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        非對稱渦輪機匣的變形控制

        2014-03-27 03:45:52
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2014年18期
        關(guān)鍵詞:渦輪機銑刀非對稱

        (沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110043)

        非對稱渦輪機匣的變形控制

        王 琪 閆 龍

        (沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110043)

        PWA公司的非對稱渦輪機匣是渦輪機匣中結(jié)構(gòu)較特殊的一類機匣,零件兩端分別有多處偏心非對稱基準。零件材料為固熔時效高溫合金,零件有多處孔、花邊及半封閉窄槽等特殊結(jié)構(gòu)部位,造成加工剛性較差,極大的影響加工合格率,并且由于偏心基準和非偏心基準間的轉(zhuǎn)換,也加大了機械加工的難度,通過對零件結(jié)構(gòu)的分析、變形規(guī)律的摸索,以及加工工藝路線、刀具、工裝和加工參數(shù)的試驗,總結(jié)出一套能夠克服加工瓶頸和控制加工變形的工藝方案。

        PWA機匣;非對稱;半封閉窄槽;偏心基準;控制變形

        1 引言

        PW4000型別發(fā)動機是普拉特·惠特尼公司研制的高涵道比,軸流式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,該型號發(fā)動機轉(zhuǎn)速高、功率大,燃氣溫度高,同時還要求重量輕,熱負荷和動力負荷大,工作條件惡劣。

        該非對稱渦輪機匣材料為AMS5663高溫合金,屬難加工材料,機匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零件內(nèi)、外型面和多處局部結(jié)構(gòu)分屬于不同中心軸線,為非對稱結(jié)構(gòu),內(nèi)型面為半封閉型腔,且有多處窄槽,結(jié)構(gòu)剛性較差,零件加工變形控制和不同基準部分同時加工難度極大。

        本文就該類機匣特點深入分析,對于不同難點部位變形控制專門設(shè)計方案,通過實際加工摸索變形加工規(guī)律,獲得一定的加工經(jīng)驗,可為同類機匣零件研制提供幫助。

        2 零件分析

        2.1 結(jié)構(gòu)分析

        該渦輪機匣為典型薄壁環(huán)形高溫合金件,最大直徑φ1064mm,高132mm,最小壁厚2.3mm;零件外型分布有5處結(jié)構(gòu)不同島嶼,島嶼周圍連接折線式異形型面;兩端內(nèi)外型面分別分布280處孔及260處花邊;

        零件內(nèi)型結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜,為半封閉型腔,分布有5處偏心軸向窄槽,且有多處裝配關(guān)鍵尺寸,為加工關(guān)鍵部位。

        2.2 加工難點分析

        難點1:外型面大余量切削的變形控制,由于有5處島嶼分布在外型面上,左右兩側(cè)由曲面R與型面連接,所以需要利用銑加工去除單邊12mm以上的零件材料,其對零件變形量影響很大。

        難點2:零件基準直徑兩側(cè)均分布著窄槽和半封閉槽,由于槽的加工,導(dǎo)致零件基準直徑及其安裝邊裝配直徑尺寸容易超差。

        難點3:島嶼中心分布3組階梯類型的安裝孔,由于該組通孔尺寸較大,會直接影響零件變形,并且該組孔為裝配孔,要求表面粗糙度1.6以上,不允許鉗修等苛刻條件。

        3 加工難點解決方案

        3.1 外型斜面去除余量的加工方案

        由于結(jié)構(gòu)余量分布不均勻,該類零件切削分為二個部分:

        第一,外型斜面的余量去除,該部分余量最大,單邊約為13mm,為了控制變形和兼顧加工效率,采用D40R3的快速進給飛碟銑刀,銑刀最大切深1mm,單次切削深度小,且由于刀片獨特的形狀,可以將切削力分解到刀桿軸向,所以零件切削受力相對整體硬質(zhì)合金銑刀小很多,但刀具進給速度可達到F=400 mm/min,這樣就可以獲得5倍與整體刀具的金屬去除率,此外刀片自身價格低廉,并可以旋轉(zhuǎn)使用3次,也降低了加工成本,飛碟刀具是加工該類型面的最佳選擇。

        第二,由于外型銑加工余量去除量較大,加工后剩余壁厚2.032mm,同時由于島嶼分布不均勻,就會產(chǎn)生加工振動。我們在工裝上使用輔助支撐,在每個島子的內(nèi)型面位置用橡膠支撐,可以有效防止其余量去除時,零件的受力變形和加工受力產(chǎn)生的振動。

        3.2 窄槽加工控制變形量的方案

        零件兩端結(jié)構(gòu)很相似,本文從一端加工的解決方案為例,圖1為零件局部示意圖。

        軸向窄槽為圖紙要求關(guān)鍵尺寸,槽寬公差±0.05mm,與槽相關(guān)槽內(nèi)直徑公差±0.05mm,同時還要保證0.25mm的偏心值,在如此嚴格的公差要求之下,零件變形控制體現(xiàn)的尤為重要,圖示結(jié)構(gòu)可以看出,軸向槽位于加強筋懸出部位,加工剛性差,所以加工前需要利用打表壓緊,限力扳手等輔助工具保持零件裝夾受力均勻,不會產(chǎn)生裝夾應(yīng)力影響零件狀態(tài)。偏心尺寸和正常尺寸加工位置度由設(shè)計為角向偏心工裝夾具保證,避免了人為找正時的誤差。通過摸索加工發(fā)現(xiàn),當(dāng)所有窄槽粗加工后,基準B及槽外圓尺寸均向外方向傾斜,導(dǎo)致所有要求直徑均偏大,要想保證尺寸合格,需要在工藝路線上解決,將基準直徑及窄槽直徑只進行粗加工,然后進行精銑工序,將孔及花邊全部加工完成后,最后加工基準B及槽尺寸,即釋放了粗加工給尺寸造成變形的應(yīng)力,又防止了銑加工給尺寸帶來的變形量。同時需要注意的是,加工參數(shù)控制在S=8-10r/ min,F(xiàn)=0.1-0.15r/min范圍之內(nèi),已保證加工過程后出現(xiàn)讓刀尺寸與理論不統(tǒng)一的情況發(fā)生。

        圖1

        圖2

        3.3 島子中心3組階梯孔的加工方案

        粗加工使用D47 U鉆進行加工底孔,有效改善了銑孔帶來的應(yīng)力變形,然后用D10銑刀加工中間的孔及外端孔。由于內(nèi)端孔大于中間孔,保證其3組孔的位置度要求的同時還要防止內(nèi)側(cè)安裝邊的干涉,所以選擇從外端利用設(shè)計非標刀具進行逆向銑加工。要求刀具反向切削刃,刃長要求符合內(nèi)孔孔深,R滿足1.10-1.75之間,根據(jù)這些要求設(shè)計非標玉米銑刀為最佳選擇,如圖2所示。

        結(jié)語

        該類型的渦輪機匣加工變形控制的關(guān)鍵點在于工藝路線的合理制定,加工方式的合理選擇,快速進銑削的應(yīng)用及輔助工裝的設(shè)計使用,同時也需要綜合考慮刀具加工的參數(shù),內(nèi)冷刀具的作用,不但可以延長使用壽命,提高加工效率,還可以有效抑制切削熱變形對零件的影響。

        [1]王運巧,梅中義,范玉青.航空薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形控制研究[J].現(xiàn)代制造工程,2005.

        [2]陳本柱.航空發(fā)動機冷加工工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空工藝技術(shù),1995(02).

        V23

        :A

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