新一代航空发动机总共有3 万多个零件,涉及230 多种不同标准的材料,与加工制造相关的特点具体如下: (1 )零、组件种类众多 航空发动机主要零件有叶片、带榫槽轮盘、整体叶盘、轴、环形与鼓筒件、喷嘴组件、齿轮、轴承、紧固件、导管等10 大类。如图1 所示,叶片分为风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片以及与之对应的静子整流叶片,机匣有风扇包容机匣、压气机机匣、燃烧室机匣、涡轮机匣以及分布在它们之间的级间机匣,有的整流叶片还与机匣整体成形,各类转子叶片都通过榫接结构连接在转子盘上。为了减重增效、提高推重比,压气机前段越来越多采用整体叶盘结构。 (2)难加工材料多 航空发动机大量采用高温合金、钛合金、高强度钢材料,复合材料、工程陶瓷材料等新材料也越来越多地应用到高性能航空发动机上。这些材料的加工性极差,对工艺装备的刚性和切削刀具的要求极其苛刻,还需要大量的特种工艺装备。
复合加工工艺注意要点: (1)防止加工中出现干涉。由于车铣复合加工中心增加了铣削加工时的主轴刀具回转功能,使其不同于原来车床的滑枕加刀夹结构,显得较为庞大。在加工零件时,必须要考虑是否会与零件、夹具、机床工作台(或转盘)产生干涉与碰撞。解决的方法是,应用几何虚拟仿真技术,虚拟仿真软件环境建立零件、夹具、机床工作台(或转盘)和机床铣削主轴准确的三维数据模型,运行数控加工程序,检查刀具轨迹是否过切,判断铣削主轴是否与零件、夹具以及工作台干涉,并根据干涉具体情况采取有效措施予以调整,通过加长刀具刀杆的长度,加高夹具的高度,使铣削主轴有足够的运动行程空间。 (2)工艺路线编排合理。车铣复合或铣车复合工序尽量安排在零件的精加工阶段,也即零件的最终成形加工阶段。粗加工或半精加工工序安排在常规设备上进行。这样既可以规避高端设备资源紧张的情况,又最大化的将车、铣、钻、镗等多个工艺集中,一次性加工完成工件大部分加工,提高零件的加工精度。
航空发动机的涡轮盘、整体叶盘、涡轮叶片等零件的材料大多为钛合金和镍基高温合金,如图所示,由于大多是薄壁件,因此对其制造精度要求极高,对其加工刀具要求亦很高。高温合金加工时由于其切削力大、加工硬化倾向大、切削温度高、刀具磨损严重使其成为典型的难加工材料。 高温合金家族共有的特点:导热性差、弹性模量小、化学活性高和摩擦系数大,还具有其他高温合金不具备的高强度、高韧性和高硬度的特点使得其归属于难加工材料行列。在车削过程中主要表现在切屑与前刀面接触面积小,刀尖应力集中,切削温度高,切屑不易折断并且锯齿化严重,刀具磨损严重,导致加工效率很低,工件加工表面质量较差。