減少航空發動機鋁合金零部件加工變形的措施

摘 要：航空發動機是工業技術的結晶，是一個國家科學技術的集中體現。在航空發動機的制造中涉及到材料、加工制造水平等各個環節，任何一個環節出現問題都會對航空發動機的使用質量造成嚴重的影響。鋁合金是一種在航空發動機中應用較多的材料，其具有重量輕、耐腐蝕、抗疲勞能力強等的特點，現今在飛機制造中鋁合金得到了廣泛的應用。鋁合金在完成了機械加工制造后由于鋁合金內部殘余加工應力的釋放會使得加工后的鋁合金零件產生較大的變形，從而對后續的航空發動機的裝配以及航空發動機的制造質量造成了極大的影響。嚴重的鋁合金加工后的變形會造成加工完成的鋁合金零部件的超差報廢，從而造成嚴重的經濟損失。因此應當做好鋁合金零部件加工制造中的殘余應力的分析，并通過制定合理的加工工藝來對鋁合金零部件的變形加以控制，提高鋁合金零部件使用的可靠性與穩定性。

關鍵詞：鋁合金；航空零部件；殘余應力；變形；加工工藝

前言

鋁合金具有比重小、塑性高和抗腐蝕能力強和良好的導熱、導電特性，此外在加工機械性、物理性等方面都有著較強的性能，因此在航空發動機的制造中應用較為廣泛。現今在鋁合金的加工制造中主要使用切削加工作為主要的加工手段，但是在鋁合金零部件的加工中發現其由于殘余應力影響會使得鋁合金零部件變形，從而對鋁合金零部件的加工精度造成嚴重的影響。因此，應當在鋁合金零部件的加工制造中通過合理的工藝對鋁合金零部件的殘余應力變形問題加以控制與規避，從而獲得良好的加工性能。

1 航空發動機鋁合金零部件加工變形原因分析

某型航空發動機的中壓壓氣機部分采用的是鋁合金制造的半護罩組件并通使用箍環組合而成。在材質上使用的是鋁合金成分為Al-2.3Cu-1.5Mg-1.1Ni-1.1Fe，通過對鋁合金進行熱處理后材料的硬度范圍在HB120-140的區間范圍內。對于此鋁合金零部件加工屬于典型的薄壁加工，根據圖紙設計此零部件的最薄處僅為1.8mm，由于零部件較薄因此在完成對于鋁合金零部件的加工后零部件中所含有的加工殘余應力將會引起零部件的較大的變形，從而造成零部件加工質量的偏差。造成此零部件在加工完成后產生變形的主要原因是：（1）在鋁合金毛坯料的制造過程中在毛坯料中積存的殘余應力。在鋁合金的鍛造過程中，由于工件各部分的不均勻熱脹冷縮以及金相組織轉變時所產生的體積變化將會使得毛坯料內部積存有大量的殘余應力，這些應力對鋁合金加工所產生的影響隨著鋁合金零部件的結構復雜度和壁厚越薄表現的越明顯也越不均勻。這些殘余應力在毛坯料中保持著脆弱的平衡而在機械加工時這一脆弱的平衡被打破，從而在加工完成后造成鋁合金零部件的變形。（2）冷校直工藝所帶來的殘余應力，在鋁合金零部件的冷校直過程中，由于校直部分為受到相當大的壓力的作用，從而使得鋁合金零部件內產生一定的塑性變形，但是當撤去校直外力后鋁合金零部件處于自由狀態時這些塑性變形應力將會在鋁合金零部件內部積存為殘余應力。（3）鋁合金零部件機械加工過程中所產生的殘余應力，當鋁合金零部件切削加工時，加工刀具與鋁合金零部件表面的接觸會產生嚴重的塑性變形，從而在鋁合金零部件的表面產生較大的殘余應力。這些積存在鋁合金零部件內部的殘余應力會在鋁合金零部件加工完成后持續對鋁合金零部件產生力的作用并最終引起加工完成后的鋁合金零部件的變形，從而造成鋁合金零部件的變形超差。

2 減少鋁合金零部件內殘余應力對鋁合金零部件加工精度的影響

為減少鋁合金零部件內部殘余應力對加工后的鋁合金零部件的精度產生較大的影響需要找出對造成鋁合金零部件變形影響較大的殘余應力，通過對鋁合金零部件加工中的各項殘余應力所造成的影響進行試驗后發現，對鋁合金零部件加工變形影響較大的應力主要來自于鋁合金毛坯料在熱鍛過程中所產生的殘余應力，而在引起鋁合金零部件變形的三種殘余應力中切削殘余應力對鋁合金零部件的變形所造成的影響最小，而在鋁合金零部件粗加工后對鋁合金零部件進行時效處理釋放殘余應力對鋁合金零部件加工后的變形影響也較小。

為提高鋁合金零部件的加工質量，減少鋁合金零部件加工后受殘余應力影響所導致的鋁合金零部件的變形需要對鋁合金零部件加工工藝進行優化。由于造成鋁合金零部件加工后變形的主要應力來自于熱鍛過程中所產生的殘余應力，因此，需要對這一階段所產生的殘余應力進行釋放，并進行鋁合金零部件加工工藝的優化。在對鋁合金零部件切割成兩個半環后鋁合金零部件內部的鍛造殘余應力得到了相應的釋放從而使得鋁合金零部件內部的殘余應力得以重新分布。在這一階段對鋁合金零部件加工工藝進行優化可以最大限度地減少或是消除殘余應力對鋁合金零部件加工質量所造成的影響。針對鋁合金零部件內部的殘余應力在最終切斷工序后才得以重新分布并最終造成鋁合金零部件產生較大的變形量，因此在對鋁合金零部件進行加工工藝的調整時將鋁合金零部件的精加工調整到切斷成兩個半環之后將會有效地減小鋁合金零部件的變形。對于鋁合金零部件的加工工藝的優化可以通過在對鋁合金零部件精加工前先將兩個零部件的整環件進行獨立的加工，僅將鋁合金零部件組合相配面基準加工至圖紙要求，對于鋁合金零部件的其他部分進行粗加工即可，鋁合金零部件不用進行鉆孔，完成對于鋁合金零部件的粗加工后留有2.5mm的加工余量，大于零件切斷后的變形量。

3 減少裝夾方式對鋁合金零部件加工精度的影響

為提高鋁合金零部件的加工質量還需要對鋁合金零部件的裝夾方式進行改進，將裝夾方式更改為使用鋁合金零部件的大端面進行支撐，而小端面則采用6個壓板進行壓實，由于未在角向采用定位且定位支撐點小于6個因此此定位為不完全定位，此裝夾方式會導致鋁合金零部件產生較大的裝夾變形并最終影響鋁合金零部件的加工精度。改進后的鋁合金零部件的裝夾方式采用的是內孔基準和定位銷相組合的方式來對鋁合金零部件進行裝夾定位，應使用壓板壓緊的方式來裝夾鋁合金零部件。改進后的鋁合金零部件的裝夾其6個自由度全部被夾具的定位元件所限制，并在夾具中占有完全確定的唯一位置。實現了完全定位，從而最大限度地減小了鋁合金零部件裝夾變形，保障了鋁合金零部件的加工精度。

在對鋁合金零部件的加工工藝進行優化的過程中，通過試驗發現造成鋁合金零部件變形的主要應力來自于鋁合金零部件毛坯料鍛造過程中所產生的殘余應力，通過對鋁合金零部件的加工工藝進行優化將原先的鋁合金零部件的切斷工序調整為在對鋁合金零部件進行粗加工完成后再進行鋁合金零部件的切斷，從而使得鋁合金零部件的殘余應力得到充分的釋放后在對鋁合金零部件進行后續精加工，避免這一殘余應力堆積，從而對精加工后的鋁合金零部件的加工質量造成變形影響。通過此種工序的改進使得鋁合金零部件加工后由于殘余應力導致的零部件的變形問題得到了解決，使得加工后的鋁合金零部件精度完成符合鋁合金零部件的圖紙的設計要求，并使得鋁合金零部件加工過程中的廢品率大大降低，提高了鋁合金零部件的加工效率的同時提高了鋁合金零部件加工的經濟效益。

4 結束語

鋁合金零部件的加工是加工制造的難題。尤其是對于航空發動機中的一些薄壁型的鋁合金零部件更是機械加工的難點。文章在分析造成鋁合金零部件切削加工后變形影響因素的基礎上通過改進鋁合金零部件的加工工藝來減少鋁合金零部件加工后的殘余應力對鋁合金零部件所造成的影響。

參考文獻

[1]于信偉.高速銑削對鋁合金零件表面粗糙度影響的試驗研究[J].煤礦機械，2007，28（12）：48-49.

[2]黃領才，劉慧叢，谷岸，等.沿海環境下服役飛機鋁合金零件的表面涂層破壞與腐蝕[J].航空學報，2009，30（6）：1144-1149.

[3]黎俊初，鄒喚，熊洪淼，等.筋板類LY12鋁合金零件蠕變時效成形有限元分析[J].塑性工程學報，2010，17（2）：24-27.