航空發(fā)動機機匣類零件的變形控制研究

劉建南

摘 要：航空發(fā)動機和燃氣輪機已被我國列入十三五重大專項，航空制造業(yè)的發(fā)展對我國建設強大的國防具有重大意義。機匣類零件作為航空發(fā)動機的重要組成部分，起到了包容、承力、連接的重要作用，其加工技術也是航空零部件制造中的一個難點。本文主要研究了航空發(fā)動機機匣類零件的加工制造，闡述了機匣類零件的加工難點和易產生的問題，結合了生產科研實踐，著重研究并探討了幾種機匣類零件變形控制的方法。

關鍵詞：航空發(fā)動機；機械加工；機匣類零件；變形控制

中圖分類號：V263 文獻標識碼：A

一、航空發(fā)動機機匣簡介

航空發(fā)動機被譽為現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)皇冠上的明珠，其生產制造覆蓋材料、冶金、機械加工、熱處理、特種工藝等多項技術領域，是一個國家工業(yè)水平的體現(xiàn)，被譽為“國之重器”。航空發(fā)動機由進氣道，低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、尾噴口等幾大單元體組成。其中壓氣機、燃燒室、渦輪等核心部件又由機匣殼體、內環(huán)零件和葉片組成。機匣零件作為航空發(fā)動機上的重要零件，為整個發(fā)動機提供了一個封閉的空間，保證氣流順利進入，被壓縮升壓、充分燃燒、膨脹做功、排出后形成推力。機匣將航空發(fā)動機各個單元進行連接，形成整機；為控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等搭建了一個互相連接的整體。航空發(fā)動機機匣按照結構可以分為整體機匣、對開機匣、異形機匣、附件機匣、帶有整流直板的機匣幾大類。機匣根據(jù)其使用部位不同，所用材料也不同，壓氣機部分工作溫度較低，一般采用鈦合金，渦輪部分由于氣體經過燃燒室后溫度大幅升高，一般采用高溫合金進行制造。

二、航空發(fā)動機機匣制造難點

隨著航空發(fā)動機設計的不斷優(yōu)化和使用指標的不斷提高，新一代的航空發(fā)動機越來越追求高推重比和低油耗。這就要求各級零部件的重量盡可能的輕。故機匣類零件的壁厚一般都在1.5mm～3mm之間，而機匣類零件的直徑大都在600mm～1000mm，屬于大型薄壁類零件，因此在加工過程中極易產生變形，而且由于其使用功能的要求，往往具有復雜的構型和嚴格的尺寸及形位公差，在加工過程中不容易合格。同時航空發(fā)動機零件很多采用鎳基高溫合金制造，這種合金硬度高，不易加工，加之有時毛料余量大且不均勻，會在機加過程中產生大量的內應力，在后續(xù)的加工和存放過程中應力釋放，導致零件變形，經常出現(xiàn)工序中檢驗合格但在精加工或最終檢驗時出現(xiàn)尺寸不合格的現(xiàn)象。

三、機匣類零件變形控制研究

1.增加去應力熱處理工序

機匣類零件毛料多為圓環(huán)鍛件，加工余量較大，原材料去除率往往高達80%以上，尤其是粗加工階段，零件去除的余量是最多的，而粗加工要求尺寸精度較低，且采用的切削參數(shù)較大，刀具在切削時產生了大量的切削力，這就造成了零件內部產生了大量的內應力，而此時零件距離最終狀態(tài)還有很多余量，零件剛性較好，這些內應力不能使零件產生變形，隨著零件加工過程的深入，零件壁厚變得越來越薄，這時粗加工時產生的切削力逐漸釋放出來而導致零件變形。因此，在粗加工之后，及時釋放零件應力非常有必要。零件可以通過自然時效進行去應力，但是自然時效所需的周期很長，往往無法滿足零件的生產進度。這時可以采取熱處理的方式去消除零件的殘余內應力。去應力熱處理的溫度較低，因此在整個熱處理的過程中不會使金屬組織發(fā)生相變，在零件的保溫和逐漸冷卻過程中，零件的內應力得到釋放。去應力熱處理之后，零件端面一般會產生1mm～1.5mm的變形，需要安排一道修基準工序將零件端面修平。值得注意的是，增加去應力熱處理要充分考慮零件的變形量，否則零件變形過大，零件所剩加工余量小于零件的變形量會導致零件無法加工合格。

2.改進工裝夾具

機匣類零件大多數(shù)為環(huán)形件，因此需要大量的車加工，在車床上典型的裝夾方式有壓緊，夾緊和漲緊。在進行粗車加工時零件往往采用四爪卡盤進行夾緊或漲緊，在精車加工中大多采用壓緊的方式，相比較而言，壓緊的方式不容易產生內應力，因此從消除內應力的角度考慮，在半精加工中還是盡可能多地采用壓緊的方式。對于高度100mm以上，直徑800mm以上，最小壁厚2mm以下的大型薄壁機匣往往需要采用在夾具上增加輔助支撐的方式來減少零件的加工變形。輔助支撐塊多需要采用橡膠材料，有一定的硬度但又不會擠傷零件表面。輔助支撐大多需要至少8點以上進行支撐，8個支撐塊均勻地分布在零件的圓周方向上。在使用時需要注意的是支撐力不能過大，否則會使零件產生變形，效果適得其反，為保證輔助支撐力恰到好處，可以先用百分表找正零件圓周，然后使用限力扳手移動一個輔助支撐塊至零件表面，當百分表指針剛要變化時記錄限力扳手所用的力，這樣在移動其他輔助支撐塊時使用同樣的力就能達到支撐零件且零件不變形的狀態(tài)，增加輔助支撐可以機匣最“薄弱”的結構上增加強度，減少零件在加工過程中的震動，讓刀等現(xiàn)象，有效減少了機匣的變形。

3.優(yōu)化走刀路線和加工余量分配

優(yōu)化車加工的走刀路線對提升零件變形控制有較大作用。對于加工余量較大和易變形的零件可以采取多層走刀，不要將所有余量一次去除。車加工零件輪廓時不要采取單獨加工完成零件一側表面后再進行另一側加工的方式，而是應采用內外表面交替去除余量的方式進行加工。在加工兩個相鄰表面時可以采取相對，相背的方式進行加工。工程師在編制數(shù)控程序時不能單純地考慮工人加工和測量的方便，還要從全局考慮零件所承受的切削力的狀態(tài)來安排走刀路線，將機匣的變形控制在最小程度。

加工余量的分配在機匣加工中非常重要，好的余量分配可以使機匣的各個部分在整個加工過程中受力均勻，避免局部切削力過大而產生變形。零件的大部分余量去除都發(fā)生在粗車階段，而粗車加工多采用普通機床設備進行加工，又要兼顧效率，所以粗車加工的型面設計地相對簡單，但也要盡可能地接近零件最終輪廓表面以避免精加工余量過大，產生過多的切削力。還可以在粗車加工之后，精車加工之前加入半精車加工，將零件的輪廓形狀加工出來。一般而言粗車留給半精車加工單邊1mm～1.5mm余量，半精車留給精車單邊0.5mm～1mm余量。

4.采用電化學加工去余量

電化學加工利用金屬在電解液中的電化學陽極溶解去除金屬表面材料。通過電化學加工去除余量的優(yōu)點是沒有切削力產生，因此零件不易產生變形和內應力。整個加工過程電極作為陰極，被加工零件作為陽極，工件和電極之間保持0.1mm～1mm的加工間隙，電解液不斷以高速從間隙中流過，帶走零件（陽極）溶解的產物，同時帶走電流產生的熱量。電化學加工加工范圍較廣，而且生產效率高，一般為傳統(tǒng)機械加工的5～10倍。加工后的表面質量較好。電化學加工的精度低，多用于粗加工去余量，因其沒有切削力，可以利用在薄壁機匣去余量加工，可有效消除由于切削力過大導致的機匣變形。該方法的缺點是設備資金投入較大，而且會產生污染，需要做好污染處理。

結語

機匣類零件變形控制是一個涉及到多種因素的復雜工程，需要從毛料材質、工藝路線、加工參數(shù)、零件裝夾、熱處理工藝等方面多重考慮。機匣變形的控制方法隨著先進制造技術的不斷發(fā)展也在不斷增加和提升，無人干預加工，高速切削，新型刀具和更優(yōu)化的數(shù)控編程方式的應用都能使得機匣的變形得到更好的控制。

參考文獻

[1]王聰梅，等.航空發(fā)動機典型零件機械加工[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.