非對稱渦輪機匣的變形控制

（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(zhǔn)。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(zhǔn)和非偏心基準(zhǔn)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(zhǔn)；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?xì)鉁囟雀撸瑫r還要求重量輕，熱負(fù)荷和動力負(fù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)給速度可達(dá)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(yán)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(zhǔn)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(zhǔn)直徑及窄槽直徑只進(jìn)行粗加工，然后進(jìn)行精銑工序，將孔及花邊全部加工完成后，最后加工基準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)刀具進(jìn)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(biāo)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(jìn)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）．

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