TC4航空发动机机匣加工变形控制策略

宋明强 田俊强 何昱含

摘 要：航空产业是高技术产业，发展航空产业能够有效的带动国家科技进步与工业产业升级，提高国家的综合实力。航空发动机作为航空产业中的重要一环需要持续加大科技投入。航空发动机被誉为工业的瑰宝，不论是航空发动机的设计还是制造的难度都极高，文章将结合航空发动机机匣加工后的变形问题就航空发动机机匣加工流程进行分析，对如何做好航空发动机机匣加工工艺的优化，控制航空发动机机匣加工变形量，提高航空发动机机匣的加工质量。

关键词：TC4航空发动机机匣;加工变形;控制

中图分类号：V263 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0102-02

Abstract： The aviation industry is a high-tech industry， and the development of the aviation industry can effectively promote the scientific and technological progress of the country and the upgrading of the industrial industry. Improve the comprehensive strength of the country. As an important part of the aviation industry， aero-engine needs to continue to increase investment in science and technology. The aero-engine is regarded as the treasure of the industry， and it is very difficult to design and manufacture the aero-engine. In view of the deformation problem of aero-engine casing after machining， this paper analyzes the machining flow of aero-engine casing， how to optimize the processing technology of aero-engine casing and how to control the machining deformation of aero-engine casing. Improve the processing quality of aero-engine casing.

Keywords： TC4 aero-engine casing; machining deformation; control

前言

航空發动机工作在高温、高压等恶劣工况条件下，因此对于航空发动机的工作特性提出了较高的要求。钛合金是一种耐高温、抗疲劳、耐腐蚀的优良材料，在航空发动机中得到了较大的使用。在航空发动机机匣中有相当一部分的材料由钛合金所构成，由于材料强度更高，出于减重需要航空发动机机匣多为薄壁结构。航空发动机机匣作为大尺寸的薄壁刚性件其在加工后的变形问题较为突出直接影响着航空发动机机匣的加工精度。为提高航空发动机机匣加工质量需要做好变形原因分析并采取相应的控制措施减少甚至消除变形问题。

1 航空发动机机匣加工变形机理分析

采用钛合金作为主材的航空发动机机匣多采用的一体化、薄壁化设计，属于典型的薄壁刚性零部件。在航空发动机机匣的机械加工过程中，随着金属材质的去除，航空发动机机匣的刚性也在逐渐下降，并最终因航空发动机机匣刚性不足而导致航空发动机机匣加工后出现精度超差。总体来说航空发动机机匣机械加工中造成变形误差的因素主要有以下三方面：装夹、切削力和机械加工后的残余应力。其中装夹所引起的航空发动机机匣变形主要来自于装夹力所造成的端面平面度和薄壁处影响。机械加工过程中随着材料的减少航空发动机机匣的刚性也在下降，当刚性降低到一定的水平时将会在机械外力的作用下而引起航空发动机机匣变形并产生弹性让刀。弹性让刀变形主要产生于航空发动机机匣薄壁处其以圆跳动量过大为主要表现形式。机械加工中刀具切削所产生的应力将积聚在航空发动机机匣毛坯件中，这些积聚的应力将会在加工完成后逐步的释放出来并造成航空发动机机匣发生严重的整体组合变形。

2 航空发动机机匣变形控制策略

通过对航空发动机机匣加工变形的影响因素进行分析确定了为控制航空发动机机匣的加工变形需要从装夹方案、切削工艺优化及控制残余应力三个方面入手。

2.1 装夹方案优化目标

航空发动机机匣装夹方案优化其目标在于加强对于装夹夹具的控制，提高装夹夹具的稳定性和可靠性，将装夹力以较为均匀的方式分散分布在TC4航空发动机机匣上以此来降低装夹力所造成的影响。优化路径可以从装夹位置、装夹顺序和装夹力分布形式等几个方面入手。

2.2 航空发动机机匣切削工艺优化

航空发动机机匣机械加工过程中切削参数直接影响到切削力的大小和分布。做好切削参数控制尤其是精加工阶段切削参数的控制有助于在航空发动机机匣处于刚性最差状态时获得较好的切削性能。通过参数优化尽可能的降低切削力减少甚至是避免因让刀变形问题。

2.3 参与应力控制方案

航空发动机机匣精加工阶段不合理的加工顺序将会影响到机匣内部应力释放过程，不合理的去除顺序将会引起变形在不同方向间波动，以变形控制为目标的余量加工顺序优化将确保粗加工所留余量小且均匀且能够使热处理后毛坯件的热变形量小于加工余量。

3 TC4航空发动机机匣加工变形分析

TC4航空发动机机匣毛坯件采用环轧成形工艺，属于典型薄壁回转体，加工后的TC4航空发动机机匣其单边厚度最薄仅为2.5mm，整体结构刚性较弱，加工过程中受力变形及加工后应力变形较大， TC4航空发动机机匣的变形主要表现为安装边端面平整度较差和TC4航空发动机机匣内外圆圆度超差。为做好TC4航空发动机机匣变形控制需要做好机匣在机械加工时内部的应力分布并做好仿真模拟，以便在此基础上对TC4航空发动机机匣机械加工工艺进行优化。

4 TC4航空发动机机匣毛坯件应力测量

在对TC4航空发动机机匣毛坯件残余应力测量的过程中将使用Prism残余应力分析仪对毛坯件进行测量，使用钻孔去除材料法，并利用数字成像对材料应变进行分析。选用直径为0.8mm的钻头进行0-0.1mm的钻进，测量钻头钻进过程中TC4航空发动机机匣毛坯件残余应力分布变化情况。实验结果表明在0-0.04mm的范围内钻进时， TC4航空发动机机匣毛坯件的应力幅度与钻进深度成正比，并在0.04mm时应力达到峰值，在钻进超过0.04mm后应力幅值开始衰落并由原先的拉应力转变为压应力，应力持续增大并在0.05mm处达到最大值。此后随着钻进深度的增加压应力幅值在持续减小并持续到钻进深度0.1mm处，残余应力测试结果如图1所示。

5 TC4航空发动机机匣毛坯件切削应力仿真

根据测试所得出的TC4航空发动机机匣毛坯件切削残余应力分布图建立切削过程中TC4航空发动机机匣毛坯件的仿真模型，以原加工工艺为主要模拟加工后的残余应力变形。根据模拟结果，TC4航空发动机机匣毛坯件的变形主要以安装边翘曲为主，且变形量较大。通过模拟分析表明在TC4航空发动机机匣毛坯件切削过程中随着切削的持续进行，TC4航空发动机机匣毛坯件的刚性也在不断减弱，再加上残余应力的作用将导致协调变形。在模拟过程中发现，在原加工工艺下TC4航空发动机机匣安装边的加工翘曲将呈现出现增大后减小的规律，在粗加工即将结束时变形呈现出不稳定，这一问题将会对后续的精加工精度产生不利影响。

6 TC4航空发动机机匣加工变形控制

结合上文对TC4航空发动机机匣加工变形因素的分析及原加工工艺中变形的模拟提出了TC4航空发动机机匣加工工艺新方案，使用五轴车铣加工中心进行加工。切削参数如下：粗加工时将按照48/m·min-1的切削速度、0.1mm·r-1进给速度、2mm的切削深度;精加工时将选用80/m·min-1的切削速度、0.08mm·r-1进给速度、0.2mm的切削深度的加工参数。在TC4航空发动机机匣加工中为避免装夹夹具受力不均而导致的变形需要做好装夹夹具的选用，并控制好装夹力度，打表测量TC4航空发动机机匣毛坯件，做到装夹的平衡。新的加工工艺将加工工序更改为先外圆周面，将毛坯件车削至待留精加工余量后再对毛坯件的内圆周进行车削加工，加工工艺路线也进行了修改。新的工艺路线通过首先切除TC4航空发动机机匣毛坯件拉应力分布区域的材料，将TC4航空发动机机匣切削过程中首先产生的拉应力尽可能的释放以此降低拉应力的积聚。在去除拉应力集中区域后再集中就TC4航空发动机机匣毛坯件内圆一侧压应力分布区域，新加工工艺其核心在于让加工应力在开始阶段尽早的释放，后期利用变形量趋于稳定的规律加入修基准面的步骤去除TC4航空发动机机匣加工中剩余部分的材料，完成对于TC4航空发动机机匣加工变形的控制。原加工工艺在加工变形量达到顶峰后呈现阶梯式下降，并在粗加工完成后在毛坯件上仍留有一定的变形量。而采用新的加工工艺后，其安装边翘曲变形在开始阶段与原工艺相同，但是随着后续加工的持续进行新加工工艺所造成的变形幅值将会持续快速下降，在TC4航空发动机机匣粗加工量达到近70%以后TC4航空发动机机匣加工所造成的变形量将基本保持稳定，并不随加工的持续进行而发生波动。根据对新工艺进行模拟及后续的实验性加工表明，在前半段的加工中原工艺与新工艺所造成的变形基本相同而在后半段新工艺所造成的变形降低了近50%以上，新工艺将比原工艺更早的进入到稳定状态。在粗加工进入到约70%时新加工工艺加入了修基准工艺可以有效的提高加工的精度，控制TC4航空发动机机匣加工中所产生的变形。

7 结束语

TC4航空发动机机匣加工变形问题直接影响着TC4航空发动机机匣加工效率与加工质量。本文在对TC4航空发动机机匣加工变形因素进行分析的基础上通过对TC4航空发动机机匣加工应力进行测量仿真掌握了毛坯残余应力分布情况，并在此基础上研究出了TC4航空发动机机匣加工新工艺。新工艺首先就毛坯外圆拉应力集中区域进行加工，而后再对内圆进行加工，将加工变形控制在初始阶段，提高了TC4航空发动机机匣加工的稳定性。

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