大型薄壁低渦機(jī)匣變形控制研究

馬英 孫長友 李丹

摘 要：大型薄壁低渦機(jī)匣具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、精度要求高的特點(diǎn)，在其制造和使用過程中產(chǎn)生變形問題。文章以商發(fā)低壓渦輪機(jī)匣為載體，開展薄壁機(jī)匣加工變形控制研究，從如何選用專用刀具、輔助支撐、合理的加工路線、切削參數(shù)，優(yōu)化數(shù)控程序等方面進(jìn)行了分析研究，重點(diǎn)論述了保證關(guān)鍵型面的加工質(zhì)量及控制大型薄壁機(jī)匣變形的具體措施。

關(guān)鍵詞：高溫合金；薄壁；變形控制

引言

高溫合金是現(xiàn)代航天、航空、航海及核工業(yè)上必需的金屬材料，現(xiàn)在的航空發(fā)動機(jī)部件有65%為高溫合金材料，特別是機(jī)匣類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面完整性要求又高，使高溫合金零件的切削加工更為困難。

低壓渦輪機(jī)匣是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、尺寸精度高、結(jié)構(gòu)尺寸大的航空機(jī)匣零件，加工過程影響變形的的因素多，這種技術(shù)屬于航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

1 零件簡介

低壓渦輪機(jī)匣零件直徑都較大，均在1000mm以上，零件為“碗”形結(jié)構(gòu)，大斜面距離較長，上下安裝邊有精密孔，同時零件高度在350mm以上，該類殼體零件屬于薄壁零件，壁厚在1.2-2mm不等。商發(fā)低壓渦輪機(jī)匣是目前尺寸最大的零件，外廓尺寸為：直徑？準(zhǔn)1331.3mm，高446.1mm，壁厚1.8mm。低壓渦輪機(jī)匣精度要求高，各級配合面跳動0.05；配合表面粗糙度要求Ra1.6，其余表面均為Ra3.2。低壓渦輪機(jī)匣的材料均為鎳基高溫合金。

2 工藝性分析影響變形的因素

2.1 材料切削性差

零件材料為GH4169，高溫合金切削力大，該材料含有許多的鎳、鈷、鉻、鉬等高熔點(diǎn)金屬元素，金屬間形成致密固溶體，合金的塑性好，原子結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，因而切削時有塑性變形，變形抗力大，其切削力是普通鋼材的3～5倍；加工硬化傾向嚴(yán)重，切削溫度高，由于切削溫度高，基體組織中強(qiáng)化相析出，造成表面硬化，硬化程度可達(dá)基體硬度的1.5～2倍，同時，在高溫下，刀具與工件之間的親和作用易造成刀具與工件粘附，產(chǎn)生粘著磨損，也會導(dǎo)致刀具和工件的變形而影響工件尺寸精度和切削表面光度。這樣就給加工帶來一定的困難。

2.2 零件剛性差

從零件的結(jié)構(gòu)上可以看出，該零件系統(tǒng)剛性很差，零件壁薄且高，在加工中產(chǎn)生變形、回彈現(xiàn)象，存在讓刀、振動等問題，車加工中易出現(xiàn)讓刀、打刀現(xiàn)象，鉆孔、銑花邊過程中刀具易打刀，零件產(chǎn)生受力和熱變形影響了加工效率和質(zhì)量。

2.3 毛料余量大

該零件是目前國內(nèi)低壓渦輪機(jī)匣直徑最大的機(jī)匣，受鍛件技術(shù)條件限制，毛料余量相對較大，并且不均勻，最大余量處單邊28mm，最小余量7mm。零件毛坯鍛壓過程中，由于受熱、冷卻、機(jī)械變形作用，在工件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，致使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使工件在工作過程中產(chǎn)生應(yīng)力變形。

3 控制變形的具體措施

零件變形的因素主要包括三方面：裝夾變形是由于零件剛性差，在裝夾力的情況下，導(dǎo)致端面不平以及薄壁處變形；切削加工中，在切削力的作用下產(chǎn)生彈性讓刀變形，會導(dǎo)致圓跳量過大；零件加工中殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形。在加工過程中影響零件變形因素還有很多，工藝路線安排、零件加工中的走刀方向、刀具的使用不當(dāng)、夾具的裝夾方式、切削方式、工藝參數(shù)、切削液等都會對零件加工后變形造成一定影響，只是對零件變形影響的大小不同。

3.1 加工路線的改進(jìn)

結(jié)合零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差、材料去除量大、容易產(chǎn)生變形的特點(diǎn)，原有低壓渦輪機(jī)匣在單件加工時，安排多次反復(fù)的車加工工序，并安排了穩(wěn)定處理工序，消除部分機(jī)加應(yīng)力。但是由于該零件直徑過大，在穩(wěn)定處理和腐蝕檢查后均安排了修基準(zhǔn)工序，可以減少基準(zhǔn)不平帶來的加工變形，同時良好的端面基準(zhǔn)，有利于軸向尺寸的精度控制；零件粗加工后保證余量均布，保證精加工時應(yīng)力變化均衡。

3.2 走刀路線的改進(jìn)

零件在去除余量的過程中，走刀路線的選定很重要，它將直接影響零件的加工質(zhì)量和加工變形程度。零件在切削過程中，零件殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài)被打破，合理的走刀路線會讓殘余應(yīng)力逐步較均衡的變化，當(dāng)零件完成加工，殘余應(yīng)力達(dá)到平衡后，零件不會產(chǎn)生較大的變形。

3.2.1 車加工走刀路線改進(jìn)

粗加工時，采用分層去除余量的方式進(jìn)行加工，精加工時采用內(nèi)外對稱的方式分級交替加工，這樣可以保證加工的強(qiáng)度以及加工精度，以便減少加工應(yīng)力變形。

3.2.2 銑加工走刀路線改進(jìn)

銑加工采用孔和花邊交替進(jìn)行的方式，這樣可以減少刀具抗力引起的零件變形。值得強(qiáng)調(diào)的是，在鉆孔時盡量選擇小直徑的鉆頭，避免零件剛性差，鉆孔后孔徑變化大，影響最終孔徑尺寸精度；同時粗銑花邊的走刀方式由原來的徑向分層，改為軸向分層，這樣有利于消除徑向受力，減少共振。

3.3 增加零件剛性，減少零件振動

增強(qiáng)薄壁零件的系統(tǒng)剛性是減少零件加工變形的主要手段。帶有徑向輔助支撐、軟接觸精密定位新型結(jié)構(gòu)，即帶有可調(diào)機(jī)械輔助支撐的夾具結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)剛性的最有力方式。但是商發(fā)低壓渦輪機(jī)匣零件大，夾具的費(fèi)用較高，針對這種情況主要采取兩種解決方法。一是制作減震橡膠帶、在零件內(nèi)部放置沙袋等方法；另一種是優(yōu)化定位方式，在組合夾具的基礎(chǔ)上自制輔助支撐，達(dá)到減震目的。

3.4 刀具和切削參數(shù)的改進(jìn)

切削加工時由于低壓渦輪機(jī)匣類零件剛性不足，在切削力的作用下產(chǎn)生彈性讓刀變形，所以合理的選擇刀具和切削參數(shù)很重要，它將直接影響到零件的質(zhì)量和效率。

3.4.1 刀具的選擇原則

加工鎳基高溫合金的刀具材料主要為硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷刀具等，這類刀片具有良好的抗朔性變性能力、好的耐磨性和高穩(wěn)定性，可以提高刀具的壽命。決定刀具切削性能的因素除了刀具材料外，還有刀具的幾何角度，這些因素直接影響到切削熱的大小、切屑的流向和形狀、已加工表面的質(zhì)量、切削分力的大小。加工鎳基高溫合金通常選用0°-10°的前角，粗加工是切深和進(jìn)給比較大，應(yīng)選擇比較小的前角，精加工時加大前角可以減少變形，約為5°-10°，增大后角能減少后刀面與已加工面的摩擦，但過大的后角會較低刀具的強(qiáng)度，粗加工鎳基高溫合金的后角一般為6°-8°，精加工10°-12°。主偏角的大小會影響到刀具的耐用度和切削力的以及切屑的厚度，主偏角對零件加工精度和表面形狀影響最大。加工鎳基高溫合金主偏角一般為30°-60°。

3.4.2 合理切削參數(shù)的選擇原則

在選好刀具材料、刀具的幾何角度的基礎(chǔ)上，合理的切削參數(shù)可以達(dá)到提高效率、優(yōu)化加工的目的。粗加工時高的進(jìn)給可以提高材料去除率，但是較大進(jìn)給量使切削力也增大，在選擇切深的同時，還要考慮系統(tǒng)的剛性、刀具強(qiáng)度等方面；在精加工時，要達(dá)到要求的粗糙度和精度，可適當(dāng)增大刀尖圓弧半徑或是降低進(jìn)給。在加工鎳基高溫合金時，一般采用較低的切削速度，較大的切削深度和中等偏小的走刀量，盡可能在加工硬化層下切削。

4 結(jié)束語

文章通過商發(fā)低壓渦輪機(jī)匣的研制加工，達(dá)到對大型薄壁低渦機(jī)匣變形控制研究的目的。研制過程中自制并使用可調(diào)機(jī)械輔助支撐的夾具結(jié)構(gòu)，對工藝路線和切削走刀路徑進(jìn)行改進(jìn)，并且試驗刀具和優(yōu)化切削參數(shù)，在機(jī)匣加工變形控制方面摸索了一些方法，獲得了一些經(jīng)驗，為今后類似件的加工提供技術(shù)、經(jīng)驗支持。

參考文獻(xiàn)

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