航空发动机典型产品燃烧室机匣加工工艺分析和技术应用.pdf

航空发动机典型产品燃烧室机匣加工工艺分析和技术应用本文从某型航空发动机燃烧室机匣的工艺特点出发，结合企业能力现状，对燃烧室机匣的加工工艺进行分析，并在应用过程中结合数控加工装备、三维CAD/CAM软件应用技术进行试验，取得一定的经验和效果。分享此类型薄壁燃烧室机匣的开发研制过程中可供借鉴的工艺方法和应用技术。一、前言航空发动机机匣是发动机中的壳体、框架类静子部件，是发动机的重要承力部件。主要作用是承载发动机零组件重量、承受轴向和径向力，构成气流通道，包容气流、发动机转子，防止转子叶片断裂飞出，起到连接、支承、包容等作用。本文论述的燃烧室机匣是某型航空发动机热端的重要功能部件，属于典型的的薄壁环形件（见图一），其大端直径约Φ600mm、小端直径约Φ420mm、总高度约290mm、壁厚4.5mm。工件材料选用13Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢，硬度HB311～388，热导率与镍基高温合金接近，切削加工时蓄热、应力集中使得塑性变形大，难以加工。该型号发动机属急需升级换代产品，已经获得国家正式立项和充分的资金支持，前期试制/小批产品性能已经获得用户方的充分肯定，需求极为迫切。此次为小批转大批生产前的改进试验项目，目的是充分验证该类型产品为满足大批量生产所需的工艺调整和技术应用，打通批产的瓶颈，为向用户迅速提供高质量、高性能产品奠定技术基础。二、工艺性分析燃烧室机匣壳体薄壁，零件刚性弱，加工过程中易产生振动，加工中易产生变形。设计基准的形状公差小，主要表面之间相互位置要求的项目多，且位置公差小。要同时保证这些高精度要求，加工难度很大，完整的工艺分析主要内容需紧扣如下圖表所示，本文篇幅有限主要围绕机加工艺展开。1、工艺方案确定：前后安装边和筒体内壁壁采用车削加工，机匣的半精车和精车采用数控车削工艺。安装边上的精密定位孔位置精度要求高，需要采用坐标镗孔加工工艺。机匣外壁的安装座轮廓型面和安装边上的沉头孔选用数控钻、铰孔和数控铣加工工艺。2、前期试制总结该工件在前期的试制、小批生产中，分别尝试了整体锻件式结构和钣金焊接式结构，目的在于试验产品性能、计算加工周期和设备资源占用率，以及批量化生产的各项成本。总结两种结构的加工工艺和优缺点：2.1、整体锻件式结构的加工工艺，锻件毛坯重量约400kg，工件最终重量约24kg，材料金属去除率～94%；锻件毛坯最大厚度≥180mm，在毛坯阶段淬火工艺成本较大，故选择在粗加工结束后安排热处理达到硬度指标并去除加工内应力；加工全程采用数控立式车床和多轴卧式镗铣加工中心，配合使用陶瓷和硬质合金刀具：粗加工阶段采用晶须陶瓷车刀片，快速去除大余量后，随即进行热处理（1000～1020℃油淬+540～560℃回火），精加工采用Φ12R3牛鼻刀铣削+Φ6球刀精修表面。优点主要有：工件表面粗糙度和完整性好、尺寸精度高，各项机械性能全部达标；设计基准/加工基准/检测基准一致，所用加工程序在vericut仿真环境下进行模拟，工件一次性完成加工并交付；与上级组件适装性好，试车结果好。缺点主要有：金属利用率低，～94%的金属去除率，材料成本高；加工成本高，机床成本约12万元/工件、刀具成本约8000元/工件；CAM编程难度相对较大；机床占用率高，实际加工时间共计：数控立式车床160小时、镗铣加工中心200小时，按照机床6000小时/年（工作日250日/年、24小时/日）使用率计算，1台车床年加工能力约38件、1台镗铣加工中心年加工能力约30件，需要3～4台套车床+镗铣加工中心才能满足批产需求。粗略计算单件生产成本超过20万元（不含人工成本）。2.2、钣金焊接式结构的加工工艺，锻件毛坯重量约200kg+板料毛坯重量约8kg，工件最终重量约24kg，金属去除率～88%；选择在组合焊接结束后安排热处理（680～700℃回火）去除焊接应力；加工过程中钣金筒体和7种安装座等子零件采用多台普通设备加工、组合件精加工采用数控立式车床和多轴卧式镗铣加工中心，配合使用硬质合金刀具。优点主要有：成本优势明显，单件生产成本不到10万元（不含人工成本）；子零件采用多台设备协作生产、组件装配焊接，精加工阶段高级数控机床占用率得以明显控制，实际加工时间共计：数控立式车床60小时、镗铣加工中心20小时，按照机床6000小时/年（工作日250日/年、24小时/日）使用率计算，1台车床年加工能力约100件、1台镗铣加工中心年加工能力约300件；刀具成本约1200元/工件。缺点主要有：工件表面粗糙度和完整性不如机加工艺、尺寸精度相对较差、设计基准/加工基准/检测基准存在尺寸链换算；焊接工艺要求高，马氏体型热强不锈钢的焊接性能较差，极易产生微裂纹、连续性气孔/夹渣等缺陷，且焊接后必须在12小时内进行热处理以消除应力对焊缝缺陷的放大作用；人工钳修、校型工作量较大