大型薄壁鋁合金零件溫度補償技術

閆 龍 何東敏 臧笑宇 王 琪

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

航空發動機作為飛機的心臟，是集尖端設計技術和尖端制造技術于一身的高精密機械體，故每個發動機零件都受嚴格的尺寸和技術條件控制，能否檢測準確真實的反映加工情況同樣重要，鋁合金由材料自身具備質輕，易加工等多個優點被越來越多的應用于航空領域，但具備優點的同時鋁合金也受到加工自身溫度變化和外界環境溫差等因素影響檢測的真實值，通過數據積累和實踐應用得出溫度補償技術，從而解決溫度對鋁合金加工和檢測的影響。

1 零件加工背景和問題

1.1 零件加工背景

本文中主要以美國普惠公司（Pratt&Whitney Group）鋁合金零件為例進行論述，大型薄壁鋁合金零件是指零件直徑在φ700-1500mm或更大直徑，壁厚在2.184-3.04mm之間，零件結構多半封閉型面，該類零件多為發動機機匣外罩或低壓壓氣機外套，由于零件壁薄易變形，所以對加工和檢測要求都極其嚴格。例如PW2000機型的低壓壓氣機5級環罩，輪廓以曲面為主，最大外徑尺寸φ820mm，高 66.116mm，型面壁厚 2.667±0.127mm，技術條件最嚴要求為0.05mm（見圖1）。

圖1 零件整體

1.2 問題

零件加工時刀具和數控程序經過驗證完全適合加工，加工過程中測量值與加工情況相符，加工后測量值也符合工藝要求，但零件進入最終產品檢測得出的結論卻與加工過程中檢測的結論有很大差異，這個差異往往造成零件超差甚至報廢。

2 溫度補償技術

2.1 影響因素

經過分析，得到鋁合金受外界環境溫度影響熱脹冷縮，影響是多方面的:

首先，零件在加工中零件表面被冷卻液冷卻而零件內部溫度仍然很高，所以零件會有所膨脹，測量值并不真實；

其次，加工后過程檢驗在加工現場室內溫度不固定的情況下檢測和最終在檢驗室常溫溫度20攝氏度環境下檢測的結論都會受溫差的影響產生誤差；

第三，現場加工過程中使用的標準件材質大多為工具鋼，膨脹系數0.0000117遠低于鋁合金的0.0000225，所以在同一環境下二者的變形量不同，利用標準件（在室溫下檢測并標刻的實際值）檢測零件也會產生測量誤差導致零件最終超差。

2.2 溫度補償技術

溫度補償技術的引入就是針對鋁合金零件在加工過程中檢測和產品最終檢測等環節中零件本體內外溫差，零件與檢測標準件間溫差及零件所在環境間溫差造成零件檢測差異的補償，確保產品檢測結論的真實性和準確性。

針對這些因素，我們對零件現場加工后檢測數據進行記錄，并使用紅外線測溫儀對零件和標準件溫度進行測量記錄，之后再與零件進入標準室溫（20℃±2℃）的檢驗室檢測的數據進行對比，經過反復的數據對比和分析找了零件直徑尺寸受溫度影響的主要原因:零件加工過程中產生的大量切削熱雖然被鋁削帶走，同時也有冷卻液對零件進行冷卻，但加工中測量是與加工穿插進行的，零件溫度不會立即降到測量用標準件的溫度，這樣的測量得到的并不是零件真實值；另外一個次要因素是生產廠房溫度，經過長期的生產經驗廠房的溫度在夏季與冬季也存在一定溫差，也會影響零件測量的真實值。并且我們從不同零件和尺寸的數據對比來看，零件自身直徑越大，這種誤差也越大。

通過對數據的對比分析，我們建立了一個零件測量直徑尺寸，零件溫度值，測量用標準件溫度值，零件膨脹系數和標準件材質膨脹系數對直徑測量變化量之間的函數關系:

S:直徑的變化量/C1:零件溫度/B1:零件的膨脹系數/C2:標準件的溫度/B2:標準件的膨脹系數/L:測量直徑的尺寸

根據上面的公式，現場加工中零件的直徑尺寸應該為L+S，當S為負值時，零件的直徑尺寸會變小，當S為正值時零件的尺寸會變大。

2.3 溫度補償表

由于溫度有一個變化范圍，操作工人不可能在每次測量后都進行一次繁瑣的計算，為了方便直接應用，隨時查看變化量，我們專門制作了一個EXCEL表格，稱為溫度補償表，表格里面編輯了計算需要的每個元素以及計算公式。當輸入不同的直徑數值時，相應的變化量是不一樣的。標準溫度為20℃，當零件溫度和標準件溫度都是20℃時，零件的尺寸不會發生變化。

3 溫度補償技術實際應用

我們還以開篇提到的零件實際加工中應用溫度補償變進行補償為例，零件1B6755型面點外徑尺寸為φ725.75±0.127mm，其溫度補償表如下:

?

當標準件溫度為22℃，零件溫度為23℃時，零件實際尺寸為φ725.75+0.032。

上表中標準件溫度、零件溫度、零件的膨脹系數和標準件的膨脹系數為固定值，零件尺寸為輸入值。

有了溫度補償表大大方便了溫度補償技術在實際加工中的應用，條件允許的情況下，最好采用精度為0.5℃的溫度測量計。標準件的溫度測量完成后就可以通過表格查找出直徑的變化量。然后根據變化量補償加工零件。溫度補償技術可以全面應用于大型薄壁鋁合金類零件的加工和檢測中。

4 經驗總結

鋁合金加工與溫度補償技術的配合應用，保證了在各種環境中使用不同材質測量工具都能得到真實的測量值。關鍵點就在于準確的測量溫度，測量時要保證溫度穩定后再去補償，因為零件表面溫度并不是整個零件真實溫度的表現，加工熱大部分集中于零件內部，溫差測量后要做的就是準確的測量了。這樣技術的應用大大的提高了大型薄壁鋁合金零件的加工質量，并得到了很好的推廣應用，航空領域零件的設計水準正在不斷提高，也同樣對加工行業提出了更高的要求，不斷探索新的加工技術是保證高精尖產品完美交付的基礎。

[1]金屬切削手冊.技術中心金屬研究室.

[2]高等數學.高等教育出版社.

[3]PWA360.普拉特 惠特尼公司標準[Z].

[4]AMS4132.美國航空材料標準[Z].

[5]機械零件設計手冊[M].北京:機械工業出版社.

[6]金屬切削技術指南.山特維克可樂滿[Z].