減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金零部件加工變形的措施

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是工業(yè)技術(shù)的結(jié)晶，是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)的集中體現(xiàn)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中涉及到材料、加工制造水平等各個(gè)環(huán)節(jié)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。鋁合金是一種在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較多的材料，其具有重量輕、耐腐蝕、抗疲勞能力強(qiáng)等的特點(diǎn)，現(xiàn)今在飛機(jī)制造中鋁合金得到了廣泛的應(yīng)用。鋁合金在完成了機(jī)械加工制造后由于鋁合金內(nèi)部殘余加工應(yīng)力的釋放會(huì)使得加工后的鋁合金零件產(chǎn)生較大的變形，從而對(duì)后續(xù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量造成了極大的影響。嚴(yán)重的鋁合金加工后的變形會(huì)造成加工完成的鋁合金零部件的超差報(bào)廢，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此應(yīng)當(dāng)做好鋁合金零部件加工制造中的殘余應(yīng)力的分析，并通過制定合理的加工工藝來(lái)對(duì)鋁合金零部件的變形加以控制，提高鋁合金零部件使用的可靠性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鋁合金；航空零部件；殘余應(yīng)力；變形；加工工藝

前言

鋁合金具有比重小、塑性高和抗腐蝕能力強(qiáng)和良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性，此外在加工機(jī)械性、物理性等方面都有著較強(qiáng)的性能，因此在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中應(yīng)用較為廣泛。現(xiàn)今在鋁合金的加工制造中主要使用切削加工作為主要的加工手段，但是在鋁合金零部件的加工中發(fā)現(xiàn)其由于殘余應(yīng)力影響會(huì)使得鋁合金零部件變形，從而對(duì)鋁合金零部件的加工精度造成嚴(yán)重的影響。因此，應(yīng)當(dāng)在鋁合金零部件的加工制造中通過合理的工藝對(duì)鋁合金零部件的殘余應(yīng)力變形問題加以控制與規(guī)避，從而獲得良好的加工性能。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金零部件加工變形原因分析

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的中壓壓氣機(jī)部分采用的是鋁合金制造的半護(hù)罩組件并通使用箍環(huán)組合而成。在材質(zhì)上使用的是鋁合金成分為Al-2.3Cu-1.5Mg-1.1Ni-1.1Fe，通過對(duì)鋁合金進(jìn)行熱處理后材料的硬度范圍在HB120-140的區(qū)間范圍內(nèi)。對(duì)于此鋁合金零部件加工屬于典型的薄壁加工，根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)此零部件的最薄處僅為1.8mm，由于零部件較薄因此在完成對(duì)于鋁合金零部件的加工后零部件中所含有的加工殘余應(yīng)力將會(huì)引起零部件的較大的變形，從而造成零部件加工質(zhì)量的偏差。造成此零部件在加工完成后產(chǎn)生變形的主要原因是：（1）在鋁合金毛坯料的制造過程中在毛坯料中積存的殘余應(yīng)力。在鋁合金的鍛造過程中，由于工件各部分的不均勻熱脹冷縮以及金相組織轉(zhuǎn)變時(shí)所產(chǎn)生的體積變化將會(huì)使得毛坯料內(nèi)部積存有大量的殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力對(duì)鋁合金加工所產(chǎn)生的影響隨著鋁合金零部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和壁厚越薄表現(xiàn)的越明顯也越不均勻。這些殘余應(yīng)力在毛坯料中保持著脆弱的平衡而在機(jī)械加工時(shí)這一脆弱的平衡被打破，從而在加工完成后造成鋁合金零部件的變形。（2）冷校直工藝所帶來(lái)的殘余應(yīng)力，在鋁合金零部件的冷校直過程中，由于校直部分為受到相當(dāng)大的壓力的作用，從而使得鋁合金零部件內(nèi)產(chǎn)生一定的塑性變形，但是當(dāng)撤去校直外力后鋁合金零部件處于自由狀態(tài)時(shí)這些塑性變形應(yīng)力將會(huì)在鋁合金零部件內(nèi)部積存為殘余應(yīng)力。（3）鋁合金零部件機(jī)械加工過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，當(dāng)鋁合金零部件切削加工時(shí)，加工刀具與鋁合金零部件表面的接觸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，從而在鋁合金零部件的表面產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。這些積存在鋁合金零部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)在鋁合金零部件加工完成后持續(xù)對(duì)鋁合金零部件產(chǎn)生力的作用并最終引起加工完成后的鋁合金零部件的變形，從而造成鋁合金零部件的變形超差。

2 減少鋁合金零部件內(nèi)殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金零部件加工精度的影響

為減少鋁合金零部件內(nèi)部殘余應(yīng)力對(duì)加工后的鋁合金零部件的精度產(chǎn)生較大的影響需要找出對(duì)造成鋁合金零部件變形影響較大的殘余應(yīng)力，通過對(duì)鋁合金零部件加工中的各項(xiàng)殘余應(yīng)力所造成的影響進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，對(duì)鋁合金零部件加工變形影響較大的應(yīng)力主要來(lái)自于鋁合金毛坯料在熱鍛過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，而在引起鋁合金零部件變形的三種殘余應(yīng)力中切削殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金零部件的變形所造成的影響最小，而在鋁合金零部件粗加工后對(duì)鋁合金零部件進(jìn)行時(shí)效處理釋放殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金零部件加工后的變形影響也較小。

為提高鋁合金零部件的加工質(zhì)量，減少鋁合金零部件加工后受殘余應(yīng)力影響所導(dǎo)致的鋁合金零部件的變形需要對(duì)鋁合金零部件加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。由于造成鋁合金零部件加工后變形的主要應(yīng)力來(lái)自于熱鍛過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，因此，需要對(duì)這一階段所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行釋放，并進(jìn)行鋁合金零部件加工工藝的優(yōu)化。在對(duì)鋁合金零部件切割成兩個(gè)半環(huán)后鋁合金零部件內(nèi)部的鍛造殘余應(yīng)力得到了相應(yīng)的釋放從而使得鋁合金零部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力得以重新分布。在這一階段對(duì)鋁合金零部件加工工藝進(jìn)行優(yōu)化可以最大限度地減少或是消除殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金零部件加工質(zhì)量所造成的影響。針對(duì)鋁合金零部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力在最終切斷工序后才得以重新分布并最終造成鋁合金零部件產(chǎn)生較大的變形量，因此在對(duì)鋁合金零部件進(jìn)行加工工藝的調(diào)整時(shí)將鋁合金零部件的精加工調(diào)整到切斷成兩個(gè)半環(huán)之后將會(huì)有效地減小鋁合金零部件的變形。對(duì)于鋁合金零部件的加工工藝的優(yōu)化可以通過在對(duì)鋁合金零部件精加工前先將兩個(gè)零部件的整環(huán)件進(jìn)行獨(dú)立的加工，僅將鋁合金零部件組合相配面基準(zhǔn)加工至圖紙要求，對(duì)于鋁合金零部件的其他部分進(jìn)行粗加工即可，鋁合金零部件不用進(jìn)行鉆孔，完成對(duì)于鋁合金零部件的粗加工后留有2.5mm的加工余量，大于零件切斷后的變形量。

3 減少裝夾方式對(duì)鋁合金零部件加工精度的影響

為提高鋁合金零部件的加工質(zhì)量還需要對(duì)鋁合金零部件的裝夾方式進(jìn)行改進(jìn)，將裝夾方式更改為使用鋁合金零部件的大端面進(jìn)行支撐，而小端面則采用6個(gè)壓板進(jìn)行壓實(shí)，由于未在角向采用定位且定位支撐點(diǎn)小于6個(gè)因此此定位為不完全定位，此裝夾方式會(huì)導(dǎo)致鋁合金零部件產(chǎn)生較大的裝夾變形并最終影響鋁合金零部件的加工精度。改進(jìn)后的鋁合金零部件的裝夾方式采用的是內(nèi)孔基準(zhǔn)和定位銷相組合的方式來(lái)對(duì)鋁合金零部件進(jìn)行裝夾定位，應(yīng)使用壓板壓緊的方式來(lái)裝夾鋁合金零部件。改進(jìn)后的鋁合金零部件的裝夾其6個(gè)自由度全部被夾具的定位元件所限制，并在夾具中占有完全確定的唯一位置。實(shí)現(xiàn)了完全定位，從而最大限度地減小了鋁合金零部件裝夾變形，保障了鋁合金零部件的加工精度。

在對(duì)鋁合金零部件的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化的過程中，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)造成鋁合金零部件變形的主要應(yīng)力來(lái)自于鋁合金零部件毛坯料鍛造過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，通過對(duì)鋁合金零部件的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化將原先的鋁合金零部件的切斷工序調(diào)整為在對(duì)鋁合金零部件進(jìn)行粗加工完成后再進(jìn)行鋁合金零部件的切斷，從而使得鋁合金零部件的殘余應(yīng)力得到充分的釋放后在對(duì)鋁合金零部件進(jìn)行后續(xù)精加工，避免這一殘余應(yīng)力堆積，從而對(duì)精加工后的鋁合金零部件的加工質(zhì)量造成變形影響。通過此種工序的改進(jìn)使得鋁合金零部件加工后由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的零部件的變形問題得到了解決，使得加工后的鋁合金零部件精度完成符合鋁合金零部件的圖紙的設(shè)計(jì)要求，并使得鋁合金零部件加工過程中的廢品率大大降低，提高了鋁合金零部件的加工效率的同時(shí)提高了鋁合金零部件加工的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋁合金零部件的加工是加工制造的難題。尤其是對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的一些薄壁型的鋁合金零部件更是機(jī)械加工的難點(diǎn)。文章在分析造成鋁合金零部件切削加工后變形影響因素的基礎(chǔ)上通過改進(jìn)鋁合金零部件的加工工藝來(lái)減少鋁合金零部件加工后的殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金零部件所造成的影響。

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