航空發動機機匣機械加工過程中變形因素分析及變形控制

張志革，王敏豐

（吉林化工學院，吉林 吉林 132022）

航空已成為各國交通運輸的重要工具，尤其是新型冠狀病毒期間，為了及時獲得急需的醫療物資，航空運輸因其快速高效的特點成為各國運送醫療物資的主要交通工具。日常生活中，航空運輸也是必不可少的出行交通方式。航空運輸在國防和國民經濟等諸多領域都擔當著非常重要的角色。

航空制造業體現了一個國家的科技水平、工業發展水平、軍事實力和綜合國力等，它關系著一個國家的科技、工業、軍事的發展，關系著一個國家的安全，因此，各國對航空制造業都非常重視。

飛機上有上萬個零部件，每個零部件的制造精度及質量，都會影響整個飛機的性能和安全，航空發動機更是在所有零部件中占有非常重要的地位，它作為飛機的動力核心，為飛機的高速飛行提供強大的動力，被譽為工業皇冠上的明珠。對于飛機來說，發動機就是它的“心臟”，對飛機性能、可靠性、制造成本等都起著決定性的作用。

航空發動機機匣是發動機的重要零件之一，它是整個發動機的基座，主要起承力和包容作用。其外形結構復雜，不同的種類的發動機、同一發動機的不同部位，其機匣的結構形狀也不盡相同，機匣零件一般是圓筒形或圓錐形的薄壁筒體，如圖1所示。

近年來，隨著航空發動機的性能及設計結構的不斷改進和提高，新型發動機不斷涌現，與之相配合的機匣零件的材料、結構也提出了更高的要求。越來越多的高強度、難加工的新型復合材料被采用，機匣的結構越來越先進合理、輕巧和緊湊，這就給發動機機匣零件的制造帶來了更大的難度。本文接下來將針對航空發動機機匣零件制造過程中影響變形的因素進行分析，并探索控制其變形的具體措施。

圖1 發動機機匣（圖片來自網絡）

1 制造過程中影響發動機機匣變形的因素

機匣從毛坯到加工得到零件的過程中，影響變形的主要因素有以下幾方面：

1.1 發動機機匣的毛坯形變

發動機的機匣的工作表面主要為內、外表面，其內表面主要是承載渦輪葉片，外表面需要連接許多附件系統，如冷卻、油路系統、各種管路和控制部件等。為了適應工作要求，機匣不僅具有復雜的幾何形狀，還具有不均勻的壁厚。因此，機匣大多用耐高溫合金、高強度鋼、鈦合金、鎳基合金等復合材料制成，毛坯用強度和韌性等綜合性能的鍛件毛坯、鑄造、焊接等方式獲得。在鍛造、鑄造、焊接的過程中，由于壁厚不均勻，毛坯內在彎曲加工過程就會產生內應力，雖然經過熱處理及時效處理，但還是會有一定的應力集中。這些內應力在在加工過程中，就會使機匣零件變形。

1.2 安裝裝置影響機匣的形變

機匣零件的外形復雜，在進行定位安裝時一般采用專用的夾具，零件在夾具中正確定位后，要施加一定的夾緊力。發動機機匣屬于典型的大型薄壁零件，零件剛度較差，如果安裝裝置中定位、輔助支承的位置和夾緊力的作用點等計算不精確，在夾緊力的作用下，就會導致機匣端面以及薄壁處發生變形，從而影響機匣的精度。

1.3 加工過程對影響機匣形變

機匣的加工方法一般有車削、銑削、鉆削等。首先，由于機匣零件的材料鈦合金、鎳基合金都是強度高、韌性高的難加工材料，加工余量大，在加工過程中，毛坯的材料去除率達到了70%以上。因此，切削加工時會產生較大的切削力，由于大型薄壁的機匣零件剛度不足，在切削力作用下薄壁處容易產生“讓刀”現象。其次，切削過程中還會產生大量的切削熱，并伴隨有積屑瘤、冷作硬化等現象，這將使零件表面產生一定的表面殘余應力。最后，在切削加工過程中，加工部位的尺寸大，一次走刀距離長，刀具受切削力和切削熱的影響，會產生一定的變形和磨損，必然會影響刀具的切削性能，使得機匣的不同部位在加工中出現切屑層參數的變化，從而影響機匣零件的變形。因此，切削加工過程會使機匣零件產生一定的加工變形。

綜上所述，機匣零件的安裝、加工、刀具切削性能及殘余應力等是影響機匣零件變形的主要因素。

2 機匣變形的主要控制措施

航空發動機機匣是典型的結構復雜的大型薄壁零件，在加工制造中易發生變形，從而影響零件的精度，因此，要對變形加工控制。主要變形控制方法如下。

2.1 選擇合適的加工設備

在加工形狀、結構復雜的機匣零件時，使用普通的車床、銑床、鉆床等設備，要使用復雜的工藝設備才能完成加工要求，零件經過多次裝夾，會影響變形并影響加工的精度。多軸數控機床特別適用于機匣的中、小批量生產綱領要求。它在加工零件時，能夠按照工序集中的原則減少工件的裝夾次數，使用合理的走刀路線減少工藝裝備的數量。因此，數控加工是有效減少機匣零件加工變形的措施之一。

2.2 改進零件的裝夾方法

機匣零件在完成基本的定位夾緊要求后，對薄弱部分增加輔助支承以抵抗夾緊、加工過程中的軸向力和徑向力。主要方法有兩種：一是機械輔助支承，采用能夠形成均勻可調的聯運張緊機構，使變形控制在允差范圍內，改善變形效果非常理想，這種輔助支承方式在國內外加工大型薄壁零件時被廣泛采用。二是非機械方法支承，在機匣殼體內部充滿石膏、石蠟等化學物質增加零件的剛度，減少安裝和加工過程中的變形，在發動機的關鍵部件的加工中，這種方法早已被采用。

2.3 加工工藝過程的合理選擇

通過合理安排工序、走刀路線等使加工過程中零件的變形得以控制。

（1）劃分合理的工序并優化。將機匣零件的加工階段劃分為粗加工-半精加工-精加工，優化工序使零件變形部位的厚度增加以增加剛度，減小變形。這是控制機匣零件變形的一種操作簡便、成本小的最有效的方法之一。

（2）設計合理的走刀路線并優化。每個加工部位采取分層多次走刀，按照余量均勻的原則精益設計走刀路線，使相對、相背的表面粗加工和半精加工后的余量保持一致。加工過程中，采用相同的切削用量，使加工過程的切削力和切削熱及加工后的殘余應力都基本上處于一個相近的狀態，從而減小零件加工過程中引起的變形。

（3）切削參數的合理選擇。切削參數有切削速度、背吃刀量和進給量，由切削力的經驗公式并分析各項參數的影響可知，對切削影響從大到小的順序依次是背吃刀量、進給量和切削速度。綜合考慮材料切除率、切削力、切削溫度、表面粗糙度及刀具壽命等因素后，選取小切深、小進給、高速切削的方法，這樣既保證了加工效率，又減小了切削力，從而減小機械加工引起機匣零件的變形。隨著科技水平的日益提高，高速切削逐漸得到了廣泛應用。

德國MTU公司數控銑削鈦合金葉盤時粗、精加工時的切削速度分別可達到100m/min和300m/min。加工中陶瓷刀具切削速度可以達到900m/min以上，金屬切除率高達200cm2/min，是英國羅羅公司加工高溫合金的一種主要方法。

（4）熱處理工序的合理安排。為了減少機匣零件的毛坯和加工過程中產生的內應力，應該合理地安排熱處理工序，在不改變零件材料金相組織的前提下釋放內應力，從而減小它對機匣零件變形的影響。

3 結語

航空發動機機匣是一種典型的大型薄壁零件，加工中容易產生變形，影響變形的因素很多，控制變形的措施多種多樣，加工中減小變形、保證加工精度是一項復雜而系統的工程，需要從毛坯、工藝裝備、工藝路線、切削參數、熱處理等方面綜合考慮，可借助計算機技術對綜合因素進行優化。隨著科學技術的不斷提高，新型的加工技術如3D打印技術、激光切削、化學銑等加工方法日益成熟，它們都會使機匣零件的變形得到控制并提高加工質量。