航空發動機機匣加工端面花邊結構變形控制裝置的開發與設計

張志革，王敏豐

（吉林化工學院，吉林 吉林 132022）

1 航空發動機及機匣

發動機是飛機的動力核心，航空發動機應用最廣泛的是燃氣渦輪發動機，包括渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機。航空發動機總體結構從前到后分別由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴口等幾大部分組成。其中，壓氣機、燃燒室、渦輪等部件又由機匣殼體、內環零件和葉片等部件組成。發動機機匣零件作為航空發動機上的重要零件之一，它是整個發動機的基座，主要起到承力、連接和包容作用。航空發動機機匣按照功能分為進氣處理機匣、低壓壓氣機機匣、高壓壓氣機機匣、燃燒室機匣、軸承機匣、渦輪機匣、加力燃燒室機匣、中央傳動機匣、附件機匣等。機匣按照結構可以分為兩大類：環形機匣和箱體機匣。機匣所用的材料，根據功能及部位不同，主要有鋁合金、鈦合金、耐高溫合金、高強度鋼、復合材料機匣等。這些材料具有硬度高、強度高、耐腐蝕、耐高溫、切削性能差等特性。

2 影響機匣加工變形的因素及控制方法

機匣的結構復雜，毛坯多為鍛造件，還有一部分機匣毛坯為自由鍛件，而鍛件毛坯加工余量很大，并且余量分布不均勻；另外，機匣零件的材料具有強度高、硬度大、韌性好等特點，機械加工時，需要比較大的切削力、切削熱，刀具磨損嚴重，并且加工時還會產生積屑瘤、加工硬化等切削現象。這些因素都會使機在機械加工時產生一定的變形。除此之外，毛坯內應力、裝夾力、表面加工引起的應力等也會使機匣產生變形。目前，國內外對于機匣的變形控制方法主要有毛坯熱處理消除內部殘余應力、加工中穿插熱處理消除加工引起的表面應力、增加輔助支承抵抗切削力、優化走刀路線減小切削力引起的變形、采用非接觸加工減小切削變形等方法。

3 一種航空發動機機匣加工花邊結構的控制裝置

在控制機匣件在機械加工過程中變形時，采用合理的裝夾方法得到了廣泛應用。專用夾具帶有徑向可調輔助支撐裝置，使薄壁機匣件與夾具定位面、輔助支承面結合在一起，提高機匣件的切削剛性，以減小切削時引起的變形。使用徑向可調輔助支撐的專用夾具時，在完成機匣件正確定位和壓緊后，再分別調整每個徑向輔助支撐的徑向位置，使輔助支撐既要起到支撐機匣件的作用，又不能破壞機匣的定位。

輔助支撐可以是液壓、氣壓、電動等自動控制的自動可調式裝置，也可以是手動控制的機械可調式裝置。在這兩種輔助支撐控制方式中，最好的方式是自動控制裝置，即輔助支撐元件與機匣件接觸達到要求的程度時，夾具上的功能機構限制輔助支撐繼續移動并鎖緊；另一種手動控制裝置相對落后，在調整輔助支撐時，使用千分表、扭矩扳手等工具控制輔助支撐的徑向移動?？紤]到機械加工的成本以及主要、次要加工部分等因素，手動控制的可調輔助支承方式在加工機匣件時仍然廣泛應用。

本文中，航空發動機渦輪機匣結構最薄壁厚4mm，直徑1000～1600mm，高度200～400mm，端面壁厚6～11mm，為弱剛性結構，為了滿足裝配要求，端面平面度要求較高，約束狀態平面度0.05mm，自由狀態平面度0.10mm，并且端面上存在定位槽等結構，其端面加工成花邊結構，常規方式加工花邊結構會導致端面變形較大，從而影響航空發動機機匣的使用效果。針對某航空發動機機匣以上的技術要求，本文設計開發了一種加工航空發動機機匣端面花邊結構的變形控制裝置。

3.1 設計方案

如圖1所示，機匣通過底面與兩個孔作為定位基準，放置在底座上，機匣的上端設有壓緊機構，機匣本體內設有支撐機構，機匣本體的外側壁設有穩定機構，穩定機構包括貼覆在機匣本體上的多個弧形的壓板，每個弧形壓板的上端彎折且與機匣上端面的底端貼合，每個弧形壓板的下端彎折且與機匣下端面的上側貼合，每個弧形壓板的外側壁上均設有壓迫機構。

壓緊機構包括設置在機匣本體內的第一螺紋桿，螺紋桿的底端固定連接在底座的上端，螺紋桿的上端延伸出機匣并滑動套接有壓緊板，壓緊板的底端與機匣上端面貼合，在壓緊板上端有與螺紋套接旋轉盤。套桿滑動套接在第一螺紋桿上，套桿上對稱焊接有多個固定桿，每個固定桿均通過伸縮機構連接有推桿，每個推桿的另一側均固定連接有弧形的支撐板，每個支撐板均與機匣本體的內側壁貼合。伸縮機構包括開設在推桿內的螺紋槽，螺紋槽內螺紋連接有第三螺紋桿，第三螺紋桿的另一端延伸出螺紋槽并與固定桿焊接，每個第三螺紋桿上均螺紋套接有轉板。壓迫機構包括設置在底座上的多個移動板，每個移動板的上端均插設有壓緊桿，在移動板兩側的壓緊桿上均固定套接有限位板，每個所述壓緊桿的另一端均焊接有弧形板，移動板的下端固定連接有移動機構。移動機構包括開設在底座上的滑槽，滑槽內壁中插設有第二螺紋桿，第二螺紋桿上螺紋套接有移動塊，移動塊的上端與移動板的底端固定連接，第二螺紋桿另一端固定連接有連接桿，連接桿的另一端貫穿底座并固定連接有驅動機構。驅動機構包括開設在底座中部的空腔，空腔的底端固定安裝有伺服電機，伺服電機的輸出端固定連接有轉桿，轉桿的輸出端固定連接有齒輪盤，每個連接桿遠離第二螺紋桿的一端均貫穿底座延伸至空腔內并固定連接有錐齒輪，每個錐齒輪均與齒輪盤嚙合。每個弧形板均焊接有橡膠墊，每個弧形板內側壁上均安裝有多個永磁體。

3.2 變形控制裝置的操作

將套桿8及其他的伸縮機構放置在機匣本體2內，旋轉轉板30，轉板30移動推動推桿26移動，推桿26移動帶動弧形的支撐板9壓緊機匣本體2，避免機匣在加工時，機匣本體2由于過薄受力塌陷變形的問題；再將套桿8套設在第一螺紋桿5上，在將第一壓緊板6套上，旋轉旋轉盤7帶動旋轉盤7壓緊第一壓緊板6，從而使第一壓緊板6從上壓緊機匣上端面3；將多個弧形的壓板10放置在機匣本體2上，從而使壓板10可以完全覆蓋機匣本體2，啟動伺服電機12通過轉桿13帶動齒輪盤14轉動，從而帶動多個錐齒輪15同時轉動，通過連接桿16進而帶動多個第二螺紋桿18同時轉動，多個移動塊19同時向機匣靠近，通過移動板20和壓緊桿21帶動弧形板23靠近壓板10，隨著弧形板23的靠近，弧形板23壓緊壓板10，從而使壓板23緊緊地貼合著機匣本體2，壓板10從外部給機匣本體2一個很好的支撐力，避免機匣本體2在加工時受力向外凸起的問題；壓板10的上端和下端分別壓緊機匣上端面3和機匣下端面4，從而使機匣上端面3和機匣下端面4穩定，不易發生變形，從而控制機匣在加工時的變形；加工完成后，啟動伺服電機12，伺服電機12反向轉動，帶動弧形板23遠離機匣，從而方便機匣的脫離。

圖1 航空發動機機匣端面花邊結構變形控制裝置

3.3 該裝置的特點

（1）通過設置伸縮機構，使支撐板給機匣本體一個向外的力，避免薄的機匣本體在加工時向內塌陷的問題，通過設置穩定機構，使壓板向內壓緊，避免機匣本體向外凸起的問題，通過伸縮機構和穩定機構的配合，避免了機匣本體在加工時受力變形的問題。

（2）通過設置壓緊機構，從而避免機匣的端面發生翹起的問題，保證了機匣的穩定，通過壓板兩端的支撐作用，避免了機匣的兩個端面向內彎曲的問題，通過壓緊機構和壓板的配合，從而保證了機匣端面在加工時的穩定，避免變形。

（3）通過設置是否電機帶動齒輪盤，再由齒輪盤帶動錐齒輪，從而可以同時帶動多個弧形板，同時壓緊壓板，節省了人力，提高了效率。

綜上所述，本裝置通過伸縮機構和穩定機構的配合，避免了機匣本體在加工時受力變形的問題，通過壓緊機構和壓板的配合，從而保證了機匣端面在加工時的穩定，避免變形。

4 結語

機匣是航空發動機的重要零件之一，在機械加工時，影響變形的因素和控制變形的方法成為研究重點內容?？刂茩C加工變時，針對加工機匣花邊，設計開發了一種機械可調的控制裝置。隨著科技水平和制造水平的提高，壓力傳感元件、電腦自動控制等應用到可調輔助裝置中，會使機匣變形的控制更加方便、省力、高效。