按功能進(jìn)行分類，在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上，有進(jìn)氣處理機(jī)匣、

低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣、軸承機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、加力燃

燒室機(jī)匣、中央傳動(dòng)機(jī)匣、附件機(jī)匣等；在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上不同

的機(jī)匣還有進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、中介機(jī)匣、渦輪后機(jī)匣、外涵機(jī)匣等。

2航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的組成結(jié)構(gòu)特征

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣零件主要包含了箱體機(jī)匣以及環(huán)形機(jī)匣，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣

的完整結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)包含機(jī)匣本體與靜子葉片兩個(gè)組成部分。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

材料主要包含欽合金、鋁合金、復(fù)合材料、高強(qiáng)度鋼材、耐高溫性質(zhì)的特殊合金

材料。現(xiàn)階段的航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)格呈現(xiàn)出豐富多樣的總體發(fā)展特征，因此決定

了機(jī)匣傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)全面的更新優(yōu)化。

3發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工工藝策略

3.1面向加工的機(jī)匣參數(shù)建模

機(jī)匣的參數(shù)建模需要根據(jù)具體機(jī)匣結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行。首先需要進(jìn)行機(jī)匣零件的

結(jié)構(gòu)特征分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀，結(jié)合加工特點(diǎn)及形體特征劃分特征單元，并分解

成基本的特征系。其次，根據(jù)建立的基本特征系之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系或者約束條件，

建立關(guān)聯(lián)表達(dá)式和特征分叉樹。最后，分析各特征所依賴的基準(zhǔn)關(guān)系及約束關(guān)系，

在這些基礎(chǔ)上確定形位尺寸加以數(shù)值約束，并由此創(chuàng)建機(jī)匣的機(jī)體特征，在機(jī)體

特征上進(jìn)一步創(chuàng)建附加特征。機(jī)匣是一個(gè)典型的回轉(zhuǎn)殼體類零件，其基本特征就

是截面回轉(zhuǎn)特征，該截面可以采用參數(shù)化草圖方式表達(dá)，因此，可以看做是主特

征。而其余特征均是基于回轉(zhuǎn)特征創(chuàng)建，可以看做是子特征。面向制造而言，主

特征又包含了外形和內(nèi)形特征系。外形特征系包含有安裝邊、回轉(zhuǎn)殼體、臺(tái)階面

等。其中回轉(zhuǎn)特征系最為復(fù)雜，包含的結(jié)構(gòu)特征最多。例如，在特征區(qū)域下，包

含了安裝孔特征系、腔槽特征系、凸臺(tái)特征系等。這些特征系構(gòu)成了最基本的加

工制造單元，內(nèi)形特征系包含了前安裝邊、后安裝邊和回轉(zhuǎn)內(nèi)腔特征系。前后安

裝邊包含了機(jī)匣加工過程中最重要的加工基準(zhǔn)特征。通過具體的結(jié)構(gòu)分析與特征

分解、基準(zhǔn)體系分析過程，以面向制造為單元建模，借助通用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)（例

如UG、CATIA等）可以快速構(gòu)建機(jī)匣類復(fù)雜回轉(zhuǎn)殼體零件的參數(shù)化幾何模型。

3.2合理優(yōu)化機(jī)匣加工路線

機(jī)匣加工路線只有得到了科學(xué)合理的改進(jìn)優(yōu)化，才能為機(jī)匣加工的整體質(zhì)量

提供更為有效的保障。在此前提下，對(duì)目前機(jī)匣加工的技術(shù)實(shí)施路線應(yīng)當(dāng)進(jìn)行必

要的創(chuàng)新，確保將數(shù)控工藝手段融人貫穿于機(jī)匣加工過程。具體在制作機(jī)匣毛坯

的操作實(shí)施步驟中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮機(jī)匣毛坯焊接與組裝的各個(gè)流程技術(shù)要點(diǎn)，確

保合理預(yù)留裝夾位置。裝夾操作實(shí)施的前提在于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的裝夾節(jié)點(diǎn)定位，這就

必須要保證裝夾定位的外圓結(jié)構(gòu)達(dá)到最基本的端面尺寸要求，避免出現(xiàn)裝夾定位

實(shí)施中的尺寸錯(cuò)誤。加工機(jī)匣的工藝路線應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照先粗后精的基本實(shí)施要求，

確保經(jīng)過粗加工與精細(xì)化加工來保證機(jī)匣尺寸定位的準(zhǔn)確性。具體釗一對(duì)于粗加

工的先期處理工藝而言，關(guān)鍵應(yīng)當(dāng)落實(shí)在控制加工效率，確保運(yùn)用合理的技術(shù)方

法來提升粗加工的操作實(shí)施效率。相比而言，技術(shù)人員對(duì)于精細(xì)化的機(jī)匣部件加

工過程應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格限定加工尺寸的錯(cuò)誤，盡可能消除機(jī)匣加工的尺寸誤差。在熱處

理的工藝流程中，關(guān)鍵就是要準(zhǔn)確判斷機(jī)匣部件的表面變形風(fēng)險(xiǎn)，通過實(shí)施階段

性的表面變形控制技術(shù)來確保機(jī)匣尺寸的精度提高。

3.3構(gòu)建機(jī)匣數(shù)控加工的信息化模型

近年來，仿真建模軟件正在被普遍用于機(jī)匣數(shù)控加工的操作處理過程。機(jī)匣

數(shù)控加工的全面實(shí)施過程不能缺少數(shù)控加工的立體化模型作為必要支撐，旨在實(shí)

現(xiàn)機(jī)匣加工的各個(gè)部位尺寸調(diào)整控制效果。按照現(xiàn)有的機(jī)匣加工尺寸精度控制要

求，數(shù)控加工過程中的機(jī)匣銑刨余量應(yīng)當(dāng)限定在0.3mm以內(nèi)，風(fēng)扇機(jī)匣的車削余

量應(yīng)當(dāng)避免超出(0.2mm）通過實(shí)施精確化的機(jī)匣尺寸精度誤差控制，應(yīng)當(dāng)能夠有

效確保經(jīng)過合理優(yōu)化以及全面調(diào)整后的機(jī)匣加工質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

4制造技術(shù)的發(fā)展

近年來，航空制造技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，在三新件、高速切削、虛擬制造技術(shù)、

高效加工技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)加工技術(shù)、數(shù)字化車間等多個(gè)方面發(fā)展尤為迅速。

4.1新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝

制造技術(shù)和材料在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高中的貢獻(xiàn)率為50%~70%，在發(fā)

動(dòng)機(jī)減重方面的貢獻(xiàn)率占70%~80%，充分表明先進(jìn)的材料和工藝是航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)

現(xiàn)減重、增效、改善性能的關(guān)鍵。未來應(yīng)基于新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝零件的數(shù)

控加工技術(shù)進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)關(guān)注材料硬度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)匣零件，確保機(jī)

匣件的數(shù)控加工技術(shù)滿足先進(jìn)的材料及結(jié)構(gòu)應(yīng)用需求。

4.2高速切削技術(shù)與高速數(shù)控機(jī)床。

隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量增加與結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高，由于高速切削技術(shù)有更快的刀

具速度及進(jìn)給率，目前逐漸成為現(xiàn)代航空復(fù)雜薄壁整體構(gòu)件機(jī)械加工的最重要手

段。而按薩洛蒙曲線規(guī)定，如果切削速度達(dá)到一定速度，其切削溫度反而會(huì)比傳

統(tǒng)切削溫度更低一些。未來將繼續(xù)探討高速數(shù)控機(jī)床與高速切削技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，

綜合提高機(jī)匣件的加工效率及質(zhì)量。

4.3虛擬制造技術(shù)。

虛擬制造技術(shù)主要指在設(shè)計(jì)階段開展技術(shù)仿真研究，通過對(duì)加工過程進(jìn)行建

模以及仿真，模擬產(chǎn)品加工過程中可能出現(xiàn)的問題以及加工難點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

改良優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝一體化，以提高科研產(chǎn)品可制造性。以仿真技術(shù)為

基礎(chǔ)的虛擬制造技術(shù)能夠大幅縮短產(chǎn)品的研制周期，提高產(chǎn)品合格率，是科研產(chǎn)

品設(shè)計(jì)研發(fā)過程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

4.4高效加工技術(shù)。

高效加工是在保證零件精度和質(zhì)量的前提下，通過對(duì)加工過程的優(yōu)化和提高

單位時(shí)間材料切除量來提高加工效率和設(shè)備利用率、降低生產(chǎn)成本的一種高性能

的先進(jìn)加工技術(shù)，其實(shí)高效加工也包含了高速加工。在高效加工過程中，刀具直

接與工件接觸，從工件上切除一部分材料，從而滿足設(shè)計(jì)圖紙要求的尺寸及公差

要求。因此，刀具是高效加工技術(shù)中最具有戰(zhàn)略意義的重要工具，只有不斷研究

先進(jìn)的刀具才能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)日益增加的產(chǎn)量及新材料的應(yīng)用程度。

結(jié)語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣空間結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，材料加工難度大，零件表面加工精度

要求高，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求量逐年遞增。為了提高加工效率與產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)數(shù)

控加工的工藝思路優(yōu)化是首要任務(wù)。目前階段應(yīng)當(dāng)著眼于數(shù)控加工中的刀位軌跡

控制，確保機(jī)匣加工的工藝路線得到合理的優(yōu)化。未來將持續(xù)開展新的數(shù)控加工

技術(shù)研究，綜合提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣數(shù)控加工技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)化、數(shù)字

化高效率、高質(zhì)量、低成本的加工。

參考文獻(xiàn)

[1]馬建寧,張定華,王增強(qiáng),等.大型飛機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及關(guān)鍵制造技術(shù)[J].

航空制造技術(shù),2022(13):56-60.

[2]于志涌.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工工藝探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)

用,2021(17):103

[3]任軍學(xué),楊俊,周金華,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣數(shù)控加工變形控制方法[J].航

空制造技術(shù),2022(23/24):96-99.

[4]薛亮,趙芳亮,申德國,等.高溫合金薄壁機(jī)匣加工技術(shù)[J].科技傳

播,2021(8):206-207.