鋁合金環形機匣零件變形控制技術研究

黃梅

摘 要：航空發動機低壓壓氣機機匣類零件多為鋁合金薄壁環形件，其直徑尺寸大，壁薄，剛性差，機械加工中零件變形大且無規律，難以保證設計圖的技術要求。本文以某型低壓Ⅰ級機匣為研究對象，展開鋁合金機匣加工變形控制技術研究，通過調整加工參數、增加振動時效處理、采用冷脹形毛料等工藝措施，最終使機匣滿足設計圖要求，解決了鋁合金薄壁環形機匣變形問題。

關鍵詞：機械加工工藝 鋁合金機匣 薄壁 變形 冷脹形 振動時效處理

中圖分類號：TG30 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（b）-0094-02

鋁合金材料具有密度低，重量輕，耐腐蝕性能好，抗疲勞性能較高等優點。盡管遇到鈦合金和復合材料的挑戰，但因其資源豐富，性能優良、加工容易，成本低廉，在飛機中有不可取代的優勢[1]。某型低壓鋁合金機匣經過試車后，因機匣變形造成內錐面常與轉子葉片擦掛，嚴重影響了發動機的性能要求，阻礙了某型發動機的研制進展，所以，控制變形成為某型發動機制造的關鍵技術問題，展開鋁合金材料加工變形的控制技術研究已迫在眉睫。

1 零件加工工藝分析

以某型低壓Ⅰ級機匣為例，其外機匣零件圖，見圖1。

外機匣零件材料為2A70，在錐面上變形大，圓度不易保證。直徑尺寸為φ1498.10-0.11mm，最小壁厚為3.85mm，高度尺寸為（215±0.2）mm，技術條件要求高，端面平行度0.05mm，垂直度0.05mm，內錐面跳動0.1mm，內圓跳動0.15mm。

1.1 鋁合金材料零件變形機理

通常鋁合金材料零件變形有以下幾種情況。

（1）毛坯內殘余應力釋放變形。鋁合金材料金屬晶體的排列不是理想狀態的整齊排列，晶體的大小和形狀不僅相同，存在原始的殘余應力，隨著時間緩慢釋放，產生變形。

（2）切削熱變形。在切削過程中，切削的塑性變形和刀具與零件間的摩擦熱，使已加工表面和里層溫度差大，零件受熱不均勻，在零件局部產生熱量，形成熱應力塑性變形。

（3）切削變形。零件在切削過程中，刀具與零件相互作用，刀具從零件上去除部分材料，使零件材料晶體顆粒間產生擠壓、拉伸、拉斷等現象，使晶體的原子間產生位移，導致零件變形。

（4）加工受力變形。加工中由于承受切削力和裝夾力，導致零件變形，其中裝夾力對零件變形影響較大。在零件狀態差的情況下，加工出的零件，變形也會很大。

1.2 毛料工藝分析

國內鋁合金鍛件采用常規的自由鍛造工藝，鍛件內部殘余應力較大，其加工變形大。而國外薄壁鋁合金環形鍛件在鍛造中采用冷脹形工藝，加工后零件圓度0.15mm，平面度在0.1mm之內。國內鍛造廠家現借鑒國外毛料標準，冷脹形變形量控制在2%～4%，已生產出冷脹形鍛件。

1.3 機加工工藝分析

低壓Ⅰ級外機匣零件直徑尺寸大，壁厚薄，屬于典型的薄壁環機匣，剛性差，加工去除材料多，零件加工變形大，工藝設計上分粗加工、去應力處理、細加工、精加工、表面處理階段。

工藝路線安排：鍛件→車超探面→超聲波檢查→粗車內外型→去應力→修基準→細車內外型→精車內外型→銑平面、鉆孔→檢驗→陽極化。

2 加工難點

鋁合金機匣零件加工中變形大，變形無規律且難以控制。低壓Ⅰ級外機匣內錐面最小壁薄3.85mm，組件設計要求內錐面圓度0.5mm，零件中內錐面對外圓D2圓跳動0.1mm。原來的常規鍛造毛料加工的零件圓度大，圓度在1mm以上。通過技術攻關，采購精化毛料，要求單邊加工余量不大于7mm；調整工序及加工參數，增加車床夾具；增加消應力熱處理工序。攻關結果對零件變形控制效果不明顯，鋁合金機匣加工變形一直沒有得到有效解決。

3 鋁合金機匣加工新技術

針對鋁合金機匣加工變形大，且變形無規律。工藝上采用常規的自然時效、人工時效及加工參數調整，通常不能達到預期效果。借鑒國外鋁合金機匣的加工經驗，增加冷脹形鍛件和模態寬頻振動時效處理。具體方案如下：

（1）采用冷脹形毛料加工；（2）毛料及加工中安排合理的應力釋放時間；（3）機加工工藝上優化加工參數及工藝路線；（4）振動時效處理。

3.1 冷脹形毛料工藝措施

冷脹形毛料為減低環坯內應力，增加冷脹形工藝，其工藝流程：固熔→冷脹形→時效。

3.2 自然時效處理

增加自然時效處理。提前采購毛坯，釋放毛坯殘余應力后再加工，工序加工有足夠周期，在零件加工工序完成后，放置一段時間，使零件部分應力得到釋放。

3.3 機加工中減小變形主要方案

機加工針對工藝系統受力導致的零件變形[2]，工藝安排上采取措施減小零件變形，加工分粗、細、精階段加工；零件裝夾方式上采用軸向壓緊；多次修復基準。其具體措施是：（1）修復基準。在工序加工中多次修復基準，保證平面度在0.03mm之內。（2）降低切削熱。加工中為減小零件切削熱產生的變形，在粗、細、精加工階段均澆注冷卻液，減小加工切削熱。（3）減小裝夾力。加工中為減小零件因裝夾等原因導致的受力變形，采用軸向壓緊零件；（4）減小切削力。加工中為減小零件因受切削力而導致的零件變形，優化切削參數。采用鋒利的刀具，刀具材料一般采用高速鋼材料的刀具。選擇合理的走刀路徑。

3.4 振動時效處理

增加振動時效去應力處理，必要時采用模態寬頻去應力處理，消除并均化殘余應力，減小加工變形，使其尺寸穩定，一般在熱處理前和熱處理后進行振動時效處理。

4 結語

本課題針對薄壁鋁合金環形機匣加工的研究，通過采用冷脹形鍛件、加工工藝調整、自然時效和振動時效處理，釋放零件內應力控制技術，解決了鋁合金機匣類零件在加工過程中由于應力引起的零件加工變形。現已選用冷脹形毛料，按優化后工藝加工，完成低壓I級機匣35臺份，圓度控制在0.5mm之內，平行度在0.05mm之內，尺寸及技術條件完全滿足設計要求。

參考文獻

[1] 《中國航空材料手冊》編輯委員會編.航空材料手冊 第三卷 鋁合金 鎂合金[M].2版.北京：中國標準出版社，2011.

[2] 王先逵.機械制造工藝學[M].3版.北京：機械工業出版社，2013.