黃梅

摘 要：航空發(fā)動機低壓壓氣機機匣類零件多為鋁合金薄壁環(huán)形件，其直徑尺寸大，壁薄，剛性差，機械加工中零件變形大且無規(guī)律，難以保證設(shè)計圖的技術(shù)要求。本文以某型低壓Ⅰ級機匣為研究對象，展開鋁合金機匣加工變形控制技術(shù)研究，通過調(diào)整加工參數(shù)、增加振動時效處理、采用冷脹形毛料等工藝措施，最終使機匣滿足設(shè)計圖要求，解決了鋁合金薄壁環(huán)形機匣變形問題。

關(guān)鍵詞：機械加工工藝 鋁合金機匣 薄壁 變形 冷脹形 振動時效處理

中圖分類號：TG30 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（b）-0094-02

鋁合金材料具有密度低，重量輕，耐腐蝕性能好，抗疲勞性能較高等優(yōu)點。盡管遇到鈦合金和復(fù)合材料的挑戰(zhàn)，但因其資源豐富，性能優(yōu)良、加工容易，成本低廉，在飛機中有不可取代的優(yōu)勢[1]。某型低壓鋁合金機匣經(jīng)過試車后，因機匣變形造成內(nèi)錐面常與轉(zhuǎn)子葉片擦掛，嚴重影響了發(fā)動機的性能要求，阻礙了某型發(fā)動機的研制進展，所以，控制變形成為某型發(fā)動機制造的關(guān)鍵技術(shù)問題，展開鋁合金材料加工變形的控制技術(shù)研究已迫在眉睫。

1 零件加工工藝分析

以某型低壓Ⅰ級機匣為例，其外機匣零件圖，見圖1。

外機匣零件材料為2A70，在錐面上變形大，圓度不易保證。直徑尺寸為φ1498.10-0.11mm，最小壁厚為3.85mm，高度尺寸為（215±0.2）mm，技術(shù)條件要求高，端面平行度0.05mm，垂直度0.05mm，內(nèi)錐面跳動0.1mm，內(nèi)圓跳動0.15mm。

1.1 鋁合金材料零件變形機理

通常鋁合金材料零件變形有以下幾種情況。

（1）毛坯內(nèi)殘余應(yīng)力釋放變形。鋁合金材料金屬晶體的排列不是理想狀態(tài)的整齊排列，晶體的大小和形狀不僅相同，存在原始的殘余應(yīng)力，隨著時間緩慢釋放，產(chǎn)生變形。

（2）切削熱變形。在切削過程中，切削的塑性變形和刀具與零件間的摩擦熱，使已加工表面和里層溫度差大，零件受熱不均勻，在零件局部產(chǎn)生熱量，形成熱應(yīng)力塑性變形。

（3）切削變形。零件在切削過程中，刀具與零件相互作用，刀具從零件上去除部分材料，使零件材料晶體顆粒間產(chǎn)生擠壓、拉伸、拉斷等現(xiàn)象，使晶體的原子間產(chǎn)生位移，導(dǎo)致零件變形。

（4）加工受力變形。加工中由于承受切削力和裝夾力，導(dǎo)致零件變形，其中裝夾力對零件變形影響較大。在零件狀態(tài)差的情況下，加工出的零件，變形也會很大。

1.2 毛料工藝分析

國內(nèi)鋁合金鍛件采用常規(guī)的自由鍛造工藝，鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，其加工變形大。而國外薄壁鋁合金環(huán)形鍛件在鍛造中采用冷脹形工藝，加工后零件圓度0.15mm，平面度在0.1mm之內(nèi)。國內(nèi)鍛造廠家現(xiàn)借鑒國外毛料標準，冷脹形變形量控制在2%～4%，已生產(chǎn)出冷脹形鍛件。

1.3 機加工工藝分析

低壓Ⅰ級外機匣零件直徑尺寸大，壁厚薄，屬于典型的薄壁環(huán)機匣，剛性差，加工去除材料多，零件加工變形大，工藝設(shè)計上分粗加工、去應(yīng)力處理、細加工、精加工、表面處理階段。

工藝路線安排：鍛件→車超探面→超聲波檢查→粗車內(nèi)外型→去應(yīng)力→修基準→細車內(nèi)外型→精車內(nèi)外型→銑平面、鉆孔→檢驗→陽極化。

2 加工難點

鋁合金機匣零件加工中變形大，變形無規(guī)律且難以控制。低壓Ⅰ級外機匣內(nèi)錐面最小壁薄3.85mm，組件設(shè)計要求內(nèi)錐面圓度0.5mm，零件中內(nèi)錐面對外圓D2圓跳動0.1mm。原來的常規(guī)鍛造毛料加工的零件圓度大，圓度在1mm以上。通過技術(shù)攻關(guān)，采購精化毛料，要求單邊加工余量不大于7mm；調(diào)整工序及加工參數(shù)，增加車床夾具；增加消應(yīng)力熱處理工序。攻關(guān)結(jié)果對零件變形控制效果不明顯，鋁合金機匣加工變形一直沒有得到有效解決。

3 鋁合金機匣加工新技術(shù)

針對鋁合金機匣加工變形大，且變形無規(guī)律。工藝上采用常規(guī)的自然時效、人工時效及加工參數(shù)調(diào)整，通常不能達到預(yù)期效果。借鑒國外鋁合金機匣的加工經(jīng)驗，增加冷脹形鍛件和模態(tài)寬頻振動時效處理。具體方案如下：

（1）采用冷脹形毛料加工；（2）毛料及加工中安排合理的應(yīng)力釋放時間；（3）機加工工藝上優(yōu)化加工參數(shù)及工藝路線；（4）振動時效處理。

3.1 冷脹形毛料工藝措施

冷脹形毛料為減低環(huán)坯內(nèi)應(yīng)力，增加冷脹形工藝，其工藝流程：固熔→冷脹形→時效。

3.2 自然時效處理

增加自然時效處理。提前采購毛坯，釋放毛坯殘余應(yīng)力后再加工，工序加工有足夠周期，在零件加工工序完成后，放置一段時間，使零件部分應(yīng)力得到釋放。

3.3 機加工中減小變形主要方案

機加工針對工藝系統(tǒng)受力導(dǎo)致的零件變形[2]，工藝安排上采取措施減小零件變形，加工分粗、細、精階段加工；零件裝夾方式上采用軸向壓緊；多次修復(fù)基準。其具體措施是：（1）修復(fù)基準。在工序加工中多次修復(fù)基準，保證平面度在0.03mm之內(nèi)。（2）降低切削熱。加工中為減小零件切削熱產(chǎn)生的變形，在粗、細、精加工階段均澆注冷卻液，減小加工切削熱。（3）減小裝夾力。加工中為減小零件因裝夾等原因?qū)е碌氖芰ψ冃?，采用軸向壓緊零件；（4）減小切削力。加工中為減小零件因受切削力而導(dǎo)致的零件變形，優(yōu)化切削參數(shù)。采用鋒利的刀具，刀具材料一般采用高速鋼材料的刀具。選擇合理的走刀路徑。

3.4 振動時效處理

增加振動時效去應(yīng)力處理，必要時采用模態(tài)寬頻去應(yīng)力處理，消除并均化殘余應(yīng)力，減小加工變形，使其尺寸穩(wěn)定，一般在熱處理前和熱處理后進行振動時效處理。

4 結(jié)語

本課題針對薄壁鋁合金環(huán)形機匣加工的研究，通過采用冷脹形鍛件、加工工藝調(diào)整、自然時效和振動時效處理，釋放零件內(nèi)應(yīng)力控制技術(shù)，解決了鋁合金機匣類零件在加工過程中由于應(yīng)力引起的零件加工變形。現(xiàn)已選用冷脹形毛料，按優(yōu)化后工藝加工，完成低壓I級機匣35臺份，圓度控制在0.5mm之內(nèi)，平行度在0.05mm之內(nèi)，尺寸及技術(shù)條件完全滿足設(shè)計要求。

參考文獻

[1] 《中國航空材料手冊》編輯委員會編.航空材料手冊 第三卷 鋁合金 鎂合金[M].2版.北京：中國標準出版社，2011.

[2] 王先逵.機械制造工藝學(xué)[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2013.