铝合金环形机匣零件变形控制技术研究

黄梅

摘 要：航空发动机低压压气机机匣类零件多为铝合金薄壁环形件，其直径尺寸大，壁薄，刚性差，机械加工中零件变形大且无规律，难以保证设计图的技术要求。本文以某型低压Ⅰ级机匣为研究对象，展开铝合金机匣加工变形控制技术研究，通过调整加工参数、增加振动时效处理、采用冷胀形毛料等工艺措施，最终使机匣满足设计图要求，解决了铝合金薄壁环形机匣变形问题。

关键词：机械加工工艺 铝合金机匣 薄壁 变形 冷胀形 振动时效处理

中图分类号：TG30 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（b）-0094-02

铝合金材料具有密度低，重量轻，耐腐蚀性能好，抗疲劳性能较高等优点。尽管遇到钛合金和复合材料的挑战，但因其资源丰富，性能优良、加工容易，成本低廉，在飞机中有不可取代的优势[1]。某型低压铝合金机匣经过试车后，因机匣变形造成内锥面常与转子叶片擦挂，严重影响了发动机的性能要求，阻碍了某型发动机的研制进展，所以，控制变形成为某型发动机制造的关键技术问题，展开铝合金材料加工变形的控制技术研究已迫在眉睫。

1 零件加工工艺分析

以某型低压Ⅰ级机匣为例，其外机匣零件图，见图1。

外机匣零件材料为2A70，在锥面上变形大，圆度不易保证。直径尺寸为φ1498.10-0.11mm，最小壁厚为3.85mm，高度尺寸为（215±0.2）mm，技术条件要求高，端面平行度0.05mm，垂直度0.05mm，内锥面跳动0.1mm，内圆跳动0.15mm。

1.1 铝合金材料零件变形机理

通常铝合金材料零件变形有以下几种情况。

（1）毛坯内残余应力释放变形。铝合金材料金属晶体的排列不是理想状态的整齐排列，晶体的大小和形状不仅相同，存在原始的残余应力，随着时间缓慢释放，产生变形。

（2）切削热变形。在切削过程中，切削的塑性变形和刀具与零件间的摩擦热，使已加工表面和里层温度差大，零件受热不均匀，在零件局部产生热量，形成热应力塑性变形。

（3）切削变形。零件在切削过程中，刀具与零件相互作用，刀具从零件上去除部分材料，使零件材料晶体颗粒间产生挤压、拉伸、拉断等现象，使晶体的原子间产生位移，导致零件变形。

（4）加工受力变形。加工中由于承受切削力和装夹力，导致零件变形，其中装夹力对零件变形影响较大。在零件状态差的情况下，加工出的零件，变形也会很大。

1.2 毛料工艺分析

国内铝合金锻件采用常规的自由锻造工艺，锻件内部残余应力较大，其加工变形大。而国外薄壁铝合金环形锻件在锻造中采用冷胀形工艺，加工后零件圆度0.15mm，平面度在0.1mm之内。国内锻造厂家现借鉴国外毛料标准，冷胀形变形量控制在2%～4%，已生产出冷胀形锻件。

1.3 机加工工艺分析

低压Ⅰ级外机匣零件直徑尺寸大，壁厚薄，属于典型的薄壁环机匣，刚性差，加工去除材料多，零件加工变形大，工艺设计上分粗加工、去应力处理、细加工、精加工、表面处理阶段。

工艺路线安排：锻件→车超探面→超声波检查→粗车内外型→去应力→修基准→细车内外型→精车内外型→铣平面、钻孔→检验→阳极化。

2 加工难点

铝合金机匣零件加工中变形大，变形无规律且难以控制。低压Ⅰ级外机匣内锥面最小壁薄3.85mm，组件设计要求内锥面圆度0.5mm，零件中内锥面对外圆D2圆跳动0.1mm。原来的常规锻造毛料加工的零件圆度大，圆度在1mm以上。通过技术攻关，采购精化毛料，要求单边加工余量不大于7mm；调整工序及加工参数，增加车床夹具；增加消应力热处理工序。攻关结果对零件变形控制效果不明显，铝合金机匣加工变形一直没有得到有效解决。

3 铝合金机匣加工新技术

针对铝合金机匣加工变形大，且变形无规律。工艺上采用常规的自然时效、人工时效及加工参数调整，通常不能达到预期效果。借鉴国外铝合金机匣的加工经验，增加冷胀形锻件和模态宽频振动时效处理。具体方案如下：

（1）采用冷胀形毛料加工；（2）毛料及加工中安排合理的应力释放时间；（3）机加工工艺上优化加工参数及工艺路线；（4）振动时效处理。

3.1 冷胀形毛料工艺措施

冷胀形毛料为减低环坯内应力，增加冷胀形工艺，其工艺流程：固熔→冷胀形→时效。

3.2 自然时效处理

增加自然时效处理。提前采购毛坯，释放毛坯残余应力后再加工，工序加工有足够周期，在零件加工工序完成后，放置一段时间，使零件部分应力得到释放。

3.3 机加工中减小变形主要方案

机加工针对工艺系统受力导致的零件变形[2]，工艺安排上采取措施减小零件变形，加工分粗、细、精阶段加工；零件装夹方式上采用轴向压紧；多次修复基准。其具体措施是：（1）修复基准。在工序加工中多次修复基准，保证平面度在0.03mm之内。（2）降低切削热。加工中为减小零件切削热产生的变形，在粗、细、精加工阶段均浇注冷却液，减小加工切削热。（3）减小装夹力。加工中为减小零件因装夹等原因导致的受力变形，采用轴向压紧零件；（4）减小切削力。加工中为减小零件因受切削力而导致的零件变形，优化切削参数。采用锋利的刀具，刀具材料一般采用高速钢材料的刀具。选择合理的走刀路径。

3.4 振动时效处理

增加振动时效去应力处理，必要时采用模态宽频去应力处理，消除并均化残余应力，减小加工变形，使其尺寸稳定，一般在热处理前和热处理后进行振动时效处理。

4 结语

本课题针对薄壁铝合金环形机匣加工的研究，通过采用冷胀形锻件、加工工艺调整、自然时效和振动时效处理，释放零件内应力控制技术，解决了铝合金机匣类零件在加工过程中由于应力引起的零件加工变形。现已选用冷胀形毛料，按优化后工艺加工，完成低压I级机匣35台份，圆度控制在0.5mm之内，平行度在0.05mm之内，尺寸及技术条件完全满足设计要求。

参考文献

[1] 《中国航空材料手册》编辑委员会编.航空材料手册 第三卷 铝合金 镁合金[M].2版.北京：中国标准出版社，2011.

[2] 王先逵.机械制造工艺学[M].3版.北京：机械工业出版社，2013.