航空发动机机匣零件加工变形及控制探讨

航空发动机机匣零件加工变形及控制探讨

徐致远  吴江明 祝少雄

中国航发南方工业有限公司    湖南株洲   412000

摘要：为解决航空发动机机匣加工易变形的问题，提升其加工变形控制效果，以某型号航空发动机机匣外环加工为例，论述了不同航空发动机机匣的结构形式特点，分析了机匣加工变形影响因素，提出了具有针对性的航空发动机机匣零件加工变形控制策略，以期有效减少装夹力、切削力、残余应力引起的航空发动机机匣零件加工变形，提升航空发动机机匣加工变形控制水平。

关键词:航空发动机；机匣零件加工；变形控制；控制策略

0引言

航空发动机作为航空器的动力源，是决定飞机性能的核心因素，机匣作为航空发动机不可或缺的零部件之一，其加工质量对发动机加工装配质量、发动机性能具有直接影响。受航空发动机机匣外形结构及其材料特性影响，机匣零件切削加工阶段，易受切削力、残余应力等因素作用，引起机匣零件变形，影响机匣加工质量。基于此，本文以某型号航空发动机机匣加工为例，对其零件加工变形控制展开研究，对提升机匣零件加工质量及发动机整体性能具有十分重要的意义。

1发动机机匣种类及结构特点分析

机匣作为发动机中其他零部件安装的基座，基于不同安装部位的结构效用不同，其结构形式也存在较大差异，但总体以圆锥形、圆筒型为多。不同机匣结构特点具体如下：

（l）箱体机匣：主要有双速传动壳体、附件机匣等，其腔体内部结构形状复杂且壁薄，毛坯件多采用镁合金铸造加工；

（2）对开式环形机匣：主要为压气机匣，一般由前、后、纵向安装边及机匣主体构成，其外形大致呈圆锥或圆柱状，其外表面有静子可调叶片支撑台、安装座等凸台结构；

（3）整体式环形机匣：主要有燃烧室机匣、涡轮机匣等，其外形大致呈圆锥或圆柱状，由机匣壁和前后安装板形成整体结构,其外表面设有环形加强筋、环带、凸台等结构，内表面有用于安装密封件的环形槽和提升密封性的螺旋槽等槽型结构；

2机匣零件加工变形因素分析

机匣外形结构复杂，薄壁结构多，在进行切削、镗孔等加工过程中，易受到零部件装夹设备装夹力、切削力极其残余应力等因素作用，发生结构变形问题。具体如下：

（1）装夹力：机匣部件薄壁结构较多，刚度较差，若切削加工阶段装夹力控制不到位，极易造成机匣端面、薄壁处等薄弱部位发生变形；

（2）切削力：机匣薄壁部位刚度较差，在切削力作用下，易发生“让刀”现象，引起结构变形；

（3）残余应力：机匣毛坯件多采用铸造工艺塑性成形，在切削加工阶段，受切削力作用其结构内部应力残余不断累积，当达到临界值后，会破坏毛坯件初始结构内应力状态，引起结构变形。

3机匣零件加工变形控制优化措施

基于上述分析，针对夹装力控制不到位引起的机匣结构变形，可通过优化定位装夹方式平衡夹装力；针对切削力造成的机匣薄弱部位“让刀”现象，可优化加工余量与加工顺序；同时通过优化切削工艺参数，减小残余应力。具体如下：

（l）余量与加工顺序优化：1）机械零件切削加工阶段，可通过粗加工与精加工分阶段进行的方式，合理分配加工余量，防止单次去除余量过大造成内部应力释放，引起结构变形；2）加工时根据零件加工刚性，合理确定加工顺序，例如对于公差较小的零部件，应按先粗加工，再半精加工，后精加工的顺序进行加工；

（2）定位装夹方式优化：1）在工况允许的条件下，优先选择强度较高的主要定位面进行装夹，在装夹其他定位面，提升装夹稳定性；2）优化夹具设计，优先采用多点支撑或均匀夹紧的方式，防止夹装力过于集中；3）合理使用辅助支撑和调节装置，根据加工件结构外形进行合理微调，提升夹装的准确性和稳定性；

（3）切削工艺参数优化：1）根据材料硬度、结构表面刚度等，合理确定切削力和切削速，防止出现“让刀”变形问题；2）根据机匣零件表面加工质量要求、切削力等，根据经验公式或试加工合理控制进给速度，进一步控制实际切削力；3）选用优质切削液和润滑液，降低切削摩擦和切削温度。

4案例分析

某航空发动机风扇机匣外环采用整体回转结构，材料为TC4钛合金，受材料自身特性及加工工艺影响，加工阶段发现薄壁处变形问题严重，且加工精度较差，故以此为例，对其变形控制策略展开研究，以期有效解决其薄壁处变形控制问题，提升其加工精度。

4.1航空发动机机匣外环结构及材质

该机匣外环结构内径最小处为840mm，壁厚最小处为2mm，其材料成分及其力学性能分别见表1表2所示。

表1：TC4化学成分

表2：TC4力学性能

4.2余量与加工顺序优化

该机匣外环加工余量较大，工艺路线制定时，必须考虑应力变形问题，故应将加工过程分为粗加工、细加工两个阶段进行，以有效控制其加工余量，避免其内力释放引起变形。同时由于其表面尺寸和形位公差较小，在进行切削加工时，应按照“先外后内”的顺序进行切削，合理分配内表面加工余量，提升其加工刚性，有效控制其结构变形。

4.3定位装夹方式优化

风扇机匣外环通常采用轴向压紧或径向压紧的方式进行装夹。基于其结构特点，切削加工时，通常以其上、下端面为加工基准， 加工精度要求较高，若采取轴向压紧，会导致端面平面度难以有效控制，引起结构变形，过将优先采取径向压紧的方式进行装夹，避免端面变形问题发生。

4.4切削工艺参数优化

风扇机匣外环多采用车削加工，基于TC4材料加工时易产生加工硬化的材料特性，加工时应综合切削刀具几何参数、刀具性能等，合理确定其切削、进给速度及切削深度、宽度等参数，综合采用数值模拟与试验验证等方法，确定材料最佳切削工艺参数，消除切削力、残余应力的不利影响。

结语

综上所述，本文以某航空发动机机匣零件加工为例，分析了机匣零件加工变形的影响因素，提出了具有针对性的控制策略，研究结论如下：

（1）针对机匣加工余量较大的特点，切削工艺路线设计时，需要进行分阶段加工，通过合理分配粗、精加工两阶段的加工余量，提升零件加工刚性，防止其粗加工后应力释放引起结构变形；

（2）应根据机匣结构特点，合理选择装夹方式，优先采用多点支撑或均匀夹紧防止应力集中；以风扇机匣外环为例，应优先采用径向装夹，提升装夹稳定性，减少零件加工误差；

（3）切削工艺参数应根据材料特性、刀具性能等合理确定，并通过工前试加工、数值模拟分析等方式，确定最佳的切削工艺参数组合。

参考文献

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