航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣機(jī)械加工過程中變形因素分析及變形控制

張志革，王敏豐

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

航空已成為各國交通運輸?shù)闹匾ぞ撸绕涫切滦凸跔畈《酒陂g，為了及時獲得急需的醫(yī)療物資，航空運輸因其快速高效的特點成為各國運送醫(yī)療物資的主要交通工具。日常生活中，航空運輸也是必不可少的出行交通方式。航空運輸在國防和國民經(jīng)濟(jì)等諸多領(lǐng)域都擔(dān)當(dāng)著非常重要的角色。

航空制造業(yè)體現(xiàn)了一個國家的科技水平、工業(yè)發(fā)展水平、軍事實力和綜合國力等，它關(guān)系著一個國家的科技、工業(yè)、軍事的發(fā)展，關(guān)系著一個國家的安全，因此，各國對航空制造業(yè)都非常重視。

飛機(jī)上有上萬個零部件，每個零部件的制造精度及質(zhì)量，都會影響整個飛機(jī)的性能和安全，航空發(fā)動機(jī)更是在所有零部件中占有非常重要的地位，它作為飛機(jī)的動力核心，為飛機(jī)的高速飛行提供強(qiáng)大的動力，被譽為工業(yè)皇冠上的明珠。對于飛機(jī)來說，發(fā)動機(jī)就是它的“心臟”，對飛機(jī)性能、可靠性、制造成本等都起著決定性的作用。

航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣是發(fā)動機(jī)的重要零件之一，它是整個發(fā)動機(jī)的基座，主要起承力和包容作用。其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同的種類的發(fā)動機(jī)、同一發(fā)動機(jī)的不同部位，其機(jī)匣的結(jié)構(gòu)形狀也不盡相同，機(jī)匣零件一般是圓筒形或圓錐形的薄壁筒體，如圖1所示。

近年來，隨著航空發(fā)動機(jī)的性能及設(shè)計結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)和提高，新型發(fā)動機(jī)不斷涌現(xiàn)，與之相配合的機(jī)匣零件的材料、結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求。越來越多的高強(qiáng)度、難加工的新型復(fù)合材料被采用，機(jī)匣的結(jié)構(gòu)越來越先進(jìn)合理、輕巧和緊湊，這就給發(fā)動機(jī)機(jī)匣零件的制造帶來了更大的難度。本文接下來將針對航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣零件制造過程中影響變形的因素進(jìn)行分析，并探索控制其變形的具體措施。

圖1 發(fā)動機(jī)機(jī)匣（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

1 制造過程中影響發(fā)動機(jī)機(jī)匣變形的因素

機(jī)匣從毛坯到加工得到零件的過程中，影響變形的主要因素有以下幾方面：

1.1 發(fā)動機(jī)機(jī)匣的毛坯形變

發(fā)動機(jī)的機(jī)匣的工作表面主要為內(nèi)、外表面，其內(nèi)表面主要是承載渦輪葉片，外表面需要連接許多附件系統(tǒng)，如冷卻、油路系統(tǒng)、各種管路和控制部件等。為了適應(yīng)工作要求，機(jī)匣不僅具有復(fù)雜的幾何形狀，還具有不均勻的壁厚。因此，機(jī)匣大多用耐高溫合金、高強(qiáng)度鋼、鈦合金、鎳基合金等復(fù)合材料制成，毛坯用強(qiáng)度和韌性等綜合性能的鍛件毛坯、鑄造、焊接等方式獲得。在鍛造、鑄造、焊接的過程中，由于壁厚不均勻，毛坯內(nèi)在彎曲加工過程就會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，雖然經(jīng)過熱處理及時效處理，但還是會有一定的應(yīng)力集中。這些內(nèi)應(yīng)力在在加工過程中，就會使機(jī)匣零件變形。

1.2 安裝裝置影響機(jī)匣的形變

機(jī)匣零件的外形復(fù)雜，在進(jìn)行定位安裝時一般采用專用的夾具，零件在夾具中正確定位后，要施加一定的夾緊力。發(fā)動機(jī)機(jī)匣屬于典型的大型薄壁零件，零件剛度較差，如果安裝裝置中定位、輔助支承的位置和夾緊力的作用點等計算不精確，在夾緊力的作用下，就會導(dǎo)致機(jī)匣端面以及薄壁處發(fā)生變形，從而影響機(jī)匣的精度。

1.3 加工過程對影響機(jī)匣形變

機(jī)匣的加工方法一般有車削、銑削、鉆削等。首先，由于機(jī)匣零件的材料鈦合金、鎳基合金都是強(qiáng)度高、韌性高的難加工材料，加工余量大，在加工過程中，毛坯的材料去除率達(dá)到了70%以上。因此，切削加工時會產(chǎn)生較大的切削力，由于大型薄壁的機(jī)匣零件剛度不足，在切削力作用下薄壁處容易產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象。其次，切削過程中還會產(chǎn)生大量的切削熱，并伴隨有積屑瘤、冷作硬化等現(xiàn)象，這將使零件表面產(chǎn)生一定的表面殘余應(yīng)力。最后，在切削加工過程中，加工部位的尺寸大，一次走刀距離長，刀具受切削力和切削熱的影響，會產(chǎn)生一定的變形和磨損，必然會影響刀具的切削性能，使得機(jī)匣的不同部位在加工中出現(xiàn)切屑層參數(shù)的變化，從而影響機(jī)匣零件的變形。因此，切削加工過程會使機(jī)匣零件產(chǎn)生一定的加工變形。

綜上所述，機(jī)匣零件的安裝、加工、刀具切削性能及殘余應(yīng)力等是影響機(jī)匣零件變形的主要因素。

2 機(jī)匣變形的主要控制措施

航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣是典型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型薄壁零件，在加工制造中易發(fā)生變形，從而影響零件的精度，因此，要對變形加工控制。主要變形控制方法如下。

2.1 選擇合適的加工設(shè)備

在加工形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)匣零件時，使用普通的車床、銑床、鉆床等設(shè)備，要使用復(fù)雜的工藝設(shè)備才能完成加工要求，零件經(jīng)過多次裝夾，會影響變形并影響加工的精度。多軸數(shù)控機(jī)床特別適用于機(jī)匣的中、小批量生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。它在加工零件時，能夠按照工序集中的原則減少工件的裝夾次數(shù)，使用合理的走刀路線減少工藝裝備的數(shù)量。因此，數(shù)控加工是有效減少機(jī)匣零件加工變形的措施之一。

2.2 改進(jìn)零件的裝夾方法

機(jī)匣零件在完成基本的定位夾緊要求后，對薄弱部分增加輔助支承以抵抗夾緊、加工過程中的軸向力和徑向力。主要方法有兩種：一是機(jī)械輔助支承，采用能夠形成均勻可調(diào)的聯(lián)運張緊機(jī)構(gòu)，使變形控制在允差范圍內(nèi)，改善變形效果非常理想，這種輔助支承方式在國內(nèi)外加工大型薄壁零件時被廣泛采用。二是非機(jī)械方法支承，在機(jī)匣殼體內(nèi)部充滿石膏、石蠟等化學(xué)物質(zhì)增加零件的剛度，減少安裝和加工過程中的變形，在發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件的加工中，這種方法早已被采用。

2.3 加工工藝過程的合理選擇

通過合理安排工序、走刀路線等使加工過程中零件的變形得以控制。

（1）劃分合理的工序并優(yōu)化。將機(jī)匣零件的加工階段劃分為粗加工-半精加工-精加工，優(yōu)化工序使零件變形部位的厚度增加以增加剛度，減小變形。這是控制機(jī)匣零件變形的一種操作簡便、成本小的最有效的方法之一。

（2）設(shè)計合理的走刀路線并優(yōu)化。每個加工部位采取分層多次走刀，按照余量均勻的原則精益設(shè)計走刀路線，使相對、相背的表面粗加工和半精加工后的余量保持一致。加工過程中，采用相同的切削用量，使加工過程的切削力和切削熱及加工后的殘余應(yīng)力都基本上處于一個相近的狀態(tài)，從而減小零件加工過程中引起的變形。

（3）切削參數(shù)的合理選擇。切削參數(shù)有切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量，由切削力的經(jīng)驗公式并分析各項參數(shù)的影響可知，對切削影響從大到小的順序依次是背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度。綜合考慮材料切除率、切削力、切削溫度、表面粗糙度及刀具壽命等因素后，選取小切深、小進(jìn)給、高速切削的方法，這樣既保證了加工效率，又減小了切削力，從而減小機(jī)械加工引起機(jī)匣零件的變形。隨著科技水平的日益提高，高速切削逐漸得到了廣泛應(yīng)用。

德國MTU公司數(shù)控銑削鈦合金葉盤時粗、精加工時的切削速度分別可達(dá)到100m/min和300m/min。加工中陶瓷刀具切削速度可以達(dá)到900m/min以上，金屬切除率高達(dá)200cm2/min，是英國羅羅公司加工高溫合金的一種主要方法。

（4）熱處理工序的合理安排。為了減少機(jī)匣零件的毛坯和加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)該合理地安排熱處理工序，在不改變零件材料金相組織的前提下釋放內(nèi)應(yīng)力，從而減小它對機(jī)匣零件變形的影響。

3 結(jié)語

航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣是一種典型的大型薄壁零件，加工中容易產(chǎn)生變形，影響變形的因素很多，控制變形的措施多種多樣，加工中減小變形、保證加工精度是一項復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，需要從毛坯、工藝裝備、工藝路線、切削參數(shù)、熱處理等方面綜合考慮，可借助計算機(jī)技術(shù)對綜合因素進(jìn)行優(yōu)化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，新型的加工技術(shù)如3D打印技術(shù)、激光切削、化學(xué)銑等加工方法日益成熟，它們都會使機(jī)匣零件的變形得到控制并提高加工質(zhì)量。