大型薄壁低渦機匣變形控制研究

馬英 孫長友 李丹

摘 要：大型薄壁低渦機匣具有結構復雜、剛性差、精度要求高的特點，在其制造和使用過程中產生變形問題。文章以商發低壓渦輪機匣為載體，開展薄壁機匣加工變形控制研究，從如何選用專用刀具、輔助支撐、合理的加工路線、切削參數，優化數控程序等方面進行了分析研究，重點論述了保證關鍵型面的加工質量及控制大型薄壁機匣變形的具體措施。

關鍵詞：高溫合金；薄壁；變形控制

引言

高溫合金是現代航天、航空、航海及核工業上必需的金屬材料，現在的航空發動機部件有65%為高溫合金材料，特別是機匣類零件結構復雜，表面完整性要求又高，使高溫合金零件的切削加工更為困難。

低壓渦輪機匣是一種結構復雜、薄壁、尺寸精度高、結構尺寸大的航空機匣零件，加工過程影響變形的的因素多，這種技術屬于航空發動機關鍵制造技術之一。

1 零件簡介

低壓渦輪機匣零件直徑都較大，均在1000mm以上，零件為“碗”形結構，大斜面距離較長，上下安裝邊有精密孔，同時零件高度在350mm以上，該類殼體零件屬于薄壁零件，壁厚在1.2-2mm不等。商發低壓渦輪機匣是目前尺寸最大的零件，外廓尺寸為：直徑？準1331.3mm，高446.1mm，壁厚1.8mm。低壓渦輪機匣精度要求高，各級配合面跳動0.05；配合表面粗糙度要求Ra1.6，其余表面均為Ra3.2。低壓渦輪機匣的材料均為鎳基高溫合金。

2 工藝性分析影響變形的因素

2.1 材料切削性差

零件材料為GH4169，高溫合金切削力大，該材料含有許多的鎳、鈷、鉻、鉬等高熔點金屬元素，金屬間形成致密固溶體，合金的塑性好，原子結構十分穩定，因而切削時有塑性變形，變形抗力大，其切削力是普通鋼材的3～5倍；加工硬化傾向嚴重，切削溫度高，由于切削溫度高，基體組織中強化相析出，造成表面硬化，硬化程度可達基體硬度的1.5～2倍，同時，在高溫下，刀具與工件之間的親和作用易造成刀具與工件粘附，產生粘著磨損，也會導致刀具和工件的變形而影響工件尺寸精度和切削表面光度。這樣就給加工帶來一定的困難。

2.2 零件剛性差

從零件的結構上可以看出，該零件系統剛性很差，零件壁薄且高，在加工中產生變形、回彈現象，存在讓刀、振動等問題，車加工中易出現讓刀、打刀現象，鉆孔、銑花邊過程中刀具易打刀，零件產生受力和熱變形影響了加工效率和質量。

2.3 毛料余量大

該零件是目前國內低壓渦輪機匣直徑最大的機匣，受鍛件技術條件限制，毛料余量相對較大，并且不均勻，最大余量處單邊28mm，最小余量7mm。零件毛坯鍛壓過程中，由于受熱、冷卻、機械變形作用，在工件內部產生殘余應力，致使工件處于不穩定狀態，使工件在工作過程中產生應力變形。

3 控制變形的具體措施

零件變形的因素主要包括三方面：裝夾變形是由于零件剛性差，在裝夾力的情況下，導致端面不平以及薄壁處變形；切削加工中，在切削力的作用下產生彈性讓刀變形，會導致圓跳量過大；零件加工中殘余應力釋放產生的變形。在加工過程中影響零件變形因素還有很多，工藝路線安排、零件加工中的走刀方向、刀具的使用不當、夾具的裝夾方式、切削方式、工藝參數、切削液等都會對零件加工后變形造成一定影響，只是對零件變形影響的大小不同。

3.1 加工路線的改進

結合零件結構強度差、材料去除量大、容易產生變形的特點，原有低壓渦輪機匣在單件加工時，安排多次反復的車加工工序，并安排了穩定處理工序，消除部分機加應力。但是由于該零件直徑過大，在穩定處理和腐蝕檢查后均安排了修基準工序，可以減少基準不平帶來的加工變形，同時良好的端面基準，有利于軸向尺寸的精度控制；零件粗加工后保證余量均布，保證精加工時應力變化均衡。

3.2 走刀路線的改進

零件在去除余量的過程中，走刀路線的選定很重要，它將直接影響零件的加工質量和加工變形程度。零件在切削過程中，零件殘余應力的平衡狀態被打破，合理的走刀路線會讓殘余應力逐步較均衡的變化，當零件完成加工，殘余應力達到平衡后，零件不會產生較大的變形。

3.2.1 車加工走刀路線改進

粗加工時，采用分層去除余量的方式進行加工，精加工時采用內外對稱的方式分級交替加工，這樣可以保證加工的強度以及加工精度，以便減少加工應力變形。

3.2.2 銑加工走刀路線改進

銑加工采用孔和花邊交替進行的方式，這樣可以減少刀具抗力引起的零件變形。值得強調的是，在鉆孔時盡量選擇小直徑的鉆頭，避免零件剛性差，鉆孔后孔徑變化大，影響最終孔徑尺寸精度；同時粗銑花邊的走刀方式由原來的徑向分層，改為軸向分層，這樣有利于消除徑向受力，減少共振。

3.3 增加零件剛性，減少零件振動

增強薄壁零件的系統剛性是減少零件加工變形的主要手段。帶有徑向輔助支撐、軟接觸精密定位新型結構，即帶有可調機械輔助支撐的夾具結構是增強剛性的最有力方式。但是商發低壓渦輪機匣零件大，夾具的費用較高，針對這種情況主要采取兩種解決方法。一是制作減震橡膠帶、在零件內部放置沙袋等方法；另一種是優化定位方式，在組合夾具的基礎上自制輔助支撐，達到減震目的。

3.4 刀具和切削參數的改進

切削加工時由于低壓渦輪機匣類零件剛性不足，在切削力的作用下產生彈性讓刀變形，所以合理的選擇刀具和切削參數很重要，它將直接影響到零件的質量和效率。

3.4.1 刀具的選擇原則

加工鎳基高溫合金的刀具材料主要為硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷刀具等，這類刀片具有良好的抗朔性變性能力、好的耐磨性和高穩定性，可以提高刀具的壽命。決定刀具切削性能的因素除了刀具材料外，還有刀具的幾何角度，這些因素直接影響到切削熱的大小、切屑的流向和形狀、已加工表面的質量、切削分力的大小。加工鎳基高溫合金通常選用0°-10°的前角，粗加工是切深和進給比較大，應選擇比較小的前角，精加工時加大前角可以減少變形，約為5°-10°，增大后角能減少后刀面與已加工面的摩擦，但過大的后角會較低刀具的強度，粗加工鎳基高溫合金的后角一般為6°-8°，精加工10°-12°。主偏角的大小會影響到刀具的耐用度和切削力的以及切屑的厚度，主偏角對零件加工精度和表面形狀影響最大。加工鎳基高溫合金主偏角一般為30°-60°。

3.4.2 合理切削參數的選擇原則

在選好刀具材料、刀具的幾何角度的基礎上，合理的切削參數可以達到提高效率、優化加工的目的。粗加工時高的進給可以提高材料去除率，但是較大進給量使切削力也增大，在選擇切深的同時，還要考慮系統的剛性、刀具強度等方面；在精加工時，要達到要求的粗糙度和精度，可適當增大刀尖圓弧半徑或是降低進給。在加工鎳基高溫合金時，一般采用較低的切削速度，較大的切削深度和中等偏小的走刀量，盡可能在加工硬化層下切削。

4 結束語

文章通過商發低壓渦輪機匣的研制加工，達到對大型薄壁低渦機匣變形控制研究的目的。研制過程中自制并使用可調機械輔助支撐的夾具結構，對工藝路線和切削走刀路徑進行改進，并且試驗刀具和優化切削參數，在機匣加工變形控制方面摸索了一些方法，獲得了一些經驗，為今后類似件的加工提供技術、經驗支持。

參考文獻

[1]劉杰華，任昭容.金屬切削與刀具實用技術[M].國防工業出版社，2006.

[2]趙秀芬.鎳基高溫合金的切削加工[J].航空制造技術，2010.