大型薄壁鋁合金零件溫度補(bǔ)償技術(shù)

閆 龍 何東敏 臧笑宇 王 琪

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，是集尖端設(shè)計(jì)技術(shù)和尖端制造技術(shù)于一身的高精密機(jī)械體，故每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)零件都受嚴(yán)格的尺寸和技術(shù)條件控制，能否檢測(cè)準(zhǔn)確真實(shí)的反映加工情況同樣重要，鋁合金由材料自身具備質(zhì)輕，易加工等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)被越來越多的應(yīng)用于航空領(lǐng)域，但具備優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)鋁合金也受到加工自身溫度變化和外界環(huán)境溫差等因素影響檢測(cè)的真實(shí)值，通過數(shù)據(jù)積累和實(shí)踐應(yīng)用得出溫度補(bǔ)償技術(shù)，從而解決溫度對(duì)鋁合金加工和檢測(cè)的影響。

1 零件加工背景和問題

1.1 零件加工背景

本文中主要以美國(guó)普惠公司（Pratt&Whitney Group）鋁合金零件為例進(jìn)行論述，大型薄壁鋁合金零件是指零件直徑在φ700-1500mm或更大直徑，壁厚在2.184-3.04mm之間，零件結(jié)構(gòu)多半封閉型面，該類零件多為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外罩或低壓壓氣機(jī)外套，由于零件壁薄易變形，所以對(duì)加工和檢測(cè)要求都極其嚴(yán)格。例如PW2000機(jī)型的低壓壓氣機(jī)5級(jí)環(huán)罩，輪廓以曲面為主，最大外徑尺寸φ820mm，高 66.116mm，型面壁厚 2.667±0.127mm，技術(shù)條件最嚴(yán)要求為0.05mm（見圖1）。

圖1 零件整體

1.2 問題

零件加工時(shí)刀具和數(shù)控程序經(jīng)過驗(yàn)證完全適合加工，加工過程中測(cè)量值與加工情況相符，加工后測(cè)量值也符合工藝要求，但零件進(jìn)入最終產(chǎn)品檢測(cè)得出的結(jié)論卻與加工過程中檢測(cè)的結(jié)論有很大差異，這個(gè)差異往往造成零件超差甚至報(bào)廢。

2 溫度補(bǔ)償技術(shù)

2.1 影響因素

經(jīng)過分析，得到鋁合金受外界環(huán)境溫度影響熱脹冷縮，影響是多方面的:

首先，零件在加工中零件表面被冷卻液冷卻而零件內(nèi)部溫度仍然很高，所以零件會(huì)有所膨脹，測(cè)量值并不真實(shí)；

其次，加工后過程檢驗(yàn)在加工現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)溫度不固定的情況下檢測(cè)和最終在檢驗(yàn)室常溫溫度20攝氏度環(huán)境下檢測(cè)的結(jié)論都會(huì)受溫差的影響產(chǎn)生誤差；

第三，現(xiàn)場(chǎng)加工過程中使用的標(biāo)準(zhǔn)件材質(zhì)大多為工具鋼，膨脹系數(shù)0.0000117遠(yuǎn)低于鋁合金的0.0000225，所以在同一環(huán)境下二者的變形量不同，利用標(biāo)準(zhǔn)件（在室溫下檢測(cè)并標(biāo)刻的實(shí)際值）檢測(cè)零件也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差導(dǎo)致零件最終超差。

2.2 溫度補(bǔ)償技術(shù)

溫度補(bǔ)償技術(shù)的引入就是針對(duì)鋁合金零件在加工過程中檢測(cè)和產(chǎn)品最終檢測(cè)等環(huán)節(jié)中零件本體內(nèi)外溫差，零件與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件間溫差及零件所在環(huán)境間溫差造成零件檢測(cè)差異的補(bǔ)償，確保產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)論的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

針對(duì)這些因素，我們對(duì)零件現(xiàn)場(chǎng)加工后檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并使用紅外線測(cè)溫儀對(duì)零件和標(biāo)準(zhǔn)件溫度進(jìn)行測(cè)量記錄，之后再與零件進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)室溫（20℃±2℃）的檢驗(yàn)室檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過反復(fù)的數(shù)據(jù)對(duì)比和分析找了零件直徑尺寸受溫度影響的主要原因:零件加工過程中產(chǎn)生的大量切削熱雖然被鋁削帶走，同時(shí)也有冷卻液對(duì)零件進(jìn)行冷卻，但加工中測(cè)量是與加工穿插進(jìn)行的，零件溫度不會(huì)立即降到測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)件的溫度，這樣的測(cè)量得到的并不是零件真實(shí)值；另外一個(gè)次要因素是生產(chǎn)廠房溫度，經(jīng)過長(zhǎng)期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)廠房的溫度在夏季與冬季也存在一定溫差，也會(huì)影響零件測(cè)量的真實(shí)值。并且我們從不同零件和尺寸的數(shù)據(jù)對(duì)比來看，零件自身直徑越大，這種誤差也越大。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，我們建立了一個(gè)零件測(cè)量直徑尺寸，零件溫度值，測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)件溫度值，零件膨脹系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件材質(zhì)膨脹系數(shù)對(duì)直徑測(cè)量變化量之間的函數(shù)關(guān)系:

S:直徑的變化量/C1:零件溫度/B1:零件的膨脹系數(shù)/C2:標(biāo)準(zhǔn)件的溫度/B2:標(biāo)準(zhǔn)件的膨脹系數(shù)/L:測(cè)量直徑的尺寸

根據(jù)上面的公式，現(xiàn)場(chǎng)加工中零件的直徑尺寸應(yīng)該為L(zhǎng)+S，當(dāng)S為負(fù)值時(shí)，零件的直徑尺寸會(huì)變小，當(dāng)S為正值時(shí)零件的尺寸會(huì)變大。

2.3 溫度補(bǔ)償表

由于溫度有一個(gè)變化范圍，操作工人不可能在每次測(cè)量后都進(jìn)行一次繁瑣的計(jì)算，為了方便直接應(yīng)用，隨時(shí)查看變化量，我們專門制作了一個(gè)EXCEL表格，稱為溫度補(bǔ)償表，表格里面編輯了計(jì)算需要的每個(gè)元素以及計(jì)算公式。當(dāng)輸入不同的直徑數(shù)值時(shí)，相應(yīng)的變化量是不一樣的。標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃，當(dāng)零件溫度和標(biāo)準(zhǔn)件溫度都是20℃時(shí)，零件的尺寸不會(huì)發(fā)生變化。

3 溫度補(bǔ)償技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

我們還以開篇提到的零件實(shí)際加工中應(yīng)用溫度補(bǔ)償變進(jìn)行補(bǔ)償為例，零件1B6755型面點(diǎn)外徑尺寸為φ725.75±0.127mm，其溫度補(bǔ)償表如下:

?

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)件溫度為22℃，零件溫度為23℃時(shí)，零件實(shí)際尺寸為φ725.75+0.032。

上表中標(biāo)準(zhǔn)件溫度、零件溫度、零件的膨脹系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件的膨脹系數(shù)為固定值，零件尺寸為輸入值。

有了溫度補(bǔ)償表大大方便了溫度補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際加工中的應(yīng)用，條件允許的情況下，最好采用精度為0.5℃的溫度測(cè)量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)件的溫度測(cè)量完成后就可以通過表格查找出直徑的變化量。然后根據(jù)變化量補(bǔ)償加工零件。溫度補(bǔ)償技術(shù)可以全面應(yīng)用于大型薄壁鋁合金類零件的加工和檢測(cè)中。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

鋁合金加工與溫度補(bǔ)償技術(shù)的配合應(yīng)用，保證了在各種環(huán)境中使用不同材質(zhì)測(cè)量工具都能得到真實(shí)的測(cè)量值。關(guān)鍵點(diǎn)就在于準(zhǔn)確的測(cè)量溫度，測(cè)量時(shí)要保證溫度穩(wěn)定后再去補(bǔ)償，因?yàn)榱慵砻鏈囟炔⒉皇钦麄€(gè)零件真實(shí)溫度的表現(xiàn)，加工熱大部分集中于零件內(nèi)部，溫差測(cè)量后要做的就是準(zhǔn)確的測(cè)量了。這樣技術(shù)的應(yīng)用大大的提高了大型薄壁鋁合金零件的加工質(zhì)量，并得到了很好的推廣應(yīng)用，航空領(lǐng)域零件的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)正在不斷提高，也同樣對(duì)加工行業(yè)提出了更高的要求，不斷探索新的加工技術(shù)是保證高精尖產(chǎn)品完美交付的基礎(chǔ)。

[1]金屬切削手冊(cè).技術(shù)中心金屬研究室.

[2]高等數(shù)學(xué).高等教育出版社.

[3]PWA360.普拉特 惠特尼公司標(biāo)準(zhǔn)[Z].

[4]AMS4132.美國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn)[Z].

[5]機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

[6]金屬切削技術(shù)指南.山特維克可樂滿[Z].