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摘要：航空发动机机匣零件的设计采用整体化、轻量化设计思想，使得结构复杂、规格尺寸大、薄壁特征多，而设计精度要求却在逐渐提高，机匣件加工后产生的变形问题比较突出。探讨了薄壁结构机匣零件加工变形产生机理，提出分区去除余量控制加工变形的方法。
关键词：航空发动机机匣；毛坯残余应力；加工变形
钛合金比强度高，具有较良好的高温强度和抗疲劳性能，耐蚀性能优良，在航空发动机的多个部位获得了重要应用。在航空发动机环形机匣中，很大一部分材料为钛合金，结构为薄壁弱刚性零件，加工变形问题比较突出。
1 机匣加工变形机理与控制方法
1.1 机匣加工变形因素
机匣是典型的薄壁结构零件，在切削加工过程中随着材料去除，刚度逐渐减弱，刚度不足引起的加工变形是影响尺寸精度的主要原因。一般情况下，影响薄壁结构件加工变形的主要因素包括以下几个方面：
①装夹变形。由于零件刚度较差，在夹具装夹力的作用下，导致端面平面变差以及薄壁处变形。
②切削力产生的变形。切削加工时由于零件刚度不足，在切削力作用下产生弹性让刀变形。变形主要发生在薄壁处，对于机匣变形影响主要表现为圆跳动量过大。
③残余应力释放产生的变形。零件加工过程中，原本平衡的毛坯初始内应力状态遭到破坏，因此需要通过零件协调变形达到内应力新的平衡。
机匣毛坯一般通过塑性成型工艺制造完成，加工余量比较大，材料去除比率能够达到80%甚至到90%以上。所以，毛坯内部残余应力大量释放并重新分布，会引起零件严重的整体组合变形。
1.2 机匣变形控制方法
针对以上三个因素，机匣变形的工艺控制方案主要包括装夹方案优化、切削参数优化、余量分布及加工顺序优化：
①装夹方案优化：装夹优化的目的是提高工装的可靠性和稳定性，通过分散或降低装夹力来控制装夹力造成的变形。其优化主要考虑的因素为：装夹位置、装夹顺序以及装夹力的分布形式和大小。
②切削参数优化：加工过程中产生的切削力与切削参数密切相关，尤其在精加工阶段，零件刚度处于最差状态，不合理的切削参数将导致较大的切削力，由此引起让刀变形无法通过后期重复加工校正。通过优化切削工艺参数，在保证加工效率的前提下，减小切削力，从而抑制了加工中产生的变形。
③余量分布及加工顺序优化：加工余量不均匀，会导致切削过程中切削深度在一定范围内波动，因此会造成切削力不断变化，同时，余量的加工顺序会影响内部应力的释放过程，不合理的去除顺序会引起变形在不同方向间的波动。以变形控制为目的的余量优化原则，主要是保证精加工前余量可能小且均匀，余量应确保粗加工和热处理后，零件变形量小于精加工余量。
1.3 TC4钛合金压气机机匣变形机理分析
在本文中就针对TC4钛合金压气机机匣的变形控制进行研究。该零件毛坯通过环轧成形，属于典型薄壁回转体件的，单边最薄处厚度为2.5mm，刚性比较弱。切削加工过程材料去除比率高达85%，毛坯初始应力释放变形对最终变形量贡献突出，变形具体表现为安装边端面不平和机匣内外圆跳动较大。所以，首先需要掌握毛坯内部的应力分布情况，在此基础上进行后续的变形仿真分析。
2 TC4钛合金机匣毛坯残余应力预测
2.1 机匣毛坯表层残余应力测量
在本文中芬兰公司生产的残余应力分析仪测量机匣毛坯表层深度残余应力分布情况，该设备基于钻孔去除材料法，同时结合了数字成像和电子斑纹干涉技术进行应变测量分析，该测量方法对工件破坏性小，在余量足够情况下不影响后续切削加工过程。
2.2 机匣毛坯内部残余应力仿真预测
电子斑纹干涉钻孔残余应力测测量方法，可以使用钻头最大直径为3mm，此时测量深度达到最大值2mm，并不能满足机匣毛坯内部全部深度的应力测量。
本文结合TC4机匣环轧成形的实际工艺流程，使用有限元软件对毛坯的制造过程进行了数值模拟，最终获得了坯料内部的全部残余应力分布。环轧工艺参数如下：轧制温度950℃，芯轮速度4.72r/s，挤压速度0.3mm/s。
3 TC4机匣切削加工过程仿真
3.1 切削加工仿真模型
由于形状、载荷、约束条件均符合轴对称要求，因此，为了提高计算效率，将三维模型简化为二维轴对称模型，有限元仿真模型采用了8节点四边单元，材料属性为TC4，弹性模量E=110GPa，泊松比为0.34。在已经导入到仿真模型中，该模型中包含了初始应力信息。选择毛坯中一点作为约束点，限制该点所有自由度，防止零件发生刚度位移。切削过程仿真采用控制技术，通过控制单元来模拟材料的切除。
3.2 切削过程仿真
3.3 切削工艺方案对比讨论
通过机匣切削加工仿真发现，在初始加工工艺下安装边变形量在加工过程中波动比较大，并且在加工最后阶段仍然发生变形，这样的工艺方案不利于加工变形控制以及保证加工精度要求。
本文提出了去应力加工的思想，其实就是让应力在加工开始阶段尽早释放，后期利用变形量趋于稳定的规律，通过修基准面，去除剩下材料，最终达到降低加工变形量的目的，基于工艺集中原则采取了新工艺路线，并与初始工艺进行对比分析。新工艺方案具体为首先切除外圆拉应力分布区域对应的材料，让拉应力尽可能释放，然后集中去除内圆一侧压应力分布区域的材料。
4 TC4机匣加工变形控制试验
针对TC4钛合金机匣残余应力释放引起的变形的进行了有效元数值仿真，将采用提出的新加工工艺方案，在一定范围内复合立式加工中心上对机匣进行了切削加工，并且进行加工变形的现场测量，在此基础上和仿真结果进行对比分析。
4.2 测量结果以及分析
在下图中机匣安装边平面度、内外圆跳动变形量的试验测量值和有限元仿真数据对比结果，加工完成后以上三个指标均满足加工精度要求。在材料去除比率达到70%，试验测量值和仿真结果非常接近，但是全部余量材料去除后两者误差增大。
小结
以上所述，本文针对TC4钛合金机匣加工过程进行了方针和试验研究，通过残余应力测量和仿真掌握了毛坯残余应力分布情况，对残余释放引起变形进行了仿真，最后通过试验得到了论证，以此达到了良好的效果。
参考文献
[1]贺蒙.低塑性滚压钛合金TC4表面完整性及低周疲劳寿命研究[D].山东大学,2015.
论文作者:李秀平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/25
标签：加工论文; 应力论文; 余量论文; 毛坯论文; 残余论文; 零件论文; 薄壁论文; 《防护工程》2018年第2期论文;