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摘要：随着社会的发展，我国的航空工程的发展也突飞猛进。航空发动机低压压气机机匣类零件多为铝合金薄壁环形件，其直径尺寸大，壁薄，刚性差，机械加工中零件变形大且无规律，难以保证设计图的技术要求。本文以某型低压Ⅰ级机匣为研究对象，展开铝合金机匣加工变形控制技术研究，通过调整加工参数、增加振动时效处理、采用冷胀形毛料等工艺措施，最终使机匣满足设计图要求，解决了铝合金薄壁环形机匣变形问题。
关键词：铝合金环形机匣；零件变形；控制技术研究
引言
随着航空航天事业的不断发展,航空发动机的性能在不断提升,与此同时航空发动机上的机械零件的设计也在不断升级。航空发动机机匣作为航空发动机上重要的核心构件之一,其设计制造水平也在不断的更新。从文中所研究的航空发动机机匣来看,其结构复杂、加工余量大、加工工艺性差且极易发生变形。本文以控制薄壁铝合金机匣零件的加工变形为出发点,研究铝合金薄壁机匣的变形特点和切削参数对其加工变形的影响并设计工艺方案,从生产实际出发,为航空发动机机匣制造的工艺问题提供帮助。
1零件加工工艺分析
1.1铝合金材料零件变形机理
通常铝合金材料零件变形有以下几种情况。(1)毛坯内残余应力释放变形。铝合金材料金属晶体的排列不是理想状态的整齐排列，晶体的大小和形状不仅相同，存在原始的残余应力，随着时间缓慢释放，产生变形。(2)切削热变形。在切削过程中，切削的塑性变形和刀具与零件间的摩擦热，使已加工表面和里层温度差大，零件受热不均匀，在零件局部产生热量，形成热应力塑性变形。(3)切削变形。零件在切削过程中，刀具与零件相互作用，刀具从零件上去除部分材料，使零件材料晶体颗粒间产生挤压、拉伸、拉断等现象，使晶体的原子间产生位移，导致零件变形。(4)加工受力变形。加工中由于承受切削力和装夹力，导致零件变形，其中装夹力对零件变形影响较大。在零件状态差的情况下，加工出的零件，变形也会很大。
1.2毛料工艺分析
国内铝合金锻件采用常规的自由锻造工艺，锻件内部残余应力较大，其加工变形大。而国外薄壁铝合金环形锻件在锻造中采用冷胀形工艺，加工后零件圆度0.15mm，平面度在0.1mm之内。国内锻造厂家现借鉴国外毛料标准，冷胀形变形量控制在2%～4%，已生产出冷胀形锻件。
1.3机加工工艺分析
低压Ⅰ级外机匣零件直径尺寸大，壁厚薄，属于典型的薄壁环机匣，刚性差，加工去除材料多，零件加工变形大，工艺设计上分粗加工、去应力处理、细加工、精加工、表面处理阶段。工艺路线安排：锻件→车超探面→超声波检查→粗车内外型→去应力→修基准→细车内外型→精车内外型→铣平面、钻孔→检验→阳极化。
2钻铣加工工艺分析
工艺性分析可以看出，零件无定位面，装夹面特殊，加工孔种类多加工位置复杂，普通钻铣床加工夹具数量多且技术条件不能保证等原因，需用数控加工中心完成。制定正确的加工工艺路线，对避免环形薄壁件在加工和工序周转中的变形起着重要的作用。（1）工序安排原则：a.将零件的整个加工过程划分为铣凹陷阶段、钻孔及铣凹陷阶段。b.采用工序集中原则，使零件的大部分尺寸，集中在零件的一次装夹定位中完成，这样可以减小由于零件的多次定位、夹紧而引起的零件变形并避免重复定位误差，同时可保证各组孔与基准孔间位置度及同组孔之间技术条件要求。（2）选用刚性好、功率大、精度高的数控加工机床。（3）较大的孔先用硬质合金钻头钻底孔，然后采用硬质合金铣刀进行轮廓铣精加工。
3优化措施
3.1铝合金整体薄壁机匣零件结构分析
随着航空产品的不断升级换代以及制造数量的不断增加，航空发动机零件的制造技术也在不断更新，为了提升机匣零件的精度以及耐用度，如今整体机匣类零件应用愈发广泛并且零件的材料也逐渐转向新型轻质量合金，因此加工难度大大提升。机匣是航空发动机承受载荷和包容的关键零部件，是典型的薄壁复杂结构零件，由于铝合金具有良好的塑性、比强度、比刚度、导热性等特点，可以满足有重量轻、强度高、减振降噪要求的壳体类零部件，铝合金正好可以适应航空发动机机匣的复杂结构设计，因此在航空发动机机匣的制造材料中，铝合金的应用极为广泛。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆航空发动机机匣是整个发动机的基座内部为主轴和叶片，外部连接各构件，包括油管、冷却管和控制系统等，航空发动机机匣一般相对刚度较低，整体为薄壁结构，并且材料切除率很高，容易在加工中产生变形，因此在机匣加工过程中的车、铣加工工序比较复杂，且多数工艺是在不同的机床上进行的，例如，机匣外型面及安装座座部分需要在五轴联动的铣削加工中心上完成，而机匣内部型腔表面及前后部分的安装边需要在数控车床上进行加工，在安装边上的定位孔和连接孔需要进行钻、扩、镬、铰等加工。由上述加工方法可以看出，航空发动机薄壁机匣在加工过程中一定会存在变形现象，由于不同工序之间的变化将会严重影响后续加工工序装夹找正，进而影响机匣的加工质量。中介机匣一般指在风扇机匣和高压气压机之间的承力框架属于航空发动机风扇单元体的后半段，为发动机中最主要的承力部分。机匣主体材料为高强度铸造铝合金，内部设有用于支撑转子的轴颈，可以安装推力轴承，外部设有发动机安装节，便于传递飞机载荷，同时具有气动鹅颈流道，用于减少高低压气压间的径向差别。同时设有定位孔、凸台，内部有连接肋板、异形孔、导油管等结构，机匣毛坯采用镶块式无余量熔蜡模，采用整体铸造，造价昂贵。
3.2工装结构设计和措施
（1）遵循基准重合原则；即：工艺基准（定位基准，测量基准）尽可能地与设计基准相重合，这样以便消除基准不重合误差，容易保证设计尺寸公差，避免由于基准不重合而带来的不必要的加工难度。增加辅助支撑，提高零件的刚性。另在接触面上还使用了夹布胶木，起到了很好的减振作用，也降低了零件受腐蚀性。（2）合理设计夹具与零件定位表面配合间隙。在加工中，因为零件的刚性差，因此，所使用的夹具的定位表面与零件的配合间隙的设计要合理，要根据工艺中各工序给出的零件定位表面的尺寸公差和型位公差，设计夹具的定位表面尺寸公差，使得零件在装夹后，既能保证零件在夹具上的准确定位，又便于加工、找正。
3.3机加工中减小变形主要方案
机加工针对工艺系统受力导致的零件变形，工艺安排上采取措施减小零件变形，加工分粗、细、精阶段加工；零件装夹方式上采用轴向压紧；多次修复基准。其具体措施是：(1)修复基准。在工序加工中多次修复基准，保证平面度在0.03mm之内。(2)降低切削热。加工中为减小零件切削热产生的变形，在粗、细、精加工阶段均浇注冷却液，减小加工切削热。(3)减小装夹力。加工中为减小零件因装夹等原因导致的受力变形，采用轴向压紧零件；(4)减小切削力。加工中为减小零件因受切削力而导致的零件变形，优化切削参数。采用锋利的刀具，刀具材料一般采用高速钢材料的刀具。选择合理的走刀路径。
结语
本课题针对薄壁铝合金环形机匣加工的研究，通过采用冷胀形锻件、加工工艺调整、自然时效和振动时效处理，释放零件内应力控制技术，解决了铝合金机匣类零件在加工过程中由于应力引起的零件加工变形。现已选用冷胀形毛料，按优化后工艺加工，完成低压I级机匣35台份，圆度控制在0.5mm之内，平行度在0.05mm之内，尺寸及技术条件完全满足设计要求。
参考文献:
[1]《中国航空材料手册》编辑委员会编.航空材料手册第三卷铝合金镁合金[M].2版.北京:中国标准出版社,2011.
[2]王先逵.机械制造工艺学[M].3版.北京:机械工业出版社,2013.
论文作者:刘琦
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/8/1
标签：零件论文; 加工论文; 铝合金论文; 薄壁论文; 基准论文; 工艺论文; 航空发动机论文; 《防护工程》2019年8期论文;