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摘要：机匣是航空发动机的关键部件，其材料主要为高温合金这类耐高温的难加工的材料，这类结构和材料特性使在切削加工的过程中遇到很多困难，如果没有采用科学合理的技术工艺将影响机匣的制造质量，对发动机整体性能产生影响。为此需要重点考虑加工刀具参数、工件材料、切削参数和工艺方法等。本文将从航空发动机机匣加工技术和冷却方法的角度进行分析研究，并提出相应的设计优化方案。
关键词：航空发动机机匣；加工制造；冷却技术
1 航空发动机机匣概述
航空发动机机匣是发动机的关键部件，其结构和形状均很复杂，且材料加工难度大、难以保证加工制造的质量，在加工中需要克服许多技术工艺上的难点，且需利用好数控加工的方法。从发动机机匣种类和结构特点分析来看，可根据设计结构将机匣分成环形机匣与箱体机匣，前者又可以分成整体环形机匣与开环形匣机匣、带整流支板的环形机匣。如果按照功能来划分，可以将机匣分成进气处理机匣、低压压气机机匣、高压压气机机匣、轴承机匣、涡轮机匣等。根据材料划分目前常见的有钛合金机匣、耐高温合金机匣和复合材料机匣，大多数机匣低压部分采用的是高强度钢材料，而高压部分大多数采用的是钛合金材料。
分析发动机机匣特征发现，因为材料本身难以加工的性质以及发动机机匣结构的特点使机匣整体加工难度较大。在材料方面的难度具体表现在，对于采用不锈钢材料的机匣在加工中因为切削力较大且切削温度较高，所以在加工时易于出现黏附问题，使刀具前刀面产生积屑瘤，加上材料具有塑性和韧性较强的特点，使加表面产生撕扯。而以钛合金为主材料的机匣，在切削加工中切削变形系数无限接近于1，在刀具前刀面滑动摩擦较大使刀具磨损加剧，影响刀具的使用寿命。此外因为材料化学活性较大、亲和力较强，所以容易出现硬化和黏刀的问题。对于以高温合金为主材料的机匣，切削力是一般钢材的多倍，刀具磨损异常严重，而且容易出现严重的硬化问题。加上材料导热系数较低、切削力集中于刀尖，切屑因为韧性较大容易形成卷屑不易清除。
2 航空发动机机匣加工工艺分析
2.1 机匣参数建模
根据具体机匣结构特征进行机匣参数建模工作，因此首先要做好对机匣零件结构的特征、形状分析。其次根据基本特征分析及其相互之间的关系和约束条件确定形状尺寸并利用数值进行约束控制，在机体特征的基础上进一步创建附加特征。最后一面向制造为单元进行建模，利用三维设计平台快速创建复杂的参数优化几何模型。
2.2 机匣工艺路线优化
在制作毛坯时要尽量控制加工误差，使和最终成型轮廓相似。其次做好机匣的夹具设计，制定机匣工艺路线，先基准再其他，先粗加工后精加工，先主要零件加工后次要零件加工，穿插进行、先面后孔。具体可加工机匣加工制造分成粗加工、半精加工和精加工。
2.3 机匣数控刀位轨迹优化
首先在进行刀位轨迹规划时必须在粗加工阶段将机匣周围余量去除，缩短加工、提高加工效率，同时改善刀具磨损的问题。其次进行加工区域的合理划分，以机匣为检查面制定快速高效的切削加工程序。此外对加强筋圆角和相邻过渡圆角采用四轴联动加工，使用机匣表面刀具半径偏置面对刀位归集裁剪，制定回转面切削加工程序。
3 机械加工冷却技术方法研究
从已有研究分析可知，切削的温度会影响航空发动机机匣的加工，如果切削温度太高就会影响发动机机匣切削参数的优化范围，影响加工质量和加工效率。本文从冷却技术的角度进行研究，设计一种可以内冷却的刀具结构，使用液氮冷却的方式来降低切削的温度，从而使切削参数的优化范围得到扩大，充分发挥机床的作用。
3.1 冷却条件对航空发动机机匣加工的影响
首先，换热系数会对切削力产生一定影响，从理论上讲，随着换热系数的增大，对切削力的影响便会降低，但是如果只是单纯地改变换热系数对于切削力的影响程度很小。其次，换热系数会影响切削热。在其他切削参数不变时换热系数的增大，刀具的最高温度减小趋势很小，但是刀具的平均温度下降比较明显，这和金属加工机理有关，刀具最高温度靠近刀尖前刀面，在这附近区域刀具和工件接触应力温度较大，采用外冷却方式无法起到降低该区域温度的作用，所以刀具最高温度位置处基本温度不变化，但是冷却会使刀具其他位置的温度下降很快，所以平均温度也会随着换热系数的增大而显著下降。
3.2 冷却技术方法研究
航空发动机机匣大多数使用的是高温合金比较难加工的材料，主要因为切削温度太高，高温合金自己的热导率不高但是比热容很大，所以切削加工产生的热量无法及时排出去。在切削加工时切削范围内的大量热量积聚，并传递到刀具中使刀具接触点温度升高，当刀具温度太高时便会加剧刀具磨损程度。所以在进行高温合金切削加工时必须采用相应的冷却技术方法。为降低切削加工的热量、提高设备生产的效率和质量，保证刀具的使用寿命，改善零配件的生产加工环境，一般的数控机床都有完备的冷却系统。该系统的作用是在机匣加工中通过降低刀具的温度来达到控制切削流动的作用。
随着制造技术的发展，数控机床性能日益完善，同时也出现了新的工艺技术，更加注重绿色制造，对于切削冷却技术也有了更多的研究和改进优化，在此基础上提出了液氮冷却技术方法。液氮冷却指的是将液氮导入切削加工区域，使加工区域一直处在低温状态，可达到冷却刀具的目的。液氮冷却的应用可以是直接应用，即直接将液氮喷射到切削加工区域，另一种是用液氮先冷却加工刀具或工件，改善加工条件然后再实现对整个切削区域的优化。具体来说，液氮冷却技术具有以下优点：首先加工的精确度较高，液氮冷却可以使大量切削热量疏散，使加工时刀具和工件温度都保持在恒定状态，避免因为温度的急剧变化而带来的变形等问题，使切削加工条件稳定，有利于切削加工的顺利进行，保证机械产品的质量，使机床加工精确度有效提升。其次液氮冷却可极大地降低整个切削区域的温度，使刀具处在低温状态，从而改变了刀具的特征。在低温状态下，高温合金刀具的强度、硬度和韧性都有效提升，使刀具性能得到优化、磨损下降，从而提升了刀具的使用寿命。此外，液氮冷却技术在汽化后可使液氮变成氮气，相对而言，液氮冷却比冷却剂要更加绿色环保无污染。
3.3 液氮冷却技术的具体应用
液氮冷却有直接和间接两种应用方式，直接应用指的是直接将液氮作为切削液喷射在切削区域，因为低温控制了碳原子的扩散可大幅度降低刀具磨损程度并取得较好的加工效果。间接应用指的是在加工中不断地对刀具进行冷却，使切削热快速从刀具上被带走，使刀具尤其是刀尖一直保持在低温状态。经过液氮冷却，刀具的使用寿命将得到延长，磨损降低，且表面粗糙程度也会有所下降。另外在低于-50℃的环境下，通过喷气冷却系统的设置，使冷却气体直接喷射在磨削点上，磨削之后的工件材料残余应力比磨削液磨削时还要大，且分布区域也拓宽了。残余应力可提升工件的抗疲劳能力，将其应用到航空发动机机匣加工制作中非常重要。
4 结语
综上所述，本文对航空发动机机匣的加工制造进行了系统的分析，由于机匣结构形状复杂，材料加工的难度较大，对于加工制造的精确度要求又高，为此可采用数控加工和冷却加工的方式来克服加工制造的难点问题。本文对航空发动机机匣加工制造工艺和冷却技术方法进行了研究，提出了相应的加工优化方案，认为可采用液氮冷却技术可起到良好的冷却效果，同时还能减少对环境的污染。
参考文献：
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