渦輪后機匣加工工藝優化

王麗花++李冬梅++周鑫

摘 要：渦輪后機匣是飛機發動機的重要高溫承力部件，零件的加工質量影響發動機的裝配質量。然而渦輪后機匣結構復雜，存在加工精度高、加工易變形等加工難點，是加工的一大難題。本文通過對零件結構及加工工藝分析，確定影響零件變形的因素及加工難點，從控制零件加工過程質量、增加輔助支撐工裝、優化切削加工刀具等方面優化現有工藝，改進工藝規程，解決現有加工問題。

關鍵詞：工藝優化；變形控制；工藝方案

中圖分類號：TP321 文獻標識碼：A

0.引言

渦輪后機匣處于飛機發動機的支點位置，處于發動機裝配的關鍵部位，軸承座等零件的裝配都需要以渦輪后機匣的端面和孔為裝配基準，因此保證零件加工后的尺寸加工精度和形位公差至關重要。該零件屬于焊接結構件，并且是薄壁零件，加工過程中常出現振顫、變形等加工問題。由于零件裝夾及機械加工過程出現應力殘留，在零件放置及裝配期間會出現應力釋放導致的變形，造成零件狀態發生變化，影響飛機發動機的裝配質量。為提升零件的加工質量，進行零件的加工工藝優化意義重大。

1.技術指標的擬定

通過分析后機匣的設計圖紙及裝配過程可知，發動機裝配時需要先裝配軸承座組件，然后將軸承座組件裝配到渦輪后機匣上。裝配后需要在渦輪后機匣的前端外環進行精密定位孔的加工，技術條件要求嚴格。從設計基準及技術條件要求看，后端內環安裝軸承座端及前端外環為重要表面，因此將這兩處技術條件的檢測作為重要監控指標，如圖1所示。

2.零件結構及技術條件分析

零件為焊接組合件，整個機加組件由渦輪后機匣前、后段，內環，支板等多個單件組成，各單件通過電子束焊焊接而成，存在多條焊縫。零件配合表面尺寸精度H7級，端面跳動及圓周跳動0.03～0.05，尺寸精度及技術要求嚴格，機加部位材料為高溫合金，材料硬度大，加工性能差，切削時塑性變形抗力大，切削負荷重，切削溫度高，加工后零件表面層的加工硬化及殘留應力大，對所使用刀具的刀尖及邊界磨損極其嚴重，加工中極易產生變形。

3.零件狀態及數據檢測

為掌握零件加工變形情況，對關鍵、重要表面的技術條件進行數據檢測，主要是前端外環的平面度、圓度及后端內環的平面度、圓度。通過數據檢測分析，零件內環狀態優于零件外環狀態，但內環平面度數值波動較大，外環圓度數值雖然在0.15以上卻比較穩定。零件精車工序在公差要求范圍內，自由狀態跳動值在0.05以下，銑花邊后破壞了應力平衡，應力重新分配，引起零件變形，精車完隨著應力的釋放及銑花邊的切削力使零件跳動增大。

4.存在問題及難點分析

（1）渦輪后機匣加工精度高，在加工過程中零件壓緊狀態及自由狀態下檢測零件狀態會發生變化。

（2）零件結構復雜，為焊接機加件，有多條焊縫，加工過程中受焊接應力不斷釋放和機加殘余應力的作用，造成零件變形。

（3）零件屬于典型薄壁機匣，機匣主體壁薄，加工易產生顫振、回彈等現象。

（4）機械加工工序定位裝夾采用壓板壓緊，沒有輔助支撐，剛性差，不利于控制機匣的加工變形。

（5）后機匣內環屬于懸臂結構，加工過程中由于焊接應力釋放及結構應力的影響，零件發生變形，焊接后各支板軸向、角向位置難以保證。

5.基于過程控制的工藝方案優化

通過分析目前零件加工工藝工程和現場加工情況，從細化零件裝夾找正要求，增加輔助支撐，細化操作步驟，控制加工過程質量等方面來進行工藝優化，從而改善零件變形情況，提高零件加工質量。

5.1 工藝路線及加工余量的調整

5.1.1 工藝路線優化

為減少渦輪后機匣的變形，對渦輪后機匣前、后段工藝方案進行了優化，對渦輪后機匣前、后段機加過程中增加熱處理工序，并在熱處理工序后，安排兩道修復零件端面和內外圓的工序，保證渦輪后機匣前、后段的端面和圓度處于較好的狀態，從而減少渦輪后機匣焊接及后續組件在加工中的變形。

5.1.2 加工余量調整

將原加工方案機加余量為2mm～6mm調整為各表面機加余量均勻2mm～3mm，如圖2、圖3所示，使組件加工余量減少，減少由于去除大余量產生的加工應力對零件變形的影響。

5.2 增加輔助支撐，提高系統剛性

零件為焊接機加件，零件內環與外環殼體通過支板連接，屬于懸臂結構，零件大端內環及小端外環有花邊，內外環端面有連接孔，且機匣主體壁薄，剛性差，加工渦輪后機匣內環及小端外環在鉆孔及銑花邊時剛性不足，受切削力作用，產生顫振、回彈等現象，為了增強系統剛性，優化后工藝在銑花邊及鉆孔工序增派輔助支撐夾具，在內環端面采用自適應工裝模塊支撐夾緊，既起到支撐作用，又不會導致零件的附加變形，如圖4所示為零件銑花邊及鉆孔輔助支撐局部圖。

5.3 改進前后安裝邊背面槽刀

零件精車工序采用專用車槽刀具代替原焊接車刀，由于加工部位比較封閉，容易發生干涉，同時刀具角度需要重新磨削，依賴工人的技能，調整后的工藝優化化刀具及參數，以提高零件加工的工藝保證能力。如圖5、圖6所示分別為原加工刀具與現加工刀具圖片。

5.4 采用銑螺紋加工代替手動攻絲

渦輪后機匣端面孔螺紋有多處，采用手動攻絲方法加工表面質量及螺紋孔垂直度不好，通過優化螺紋孔加工方式，取消手動攻絲，端面螺紋孔加工使用外購螺紋銑刀，全部采用數控銑方法完成，提高了螺紋孔的垂直度和表面質量，減小因加工誤差產生的裝配應力，更好的保證組件裝配精度。

6.現場驗證情況

在現場試驗過程中，工藝中貫徹各項優化措施，根據改進方案對零件進行加工驗證，驗證期間對每個環節進行跟蹤統計，從收集的數據分析零件的加工質量保證情況，零件的加工效率及變形狀態較以前工藝有一定的提高，在保證設計要求的基礎上，零件變形狀態數據均有所改善。

6.1 提高零件加工質量

零件自由狀態數據有一定改善，零件實際狀態較批產零件數據對比情況：外環前端面平面度0.09減小到0.06，外環前端面圓度0.15減小到0.13，內環平面度由0.07減小到0.03，內環圓度由0.11減小到0.08，技術條件得到有效改善。

6.2 提高零件加工效率

銑花邊及鉆孔工序采用快換結構的自適應輔助支撐工裝，減少零件找正時間，零件粗加工的余量進一步減少，減少機加工時間，精車工序采用專用刀具替代普通焊接車刀，減少了人為修磨刀具帶來的風險，在提高加工效率的同時提高了零件加工的質量保證能力。

參考文獻

[1]閆龍，黃金艷.高壓渦輪機匣加工優化[J].中國科技博覽，2015（35）：324-324.