劉建南

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)已被我國(guó)列入十三五重大專項(xiàng)，航空制造業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)建設(shè)強(qiáng)大的國(guó)防具有重大意義。機(jī)匣類零件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，起到了包容、承力、連接的重要作用，其加工技術(shù)也是航空零部件制造中的一個(gè)難點(diǎn)。本文主要研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件的加工制造，闡述了機(jī)匣類零件的加工難點(diǎn)和易產(chǎn)生的問(wèn)題，結(jié)合了生產(chǎn)科研實(shí)踐，著重研究并探討了幾種機(jī)匣類零件變形控制的方法。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)械加工；機(jī)匣類零件；變形控制

中圖分類號(hào)：V263 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣簡(jiǎn)介

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)皇冠上的明珠，其生產(chǎn)制造覆蓋材料、冶金、機(jī)械加工、熱處理、特種工藝等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的體現(xiàn)，被譽(yù)為“國(guó)之重器”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣道，低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、尾噴口等幾大單元體組成。其中壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等核心部件又由機(jī)匣殼體、內(nèi)環(huán)零件和葉片組成。機(jī)匣零件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零件，為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一個(gè)封閉的空間，保證氣流順利進(jìn)入，被壓縮升壓、充分燃燒、膨脹做功、排出后形成推力。機(jī)匣將航空發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)單元進(jìn)行連接，形成整機(jī)；為控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等搭建了一個(gè)互相連接的整體。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣按照結(jié)構(gòu)可以分為整體機(jī)匣、對(duì)開(kāi)機(jī)匣、異形機(jī)匣、附件機(jī)匣、帶有整流直板的機(jī)匣幾大類。機(jī)匣根據(jù)其使用部位不同，所用材料也不同，壓氣機(jī)部分工作溫度較低，一般采用鈦合金，渦輪部分由于氣體經(jīng)過(guò)燃燒室后溫度大幅升高，一般采用高溫合金進(jìn)行制造。

二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣制造難點(diǎn)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化和使用指標(biāo)的不斷提高，新一代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越追求高推重比和低油耗。這就要求各級(jí)零部件的重量盡可能的輕。故機(jī)匣類零件的壁厚一般都在1.5mm～3mm之間，而機(jī)匣類零件的直徑大都在600mm～1000mm，屬于大型薄壁類零件，因此在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生變形，而且由于其使用功能的要求，往往具有復(fù)雜的構(gòu)型和嚴(yán)格的尺寸及形位公差，在加工過(guò)程中不容易合格。同時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件很多采用鎳基高溫合金制造，這種合金硬度高，不易加工，加之有時(shí)毛料余量大且不均勻，會(huì)在機(jī)加過(guò)程中產(chǎn)生大量的內(nèi)應(yīng)力，在后續(xù)的加工和存放過(guò)程中應(yīng)力釋放，導(dǎo)致零件變形，經(jīng)常出現(xiàn)工序中檢驗(yàn)合格但在精加工或最終檢驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)尺寸不合格的現(xiàn)象。

三、機(jī)匣類零件變形控制研究

1.增加去應(yīng)力熱處理工序

機(jī)匣類零件毛料多為圓環(huán)鍛件，加工余量較大，原材料去除率往往高達(dá)80%以上，尤其是粗加工階段，零件去除的余量是最多的，而粗加工要求尺寸精度較低，且采用的切削參數(shù)較大，刀具在切削時(shí)產(chǎn)生了大量的切削力，這就造成了零件內(nèi)部產(chǎn)生了大量的內(nèi)應(yīng)力，而此時(shí)零件距離最終狀態(tài)還有很多余量，零件剛性較好，這些內(nèi)應(yīng)力不能使零件產(chǎn)生變形，隨著零件加工過(guò)程的深入，零件壁厚變得越來(lái)越薄，這時(shí)粗加工時(shí)產(chǎn)生的切削力逐漸釋放出來(lái)而導(dǎo)致零件變形。因此，在粗加工之后，及時(shí)釋放零件應(yīng)力非常有必要。零件可以通過(guò)自然時(shí)效進(jìn)行去應(yīng)力，但是自然時(shí)效所需的周期很長(zhǎng)，往往無(wú)法滿足零件的生產(chǎn)進(jìn)度。這時(shí)可以采取熱處理的方式去消除零件的殘余內(nèi)應(yīng)力。去應(yīng)力熱處理的溫度較低，因此在整個(gè)熱處理的過(guò)程中不會(huì)使金屬組織發(fā)生相變，在零件的保溫和逐漸冷卻過(guò)程中，零件的內(nèi)應(yīng)力得到釋放。去應(yīng)力熱處理之后，零件端面一般會(huì)產(chǎn)生1mm～1.5mm的變形，需要安排一道修基準(zhǔn)工序?qū)⒘慵嗣嫘奁健Ｖ档米⒁獾氖?，增加去?yīng)力熱處理要充分考慮零件的變形量，否則零件變形過(guò)大，零件所剩加工余量小于零件的變形量會(huì)導(dǎo)致零件無(wú)法加工合格。

2.改進(jìn)工裝夾具

機(jī)匣類零件大多數(shù)為環(huán)形件，因此需要大量的車加工，在車床上典型的裝夾方式有壓緊，夾緊和漲緊。在進(jìn)行粗車加工時(shí)零件往往采用四爪卡盤進(jìn)行夾緊或漲緊，在精車加工中大多采用壓緊的方式，相比較而言，壓緊的方式不容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此從消除內(nèi)應(yīng)力的角度考慮，在半精加工中還是盡可能多地采用壓緊的方式。對(duì)于高度100mm以上，直徑800mm以上，最小壁厚2mm以下的大型薄壁機(jī)匣往往需要采用在夾具上增加輔助支撐的方式來(lái)減少零件的加工變形。輔助支撐塊多需要采用橡膠材料，有一定的硬度但又不會(huì)擠傷零件表面。輔助支撐大多需要至少8點(diǎn)以上進(jìn)行支撐，8個(gè)支撐塊均勻地分布在零件的圓周方向上。在使用時(shí)需要注意的是支撐力不能過(guò)大，否則會(huì)使零件產(chǎn)生變形，效果適得其反，為保證輔助支撐力恰到好處，可以先用百分表找正零件圓周，然后使用限力扳手移動(dòng)一個(gè)輔助支撐塊至零件表面，當(dāng)百分表指針剛要變化時(shí)記錄限力扳手所用的力，這樣在移動(dòng)其他輔助支撐塊時(shí)使用同樣的力就能達(dá)到支撐零件且零件不變形的狀態(tài)，增加輔助支撐可以機(jī)匣最“薄弱”的結(jié)構(gòu)上增加強(qiáng)度，減少零件在加工過(guò)程中的震動(dòng)，讓刀等現(xiàn)象，有效減少了機(jī)匣的變形。

3.優(yōu)化走刀路線和加工余量分配

優(yōu)化車加工的走刀路線對(duì)提升零件變形控制有較大作用。對(duì)于加工余量較大和易變形的零件可以采取多層走刀，不要將所有余量一次去除。車加工零件輪廓時(shí)不要采取單獨(dú)加工完成零件一側(cè)表面后再進(jìn)行另一側(cè)加工的方式，而是應(yīng)采用內(nèi)外表面交替去除余量的方式進(jìn)行加工。在加工兩個(gè)相鄰表面時(shí)可以采取相對(duì)，相背的方式進(jìn)行加工。工程師在編制數(shù)控程序時(shí)不能單純地考慮工人加工和測(cè)量的方便，還要從全局考慮零件所承受的切削力的狀態(tài)來(lái)安排走刀路線，將機(jī)匣的變形控制在最小程度。

加工余量的分配在機(jī)匣加工中非常重要，好的余量分配可以使機(jī)匣的各個(gè)部分在整個(gè)加工過(guò)程中受力均勻，避免局部切削力過(guò)大而產(chǎn)生變形。零件的大部分余量去除都發(fā)生在粗車階段，而粗車加工多采用普通機(jī)床設(shè)備進(jìn)行加工，又要兼顧效率，所以粗車加工的型面設(shè)計(jì)地相對(duì)簡(jiǎn)單，但也要盡可能地接近零件最終輪廓表面以避免精加工余量過(guò)大，產(chǎn)生過(guò)多的切削力。還可以在粗車加工之后，精車加工之前加入半精車加工，將零件的輪廓形狀加工出來(lái)。一般而言粗車留給半精車加工單邊1mm～1.5mm余量，半精車留給精車單邊0.5mm～1mm余量。

4.采用電化學(xué)加工去余量

電化學(xué)加工利用金屬在電解液中的電化學(xué)陽(yáng)極溶解去除金屬表面材料。通過(guò)電化學(xué)加工去除余量的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有切削力產(chǎn)生，因此零件不易產(chǎn)生變形和內(nèi)應(yīng)力。整個(gè)加工過(guò)程電極作為陰極，被加工零件作為陽(yáng)極，工件和電極之間保持0.1mm～1mm的加工間隙，電解液不斷以高速?gòu)拈g隙中流過(guò)，帶走零件（陽(yáng)極）溶解的產(chǎn)物，同時(shí)帶走電流產(chǎn)生的熱量。電化學(xué)加工加工范圍較廣，而且生產(chǎn)效率高，一般為傳統(tǒng)機(jī)械加工的5～10倍。加工后的表面質(zhì)量較好。電化學(xué)加工的精度低，多用于粗加工去余量，因其沒(méi)有切削力，可以利用在薄壁機(jī)匣去余量加工，可有效消除由于切削力過(guò)大導(dǎo)致的機(jī)匣變形。該方法的缺點(diǎn)是設(shè)備資金投入較大，而且會(huì)產(chǎn)生污染，需要做好污染處理。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)匣類零件變形控制是一個(gè)涉及到多種因素的復(fù)雜工程，需要從毛料材質(zhì)、工藝路線、加工參數(shù)、零件裝夾、熱處理工藝等方面多重考慮。機(jī)匣變形的控制方法隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展也在不斷增加和提升，無(wú)人干預(yù)加工，高速切削，新型刀具和更優(yōu)化的數(shù)控編程方式的應(yīng)用都能使得機(jī)匣的變形得到更好的控制。

參考文獻(xiàn)

[1]王聰梅，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件機(jī)械加工[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.