航空发动机风扇后机匣加工工艺方法优化竹胶板

2018-04-20 16:49:34来源： 贤集网

航空发动机机匣类零件的结构越来越复杂，壁越来越薄，设计精度要求不断提高，机匣变形对发动机的装配精度、使用性能和可靠性影响较大，并严重阻碍航空发动机的发展。

航空发动机机匣多为大尺寸薄壁件，制造精度要求高。毛坯多为模锻件，部分采用自由锻或铸造成型，加工余量大，加工工艺性差。风扇后机匣是典型的薄壁环形机匣，前后安装边设计有配合止口、精密定位孔，外表面设计有孔探仪凸台及用于增强零件强度的加强筋等，内表面设计有喷涂用螺旋槽及装配叶片用沟槽，风扇后机匣的毛坯材料采用钛合金为主的难加工材料。本文结合近年来机匣类零件加工变形的实际控制工艺，对机匣加工变形的控制措施进行分析。

1 机匣加工变形的原因及控制措施

机匣加工变形机理复杂，影响因素较多，如毛坯质量、工艺路线、装夹与支撑方式、切削参数与走刀路径、设备刚度与精度等，其中对加工变形最重要的影响因素有毛坯质量、走刀路径及定位装夹方法。锻造毛坯残余内应力较大，加工后应力释放，零件变形较大，毛坯质量的一致性直接影响该批产品质量的稳定性。据统计，由定位装夹造成的机匣加工变形的影响约占20%，而约70-80%的零件变形是由毛坯残余应力引起的。通常，薄壁机匣件在加工过程中材料去除率较大，可达到90%。

在零件加工工艺路线设计及零件加工过程中，考虑影响机匣加工变形的主要因素，可采取毛料精化、优化切削参数与走刀路径、改进定位装夹方法等措施使零件加工变形得到有效控制。

2 控制机匣加工变形的实例

（1）零件结构及材料特性

零件结构见图1，该零件外廓尺寸为φ920mm×φ840mm×150mm。零件材料为钛合金，状态为退火处理，材料特点为：

①钛合金密度仅为钢的60％，具有比强度高、耐蚀性好、弹性模量低、热导率小和无铁磁性等特点。

②由于钛合金的弹性模量小，被加工零件容易产生较大弹性变形，被加工表面会产生较大回弹，因此切削时刀具的实际后角减少，增加了零件与后刀面的摩擦，加速了刀具磨损，同时被加工表面的尺寸精度不易保证。

③切削变形系数小于1或接近于1是钛合金加工时的一个显着特点，因此切屑在前刀面上滑动摩擦的路程增大，加速刀具磨损。在相同的切削条件下，钛合金的切削温度比45钢高出一倍以上，导热系数低，导热性差。

④钛合金化学活性大，易与各种气体杂质产生强烈的化学反应，导致零件表层的硬度及脆性上升。

⑤粘刀现象严重。钛的亲和性大，当切削温度高时，在切削力的作用下，钛屑及被加工表面与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象。

（2）零件加工难点分析

①尺寸精度难保证

由于该零件的尺寸大，壁厚为2.5mm，外表面设计有安装座及加强筋，前端端跳相对水平基准跳动0.03mm；前端圆跳相对轴线基准跳动0.03mm；前后端面分布有精密孔相对后端面基准及轴线基准、角向基准位置度0.03mm；内表面设计有喷涂用螺旋槽、叶片沟槽，沟槽深4.5mm，沟槽宽尺寸精度要求0.05mm。需合理安排零件加工工艺路线及加工方法来保证零件尺寸与形位精度。风扇后机匣属于典型大尺寸、薄壁零件结构，零件余量去除较大，加工变形难以控制。

②加工方案难制定

机匣内表面的加工为车削加工，外表面为铣削加工，零件壁厚公差为±0.1mm，需要车铣两道工序来保证壁厚尺寸公差，且零件内表面相对轴线及端面基准跳动为0.05mm。需要合理进行零件工艺基准转换、装夹定位、确定各工序加工方案，且合理安排机匣内外表面的余量分配及最终加工顺序，以满足设计及装配要求。

③数控加工程序难编制

由于风扇后机匣结构复杂，需要在五坐标加工中心进行加工。一方面，零件属于薄壁结构，刚性较差、需要合理安排零件加工走刀路径；另一方面，需要合理选择零件加工刀具及与其匹配的切削参数，以减少零件在加工过程中的变形。

④涂层钻孔质量难保证

由于风扇后机匣内表面设计有封严涂层，涂层材质松软，涂层钻孔时极易造成涂层脱落及孔边缺陷风险，需要合理确定钻孔加工刀具、加工参数及走刀路径，以保证涂层孔质量满足设计要求。

（3）制定加工方案

①精化毛料

为了减少机加工过程中因毛坯余量大量去除引起的零件内残余应力释放导致零件变形的现象，在定制毛坯时，将原整体环形锻件调整为锥形锻件。图2为改进前的毛坯结构，图3为改进后的毛坯结构。

②合理安排工艺路线

在安排工艺路线时，需要考虑零件加工中的应力变形。因该零件加工余量大，内外表面加工余量的去除需要安排粗加工和精加工两个阶段，以去除粗加工后内部应力释放导致的加工变形。为保持加工状态的稳定性，减少重复装夹形成的累积误差，需合理确定零件的加工基准和定位装夹方式。加工过程中还需安排腐蚀检查、热处理等工序，切削过程中需要进行辅助支撑，故工艺路线设计时工序不应太集中。

该零件设计基准安装边及内表面的尺寸公差和形位公差小，精度要求比外表面和壁厚高，若先车削内表面，再铣削外表面，由于铣削时切削力大，机匣会产生变形，难以保证内表面精度；反之，先铣削外表面，内表面还有余量，能相对提高零件的加工刚性。基于该想法制定主加工工艺程序：粗车前后端→钻角向孔→粗铣外型面→稳定处理→修前端基准→半精车内表面→精铣外型面→精车内表面→钻镗孔→荧光检查→最终检验。

③制定定位装夹方案

根据该零件特点共设计了5套工装。加工过程中采用带有辅助支撑的随行夹具，有效增强切削系统刚性，降低装夹找正误差，保证零件精度。由于零件结构及机床行程限制，在设计工装时，工装底座必须满足规定高度值，同时还要考虑机床Z轴行程避免超程。图4为铣外型面时装夹定位示意图，图5为铣外型面时工装实物图。

④加工刀具及切削参数的选择

加工钛合金零件优先选用硬质合金刀具，选用与钛化学亲和性小、导热性好、强度较高的钨钴类硬质合金。刀具的前角及主偏角应较小，以增加刀具的接触面积，改善散热条件，减少崩刃，前角的大致范围是6-8°，后角应略大，以减小后刀面的摩擦、粘结、撕裂等现象，大致范围为8-14°。

粗铣外型面时，选择D40R0.8的玉米铣刀进行粗开后，再选用D20R3的合金铣刀，采用旋转工作台方式进行铣削。根据刀具样本手册和加工经验，切削速度选择30m/min，每齿进给量0.1mm/z，切削深度根据余量选择2mm。通过切削速度公式V=πdn/1000和进给速度公式F=nfnz（式中，V为切削线速度，n为试切后的最佳刀具转速，d为试切刀具的直径）。进行换算得：主轴转速n=V×1000/π/deff=30×1000/3.14/14=682r/min（式中，deff为实际切削直径）；进给速度F=nfnz=682×0.1×4=273mm/min。将进给速度F转换成角速度FB可得：FB=F/R×180/π=273/400×180/3.14=39°/min。

精铣外型面时，选择D20R3合金铣刀纵向往复方式进行铣削。根据刀具样本手册和加工经验，切削速度选择80m/min，每齿进给量0.05mm/z，切削深度根据余量选择0.2mm。通过切削速度公式和进给速度公式进行换算得：主轴转速n=V×1000/π/deff=80×1000/3.14/14=1820r/min；进给速度F=nfnz=1820×0.05×4=364mm/min。将进给速度F转换成角速度FB：FB=F/R×180/π=364/400×180/3.14=53°/min。通过加工验证，刀具轻微磨损，加工效率大幅度提高，表面质量达到16μm，说明该切削参数符合实际加工。

⑤切削走刀路径设计

为了降低刀具消耗和零件变形，粗加工时采用周向递减的分层方式进行分层对称加工，精加工时采用纵向往复方式进行铣削，并在程序的接刀部位进行圆滑转接。其粗加工的走刀路径见图6，精加工走刀路径见图7。

⑥钻涂层孔试验

为掌握涂层钻孔加工参数，防止涂层钻孔时脱落及孔边缺陷风险，保证涂层孔质量满足设计要求，在实际零件加工前进行了涂层钻孔试验，试验过程见图8a-图8e。

本次试件粗糙度比实际零件低，更能反映涂层脱落难易情况，钻涂层参数见表1。通过试验选择切削参数N=600-800r/min，F=4mm/min，涂层质量情况较好，无涂层脱落及孔边掉块现象发生。

（4）保证零件技术指标

图9为零件外型面三坐标测量数据理论值与实际值的拟合情况，经对比分析，外型面实际尺寸均在零件设计图尺寸公差要求范围内。机匣技术指标达成情况见表2。

小结

通过对薄壁机匣的加工方案和工艺方法的分析，从毛坯定制、工艺方案设计、装夹定位方式、切削参数及走刀路径等环节入手，控制关键环节，对整体工艺流程进行设计，对零件进行加工验证。

经过数据检测，零件状态良好，加工变形得到有效控制，满足了设计要求，验证了控制措施的有效性，采取的机匣变形控制措施可用于类似结构件的零件加工变形控制。

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