TC4航空發動機機匣加工變形控制策略

宋明強 田俊強 何昱含

摘 要：航空產業是高技術產業，發展航空產業能夠有效的帶動國家科技進步與工業產業升級，提高國家的綜合實力。航空發動機作為航空產業中的重要一環需要持續加大科技投入。航空發動機被譽為工業的瑰寶，不論是航空發動機的設計還是制造的難度都極高，文章將結合航空發動機機匣加工后的變形問題就航空發動機機匣加工流程進行分析，對如何做好航空發動機機匣加工工藝的優化，控制航空發動機機匣加工變形量，提高航空發動機機匣的加工質量。

關鍵詞：TC4航空發動機機匣;加工變形;控制

中圖分類號：V263 文獻標志碼：A 文章編號：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

航空發動機工作在高溫、高壓等惡劣工況條件下，因此對于航空發動機的工作特性提出了較高的要求。鈦合金是一種耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕的優良材料，在航空發動機中得到了較大的使用。在航空發動機機匣中有相當一部分的材料由鈦合金所構成，由于材料強度更高，出于減重需要航空發動機機匣多為薄壁結構。航空發動機機匣作為大尺寸的薄壁剛性件其在加工后的變形問題較為突出直接影響著航空發動機機匣的加工精度。為提高航空發動機機匣加工質量需要做好變形原因分析并采取相應的控制措施減少甚至消除變形問題。

1 航空發動機機匣加工變形機理分析

采用鈦合金作為主材的航空發動機機匣多采用的一體化、薄壁化設計，屬于典型的薄壁剛性零部件。在航空發動機機匣的機械加工過程中，隨著金屬材質的去除，航空發動機機匣的剛性也在逐漸下降，并最終因航空發動機機匣剛性不足而導致航空發動機機匣加工后出現精度超差。總體來說航空發動機機匣機械加工中造成變形誤差的因素主要有以下三方面：裝夾、切削力和機械加工后的殘余應力。其中裝夾所引起的航空發動機機匣變形主要來自于裝夾力所造成的端面平面度和薄壁處影響。機械加工過程中隨著材料的減少航空發動機機匣的剛性也在下降，當剛性降低到一定的水平時將會在機械外力的作用下而引起航空發動機機匣變形并產生彈性讓刀。彈性讓刀變形主要產生于航空發動機機匣薄壁處其以圓跳動量過大為主要表現形式。機械加工中刀具切削所產生的應力將積聚在航空發動機機匣毛坯件中，這些積聚的應力將會在加工完成后逐步的釋放出來并造成航空發動機機匣發生嚴重的整體組合變形。

2 航空發動機機匣變形控制策略

通過對航空發動機機匣加工變形的影響因素進行分析確定了為控制航空發動機機匣的加工變形需要從裝夾方案、切削工藝優化及控制殘余應力三個方面入手。

2.1 裝夾方案優化目標

航空發動機機匣裝夾方案優化其目標在于加強對于裝夾夾具的控制，提高裝夾夾具的穩定性和可靠性，將裝夾力以較為均勻的方式分散分布在TC4航空發動機機匣上以此來降低裝夾力所造成的影響。優化路徑可以從裝夾位置、裝夾順序和裝夾力分布形式等幾個方面入手。

2.2 航空發動機機匣切削工藝優化

航空發動機機匣機械加工過程中切削參數直接影響到切削力的大小和分布。做好切削參數控制尤其是精加工階段切削參數的控制有助于在航空發動機機匣處于剛性最差狀態時獲得較好的切削性能。通過參數優化盡可能的降低切削力減少甚至是避免因讓刀變形問題。

2.3 參與應力控制方案

航空發動機機匣精加工階段不合理的加工順序將會影響到機匣內部應力釋放過程，不合理的去除順序將會引起變形在不同方向間波動，以變形控制為目標的余量加工順序優化將確保粗加工所留余量小且均勻且能夠使熱處理后毛坯件的熱變形量小于加工余量。

3 TC4航空發動機機匣加工變形分析

TC4航空發動機機匣毛坯件采用環軋成形工藝，屬于典型薄壁回轉體，加工后的TC4航空發動機機匣其單邊厚度最薄僅為2.5mm，整體結構剛性較弱，加工過程中受力變形及加工后應力變形較大， TC4航空發動機機匣的變形主要表現為安裝邊端面平整度較差和TC4航空發動機機匣內外圓圓度超差。為做好TC4航空發動機機匣變形控制需要做好機匣在機械加工時內部的應力分布并做好仿真模擬，以便在此基礎上對TC4航空發動機機匣機械加工工藝進行優化。

4 TC4航空發動機機匣毛坯件應力測量

在對TC4航空發動機機匣毛坯件殘余應力測量的過程中將使用Prism殘余應力分析儀對毛坯件進行測量，使用鉆孔去除材料法，并利用數字成像對材料應變進行分析。選用直徑為0.8mm的鉆頭進行0-0.1mm的鉆進，測量鉆頭鉆進過程中TC4航空發動機機匣毛坯件殘余應力分布變化情況。實驗結果表明在0-0.04mm的范圍內鉆進時， TC4航空發動機機匣毛坯件的應力幅度與鉆進深度成正比，并在0.04mm時應力達到峰值，在鉆進超過0.04mm后應力幅值開始衰落并由原先的拉應力轉變為壓應力，應力持續增大并在0.05mm處達到最大值。此后隨著鉆進深度的增加壓應力幅值在持續減小并持續到鉆進深度0.1mm處，殘余應力測試結果如圖1所示。

5 TC4航空發動機機匣毛坯件切削應力仿真

根據測試所得出的TC4航空發動機機匣毛坯件切削殘余應力分布圖建立切削過程中TC4航空發動機機匣毛坯件的仿真模型，以原加工工藝為主要模擬加工后的殘余應力變形。根據模擬結果，TC4航空發動機機匣毛坯件的變形主要以安裝邊翹曲為主，且變形量較大。通過模擬分析表明在TC4航空發動機機匣毛坯件切削過程中隨著切削的持續進行，TC4航空發動機機匣毛坯件的剛性也在不斷減弱，再加上殘余應力的作用將導致協調變形。在模擬過程中發現，在原加工工藝下TC4航空發動機機匣安裝邊的加工翹曲將呈現出現增大后減小的規律，在粗加工即將結束時變形呈現出不穩定，這一問題將會對后續的精加工精度產生不利影響。

6 TC4航空發動機機匣加工變形控制

結合上文對TC4航空發動機機匣加工變形因素的分析及原加工工藝中變形的模擬提出了TC4航空發動機機匣加工工藝新方案，使用五軸車銑加工中心進行加工。切削參數如下：粗加工時將按照48/m·min-1的切削速度、0.1mm·r-1進給速度、2mm的切削深度;精加工時將選用80/m·min-1的切削速度、0.08mm·r-1進給速度、0.2mm的切削深度的加工參數。在TC4航空發動機機匣加工中為避免裝夾夾具受力不均而導致的變形需要做好裝夾夾具的選用，并控制好裝夾力度，打表測量TC4航空發動機機匣毛坯件，做到裝夾的平衡。新的加工工藝將加工工序更改為先外圓周面，將毛坯件車削至待留精加工余量后再對毛坯件的內圓周進行車削加工，加工工藝路線也進行了修改。新的工藝路線通過首先切除TC4航空發動機機匣毛坯件拉應力分布區域的材料，將TC4航空發動機機匣切削過程中首先產生的拉應力盡可能的釋放以此降低拉應力的積聚。在去除拉應力集中區域后再集中就TC4航空發動機機匣毛坯件內圓一側壓應力分布區域，新加工工藝其核心在于讓加工應力在開始階段盡早的釋放，后期利用變形量趨于穩定的規律加入修基準面的步驟去除TC4航空發動機機匣加工中剩余部分的材料，完成對于TC4航空發動機機匣加工變形的控制。原加工工藝在加工變形量達到頂峰后呈現階梯式下降，并在粗加工完成后在毛坯件上仍留有一定的變形量。而采用新的加工工藝后，其安裝邊翹曲變形在開始階段與原工藝相同，但是隨著后續加工的持續進行新加工工藝所造成的變形幅值將會持續快速下降，在TC4航空發動機機匣粗加工量達到近70%以后TC4航空發動機機匣加工所造成的變形量將基本保持穩定，并不隨加工的持續進行而發生波動。根據對新工藝進行模擬及后續的實驗性加工表明，在前半段的加工中原工藝與新工藝所造成的變形基本相同而在后半段新工藝所造成的變形降低了近50%以上，新工藝將比原工藝更早的進入到穩定狀態。在粗加工進入到約70%時新加工工藝加入了修基準工藝可以有效的提高加工的精度，控制TC4航空發動機機匣加工中所產生的變形。

7 結束語

TC4航空發動機機匣加工變形問題直接影響著TC4航空發動機機匣加工效率與加工質量。本文在對TC4航空發動機機匣加工變形因素進行分析的基礎上通過對TC4航空發動機機匣加工應力進行測量仿真掌握了毛坯殘余應力分布情況，并在此基礎上研究出了TC4航空發動機機匣加工新工藝。新工藝首先就毛坯外圓拉應力集中區域進行加工，而后再對內圓進行加工，將加工變形控制在初始階段，提高了TC4航空發動機機匣加工的穩定性。

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