活塞式发动机安装节加工工艺研究

摘 要：在活塞式发动机零部件加工中，安装节属于异形结构件，其材料特殊，形状奇异，尺寸精度要求高、公差小，难以装夹及加工，本文通过对零件的加工工艺分析，选择合适的热表处理方式，摸索合理的加工参数，来提高生产合格率和产品质量水平。

关键词：安装节；尺寸精度；加工难点；形位公差；数控加工

中图分类号：TH162.1 文献标志码：A

1 概述

活塞式发动机是我国成功研制的第一台航空发动机，目前国外航空发动机中活塞式发动机主要装备于小型飞机中，国内对此类发动机的制造还处于较低的水平。国防科工委提出要研制开发水平对置活塞式航空发动机，填补我国对置活塞式航空发动机的空白。安装节是活塞式发动机一个关键重要零件，为铸件铝合金毛坯，形状结构复杂，尺寸精度要求高、公差小。首次加工在工艺路线、装夹方式上并无太多经验可借鉴，本文通过对零件的加工工艺分析，选择合适的热表处理方式，摸索合理的加工参数，确定合适的工艺路线，来提高生产合格率和产品质量。

2 零件的功用

安装节作为发动机和飞机上的一种联接件，用于发动机零件或者发动机在飞机上的固定，并传递部分横向外传力，并允许相对轴向位移，起发动机辅助支承和热补偿作用，通常作为发动机部件或者发动机在飞机上的定位点。

3 零件结构及分析

3.1 零件的结构

安装节由支承部分、工作部分、连接安装部分组成，对零件上的安装面、支承孔表面及基准面有较高的技术要求。发动机静子中，向安装节传递负荷的由构件组成的主干路线称为承力系统，主干构件主要由承力壳体、承力框架，以安装节组成。安装节的结构形式不仅取决与飞机与发动机的机种，而且还与发动机在飞机上的安装形式、安装位置有关。

安装节形状结构复杂，尺寸精度要求高、公差小。支承用端面有较高的平面度及轴向尺寸精度及两端面的平行度要求，对转接作用的内孔等与平面的垂直度要求，外圆、内孔的同轴度要求也比较高，给加工带来了很大难度，需要在加工中不断摸索出可行的加工方法。

3.2 零件的材料

铸造铝合金是在纯铝的基础上加入其他金属或非金属元素，不仅保持纯铝的基本性能，而且由于合金化及热处理的作用，使铝合金具有良好的综合性能，在工业上占有重要地位，大量用于军事、工业、农业、交通运输领域，也广泛用作建筑材料、家庭生活用具和体育用品。

铸造铝合金ZL105属于Al-Si-Cu系合金，化学全名ZAlSi5Cu1Mg，化学成分：4.5%-5.5%Si， 1.0%-1.5%Cu， 0.4%-0.6%Mg， 其余为Al。铸造铝合金ZL105具有良好的加工性能、锻造性能和足够强度，冷成性，切削性、焊接性、抗蚀性及可热处理强化性能好，适用于铸造形状较复杂和承受中等载荷、工作温度至250度的各种发动机零件和附件，例如气缸、机匣、油泵壳体、安装节座等。材料的物理性能、机械性能见表1。

3.3 零件的精度指标

安装节零件是发动机部件或发动机在飞机上的安装受力件，因此其各项精度要求指标均很高。

3.4 毛坯及其选择

为保证零件有足够的强度，毛坯采用精铸毛坯，可保证内部组织为流线型。与锻造相比可铸造出形状比较复杂，尺寸较为精确的毛坯，不但减少了机械加工余量及机械加工后残余应力而产生的零件变形，而且节省了铝合金金属材料。

3.5 零件的热处理

由于零件受到一定的静载荷，不致因温度、变形或制造装配而引起的内应力，飞机与发动机不是刚体，受热、受力引起的变形量较大。因此零件材料经过热处理，达HB≥70。

3.6 零件的表面处理

零件铝合金金属在空气中会氧化，经过阳极化处理，能使零件表面获得一层致密膜层，可以使金属表面光泽长久不变，抗蚀性强，机械强度有所提高。

4 工艺分析

4.1 机械加工工艺分析

4.1.1 工艺基准

根据零件不同的作用，零件的主要基准会有所不同，一是以端面为主（如支承块），其零件加工中的主要定位基准为平面；二是以内孔为主，由于盘的轴向尺寸小，往往以孔为定位基准（径向）的同时，再辅以端面的配合。

4.1.2 内孔加工方式的选择

零件中最重要的部位为内孔，因此零件内孔的加工非常关键。

因为零件内孔转接要求非常高，所以一般采用精镗加工方式进行。而要保证零件内孔的精度，那么作为定位基准的必须先达到一定的加工精度。

4.2 热加工工艺分析

按零件要求，需要经过固溶加不完全人工时效热处理。

由于零件毛坯热处理后硬度HB≥70硬度并不很高，普通机械加工应无问题，因此零件在毛坯成型后直接进行固溶时效以达到要求。

4.3 工艺路线安排

由于该零件结构复杂，专用工装难设计，零件B基准面对另一端平面的平行度要求仅为0.02，对内孔的垂直度为0.04，内孔Φ51（+0.046，0）对A、C基准的位置度为0.1（图1），A、C基准分别为底座平面上的两小孔，空间尺寸较多，难以保证，底座四个U型槽尺寸难以控制。

经过对零件进行工艺分析和尺寸计算，再对工艺路线进行数控化转换，综合考虑各方面的因素，确定工艺路线如下：毛坯——数铣——数铣——数铣——数铣——数铣——数铣——数车——钳工——检验——硫酸阳极化——涂漆——检验。

5 零件加工难点分析

安装节零件精度要求高，加工时较难保证零件的尺寸及形位公差要求。加工首批零件一次交检合格率极低，在加工过程中，主要发现有以下几个加工难点：

5.1 大孔的加工及精度

车工粗加工B基准面，平面度要求0.02，与底座空间尺寸为82.34±0.2，内孔尺寸为Φ49（+0.05，0）（图2），端面与内孔表面粗糙度均为1.6。由于零件外型结构不规则，专用工装难以设计，内孔中心线与底座平面形成一个20度的夹角，加工时底座部分对刀具形成干涉，空间尺寸82.34不方便测量，加工过程中难以控制，相关尺寸难以保证。

5.2 四小孔空间尺寸及其位置度

铣工工序要保证基准面A到中心孔的空间尺寸79.36±0.05；钻工工序加工底座平面上四个Φ10.2（+0.03，0）孔，四孔相互位置度为0.1；并且其中两小孔中心与Φ49孔中心线的空间距离尺寸为19.76±0.05（图3）。在无专用工装的情况下，如何在加工过程中控制好两个空间尺寸，是本工序需要解决的重要问题。

5.3 不规则U形槽的特殊加工

两道数铣工序分别加工四个U型槽和槽口相对应两平面的若干不规则圆弧组成的台阶。由于U型槽与其相接两侧面，底面均有R连接，本身U型由两个R8构成。一般的加工刀具、机床和加工方法难以达到要求。

5.4 内孔与平面形位公差要求

加工零件B基准面与另一平面，保证平面度0.02，两型面平行度0.02，B基准面对内孔垂直度0.02，两平面表面粗糙度为1.6，正反平面同时加工；内孔Φ51（+0.046，0）对A、C基准位置度仅为0.1；在三轴加工中心无法达到要求，即使安排在四轴卧式加工中心上加工，也难以保证各尺寸精度。并且没有专用工装，同时加工两个型面，受力不均匀，容易导致零件变形。

6 工艺改进及解决措施

6.1 车工夹具与铣刀的选择

由于普通车床加工尺寸难以保证，零件外型结构不规则，专用工装难以设计，加工时底座部分对刀具形成干涉，空间尺寸82.34测量不便，所以将车工改为数控铣削（HASS：VF-3）加工，这样利用简单的拼装夹具，就能解决装夹问题。并且在加工过程中，能够方便的控制空间尺寸82.34，测量方便；铣刀与夹具之间也不会形成干涉。

选择Φ20与Φ14的合金铣刀，通过调整合适的主轴转速与进刀量，来保证平面度0.02与表面粗糙度1.6。粗铣平面：主轴转速600转/分，进刀量15MM/分，精铣平面：主轴转速1200转/分，进刀量20MM/分；铣内孔：粗铣600转/分，进刀量20MM/分；精铣1500转/分，进刀量25MM/分。

6.2 加工方法与装夹方式的改进

由于两道工序均要保证两个空间距离尺寸，所以将两道工序合并成一道工序在数铣上加工，这样在加工平面和钻孔的同时，可以通过多次进刀，逐步调整尺寸，最后来保证两个公差较小的空间尺寸。用拼装夹具，采用内孔定位，两平面分别支靠和固定的装夹方式来加工零件。

6.3 数控程序的调整与刀具改制

零件材料为铸造铝合金，易加工，所以两道工序中的U型槽可以通过球头铣刀来加工完成，但要配合单段的加工程序，因为U型槽底部与平面连接的圆弧小于球头铣刀的半径，故采用一把小型圆弧铣刀来清根对接完成。

改制刀具。在保证刀具强度能经受较刀切削量的同时，选择直径Φ10MM的整体硬质合金球头铣刀，并修磨一把Φ6MM底齿圆弧为R1的普通铣刀来加工零件。

调整主轴转速与进刀量。粗加工要去除较大余量，主轴转速选择600转/分，进刀量20MM/分，留0.5MM余量给精加工。精加工主轴转速调至1000转/分，进刀量25MM/分。

6.4 分工序加工与加工方式改进

将数铣工序分为两道工序进行，首先由数铣加工零件B基准面及此端倒角，内孔Φ51（+0.046，0），小孔Φ3.2，并保证相关尺寸，其余部位不加工。拼装夹具采用A基准面、另一平面支靠，四处U型槽固定的方式装夹，加工前找正D基准孔。加工参数：精铣平面，主轴转速1000转/分，进刀量20MM/分；镗孔，主轴转速1200转/分，进刀量20MM/分。

在加工好零件B基准面及相关尺寸之后，剩下部分将在数车上进行，加工厚度尺寸15.9及此端倒角，保证两型面平行度0.02。采用软爪撑内孔的方式装夹。加工参数：主轴转速1300转/分，进刀量0.08MM，采用高转速，低进给的方式，保证零件的表面粗糙度。

7 数控的运用及数控化转换

随着数控设备的增多，使用数控设备加工零件可以加快新机研制进度，这样安排合并工序不仅从成本上得到了节约，而且从精度及进度得到很好的保证。安装节加工工艺路线包含了六道数铣工序和一道数车工序，加工的产品无论是尺寸精度、一致性还是表面粗糙度，都能得到很好的保证，同时也提高了加工效率。

8 表面处理其防护

零件材料为铸造铝合金，在空气中会氧化，铝金属表面自然形成的氧化膜是无晶型的，会使铝金属表面失去光泽，表面会略有钝化，但很薄，不能有效的防止大气中各种介质对铝金属的进一步腐蚀。所以安排硫酸阳极化表面处理，能使零件表面获得一层比自然氧化膜厚很多的致密膜层，再经过封闭处理，无晶型的氧化膜变成结晶型的氧化膜，使零件表面光泽长久不变，增强了抗腐蚀行和机械强度，经染色还可获得装饰性外观。再喷涂H6-1-1环氧有机硅耐热漆，由铝粉、助剂、溶剂等调制而成，进一步增强了零件的抗腐蚀性及耐高温性能。

结语

本文结合活塞式发动机产品加工工艺的特点，系统的分析了其关键重要件安装节的加工工艺过程，该零件结构复杂，其精度要求高，加工各部位时，须保持工艺基准、设计基准、检测基准的统一，核算好尺寸链，尽量采用数控机床加工，以保证最终达到设计要求，探讨了零件热表处理方式，摸索了加工参数，为航空发动机零部件产品的加工工艺提供了一定的借鉴经验。

参考文献

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