航空发动机机匣类零件的变形控制研究

刘建南

摘 要：航空发动机和燃气轮机已被我国列入十三五重大专项，航空制造业的发展对我国建设强大的国防具有重大意义。机匣类零件作为航空发动机的重要组成部分，起到了包容、承力、连接的重要作用，其加工技术也是航空零部件制造中的一个难点。本文主要研究了航空发动机机匣类零件的加工制造，阐述了机匣类零件的加工难点和易产生的问题，结合了生产科研实践，着重研究并探讨了几种机匣类零件变形控制的方法。

关键词：航空发动机；机械加工；机匣类零件；变形控制

中图分类号：V263 文献标识码：A

一、航空发动机机匣简介

航空发动机被誉为现代工业制造业皇冠上的明珠，其生产制造覆盖材料、冶金、机械加工、热处理、特种工艺等多项技术领域，是一个国家工业水平的体现，被誉为“国之重器”。航空发动机由进气道，低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、尾喷口等几大单元体组成。其中压气机、燃烧室、涡轮等核心部件又由机匣壳体、内环零件和叶片组成。机匣零件作为航空发动机上的重要零件，为整个发动机提供了一个封闭的空间，保证气流顺利进入，被压缩升压、充分燃烧、膨胀做功、排出后形成推力。机匣将航空发动机各个单元进行连接，形成整机；为控制系统、燃油系统、传动系统等搭建了一个互相连接的整体。航空发动机机匣按照结构可以分为整体机匣、对开机匣、异形机匣、附件机匣、带有整流直板的机匣几大类。机匣根据其使用部位不同，所用材料也不同，压气机部分工作温度较低，一般采用钛合金，涡轮部分由于气体经过燃烧室后温度大幅升高，一般采用高温合金进行制造。

二、航空发动机机匣制造难点

随着航空发动机设计的不断优化和使用指标的不断提高，新一代的航空发动机越来越追求高推重比和低油耗。这就要求各级零部件的重量尽可能的轻。故机匣类零件的壁厚一般都在1.5mm～3mm之间，而机匣类零件的直径大都在600mm～1000mm，属于大型薄壁类零件，因此在加工过程中极易产生变形，而且由于其使用功能的要求，往往具有复杂的构型和严格的尺寸及形位公差，在加工过程中不容易合格。同时航空发动机零件很多采用镍基高温合金制造，这种合金硬度高，不易加工，加之有时毛料余量大且不均匀，会在机加过程中产生大量的内应力，在后续的加工和存放过程中应力释放，导致零件变形，经常出现工序中检验合格但在精加工或最终检验时出现尺寸不合格的现象。

三、机匣类零件变形控制研究

1.增加去应力热处理工序

机匣类零件毛料多为圆环锻件，加工余量较大，原材料去除率往往高达80%以上，尤其是粗加工阶段，零件去除的余量是最多的，而粗加工要求尺寸精度较低，且采用的切削参数较大，刀具在切削时产生了大量的切削力，这就造成了零件内部产生了大量的内应力，而此时零件距离最终状态还有很多余量，零件刚性较好，这些内应力不能使零件产生变形，随着零件加工过程的深入，零件壁厚变得越来越薄，这时粗加工时产生的切削力逐渐释放出来而导致零件变形。因此，在粗加工之后，及时释放零件应力非常有必要。零件可以通过自然时效进行去应力，但是自然时效所需的周期很长，往往无法满足零件的生产进度。这时可以采取热处理的方式去消除零件的残余内应力。去应力热处理的温度较低，因此在整个热处理的过程中不会使金属组织发生相变，在零件的保温和逐渐冷却过程中，零件的内应力得到释放。去应力热处理之后，零件端面一般会产生1mm～1.5mm的变形，需要安排一道修基准工序将零件端面修平。值得注意的是，增加去应力热处理要充分考虑零件的变形量，否则零件变形过大，零件所剩加工余量小于零件的变形量会导致零件无法加工合格。

2.改进工装夹具

机匣类零件大多数为环形件，因此需要大量的车加工，在车床上典型的装夹方式有压紧，夹紧和涨紧。在进行粗车加工时零件往往采用四爪卡盘进行夹紧或涨紧，在精车加工中大多采用压紧的方式，相比较而言，压紧的方式不容易产生内應力，因此从消除内应力的角度考虑，在半精加工中还是尽可能多地采用压紧的方式。对于高度100mm以上，直径800mm以上，最小壁厚2mm以下的大型薄壁机匣往往需要采用在夹具上增加辅助支撑的方式来减少零件的加工变形。辅助支撑块多需要采用橡胶材料，有一定的硬度但又不会挤伤零件表面。辅助支撑大多需要至少8点以上进行支撑，8个支撑块均匀地分布在零件的圆周方向上。在使用时需要注意的是支撑力不能过大，否则会使零件产生变形，效果适得其反，为保证辅助支撑力恰到好处，可以先用百分表找正零件圆周，然后使用限力扳手移动一个辅助支撑块至零件表面，当百分表指针刚要变化时记录限力扳手所用的力，这样在移动其他辅助支撑块时使用同样的力就能达到支撑零件且零件不变形的状态，增加辅助支撑可以机匣最“薄弱”的结构上增加强度，减少零件在加工过程中的震动，让刀等现象，有效减少了机匣的变形。

3.优化走刀路线和加工余量分配

优化车加工的走刀路线对提升零件变形控制有较大作用。对于加工余量较大和易变形的零件可以采取多层走刀，不要将所有余量一次去除。车加工零件轮廓时不要采取单独加工完成零件一侧表面后再进行另一侧加工的方式，而是应采用内外表面交替去除余量的方式进行加工。在加工两个相邻表面时可以采取相对，相背的方式进行加工。工程师在编制数控程序时不能单纯地考虑工人加工和测量的方便，还要从全局考虑零件所承受的切削力的状态来安排走刀路线，将机匣的变形控制在最小程度。

加工余量的分配在机匣加工中非常重要，好的余量分配可以使机匣的各个部分在整个加工过程中受力均匀，避免局部切削力过大而产生变形。零件的大部分余量去除都发生在粗车阶段，而粗车加工多采用普通机床设备进行加工，又要兼顾效率，所以粗车加工的型面设计地相对简单，但也要尽可能地接近零件最终轮廓表面以避免精加工余量过大，产生过多的切削力。还可以在粗车加工之后，精车加工之前加入半精车加工，将零件的轮廓形状加工出来。一般而言粗车留给半精车加工单边1mm～1.5mm余量，半精车留给精车单边0.5mm～1mm余量。

4.采用电化学加工去余量

电化学加工利用金属在电解液中的电化学阳极溶解去除金属表面材料。通过电化学加工去除余量的优点是没有切削力产生，因此零件不易产生变形和内应力。整个加工过程电极作为阴极，被加工零件作为阳极，工件和电极之间保持0.1mm～1mm的加工间隙，电解液不断以高速从间隙中流过，带走零件（阳极）溶解的产物，同时带走电流产生的热量。电化学加工加工范围较广，而且生产效率高，一般为传统机械加工的5～10倍。加工后的表面质量较好。电化学加工的精度低，多用于粗加工去余量，因其没有切削力，可以利用在薄壁机匣去余量加工，可有效消除由于切削力过大导致的机匣变形。该方法的缺点是设备资金投入较大，而且会产生污染，需要做好污染处理。

结语

机匣类零件变形控制是一个涉及到多种因素的复杂工程，需要从毛料材质、工艺路线、加工参数、零件装夹、热处理工艺等方面多重考虑。机匣变形的控制方法随着先进制造技术的不断发展也在不断增加和提升，无人干预加工，高速切削，新型刀具和更优化的数控编程方式的应用都能使得机匣的变形得到更好的控制。

参考文献

[1]王聪梅，等.航空发动机典型零件机械加工[M].北京：航空工业出版社，2014.