关键词：薄壁环形机匣；加工变形；非金属辅助支撑
0引言
航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，人类有史以来最复杂最精密的工业产品，是一个国家科技、工业和综合国力的重要标志。其生产制造覆盖材料、冶金、机械加工、热处理、特种工艺等多项技术领域。
航空发动机是飞机的动力核心，其主要作用是产生推力，为飞机提供动力。机匣作为其中重要的承力部件，在航空发动机工作时，既要承受气体负载和质量惯性力，还要承受由温差引起的热载荷。在承受复杂应力的严苛工况下，需保持较高的包容性以保障飞机的安全运行。为提高航空发动机的重要性能指标--推重比，航空发动机机匣的设计多运用整体化、轻量化设计思想，通常采用薄壁、环形结构，材料多为钛合金、高温合金等比强度高的难加工材料，导致机匣在实际加工中存在诸多问题，其中加工变形影响因素多且难以控制最为突出。
1加工变形原因分析
航空发动机薄壁环形机匣加工变形的影响因素很多，涉及到加工过程中的各个环节以及彼此之间的相互影响，如毛坯质量、机匣装夹定位方式、定位间隙和压紧力、工艺路线规划、加工余量分配、各工序加工后质量、切削走刀路径、切削刀具和切削参数、机床刚性和精度等。由于航空发动机薄壁环形机匣属于典型的薄壁结构件，刚性不足，一些航空发动机薄壁环形机匣的最薄处不足2mm。通常情况下，影响弱刚性航空发动机薄壁环形机匣加工变形的主要因素有以下3个方面：
1）切削力产生的变形。
切削加工时，由刀具产生的切削力在切除加工余量的同时，由于航空发动机薄壁环形机匣的刚度不足，会使机匣在切削力作用下产生弹性让刀变形。由于切削力产生的加工变形多发生于薄壁处，容易造成航空发动机薄壁环形机匣的圆度、圆跳动量等形位要求超差，严重时，也会使机匣的直径、高度等尺寸精度要求超差。
2）装夹产生的变形。
航空发动机薄壁环形机匣在加工过程中需要用工装进行装夹固定，工装会对航空发动机薄壁环形机匣这一弱刚性结构件产生不必要的附加力。不合理的定位、装夹方式会使机匣在加工前发生弹性变形。当加工完成后卸下工装，机匣又恢复到加工前的变形状态，变形没有得到消除。加工变形多发生在航空发动机薄壁环形机匣的端面、薄壁处，使得设计图要求的相关尺寸精度、形位要求在限位状态下检测合格，而在自由状态时检测超差。
3）残余应力释放产生的变形
航空发动机薄壁环形机匣的毛料多为环形锻件，加工余量大，原材料去除率往往高达70%以上。刀具在切削时产生了大量的切削力，尤其是在粗加工工序，机匣去除的加工余量很大，为提高加工效率，采用的切削参数也较大，使机匣内部产生了大量的内应力。随着机匣加工工序的不断进行，机匣壁厚变得越来越薄，刚性越来越差，加工产生的残余应力不断重新分布并释放，最终导致机匣变形。
2变形控制措施
2.1选择合理的定位装夹方法
航空发动机薄壁环形机匣的加工过程，涉及车削、铣削和孔加工等多种加工方式，其定位、装夹方法各有特点，合理的定位和装夹方法能够减小机匣的加工变形。
应尽量避免航空发动机薄壁环形机匣在定位和装夹后产生弹性变形。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆多数机匣毛料为锻环形件，这些锻件加工余量很大，从粗加工工序到最终的精加工工序，在逐工序去除加工余量的同时，也应逐工序去除加工变形量，防止上道工序的加工变形量大于下道工序的加工余量，保证最终尺寸精度和形位误差符合设计图要求。要保证定位基准与工装贴实，避免局部出现间隙，可用塞尺对其进行检测。适当的增加工装上轴向压板数量，不仅可以提高航空发动机薄壁环形机匣的刚性，也能够避免压伤零件。
2.2增强切削系统的刚性
航空发动机薄壁环形机匣属于典型的弱刚性薄壁结构件，在半精加工和精加工工序时因大部分加工余量已切除，航空发动机薄壁环形机匣的刚性进一步降低，缺乏抵抗切削力的静态强度和动态稳定性，航空发动机薄壁环形机匣由此变得动态不稳定并产生颤振，而颤振是影响薄壁环形机匣加工质量和生产效率的关键原因。因此，在半精加工和精加工工序应采取措施增强切削系统的刚性。应用能提高航空发动机薄壁环形机匣切削刚性的工装，有利于控制加工变形。
经应用验证，具有径向可调辅助支撑的工装能够有效提高航空发动机薄壁环形机匣的切削刚性。如加工机匣内表面时采用外部径向辅助支撑，加工机匣外表面时采用内部径向辅助支撑，可有效提高航空发动机薄壁环形机匣的切削刚性。辅助支撑根据采用的材料不同，又分为金属辅助支撑和非金属辅助支撑。金属辅助支撑的内/外侧弧面与被加工机匣的外/内表面接触。此种材料的辅助支撑工装虽然能向机匣提供径向支撑力，但所提供的径向支撑力不能均匀覆盖机匣的表面，且减振效果差，因而加工过程中被加工机匣的切削刚性和动态稳定性差。非金属辅助支撑现阶段没有金属辅助支撑应用广泛，但相比于金属辅助支撑，具有以下四个优点：
1）具有超强的振动吸收能力，可以减振90%以上，大幅降低因振动引起的加工变形；
2）提供的径向支撑力能均匀覆盖航空发动机薄壁环形机匣的表面，能够进一步降低加工变形；
3）制造成本低，而且生产周期短；
4）重量轻，使用、存贮方便。
2.3合理规划加工工艺路线和走刀路径
航空发动机薄壁环形机匣的内、外表面加工主要采用车削工艺和铣削工艺，位置精度要求较高的安装边孔需要镗加工。规划加工工艺路线时，应采用工序分散原则，充分考虑锻件毛料加工余量大、残余内应力大、且各待加工表面加工余量不均匀的问题。在粗加工后增加应力释放工序，使残余应力在精加工工序前释放，防止因残余应力释放引起的变形量大于精加工工序加工余量而导致的航空发动机薄壁环形机匣报废。
合理地规划切削走刀路径，能够减小航空发动机薄壁环形机匣加工后的变形。因此，在规划走刀路径时，应根据切削原理，针对航空发动机薄壁环形机匣的设计结构、精度要求和毛坯加工余量，合理安排每个待加工表面的先后加工顺序、加工次数以及刀具进给方向。可以采取多层走刀，不要将所有加工余量一次去除。加工航空发动机薄壁环形机匣内、外表面时不能采取单独加工完成一侧表面后再进行另一侧表面加工的方式，而是应采用内、外表面交替去除余量的方式进行加工。在加工两个相邻表面时可以采取相对，相背的方式进行加工。
3结论
1）航空发动机薄壁环形机匣是典型的弱刚性薄壁结构件，影响其加工变形的因素很多，涉及到加工过程中的各个环节以及彼此之间的相互影响。切削力、装夹方式、残余应力释放是导致其加工变形的主要因素；
2）根据航空发动机薄壁环形机匣的特点，选择合理的定位装夹方法、增强切削系统的刚性、合理规划加工工艺路线和走刀路径可以有效控制加工变形；
3）非金属辅助支撑具有超强的振动吸收能力，应用于航空发动机薄壁环形机匣时，加工变形控制效果相比于金属辅助支撑更好，且制造成本低、周期短，使用方便，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]任军学.航空发动机机匣数控加工变形控制方法[J].航空制造技术.2014（23/24）：96-99
[2]师俊东.航空用高温合金薄壁机匣零件工艺研究[D].大连.大连理工大学.2012
论文作者:陈 伟
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期
论文发表时间:2020/4/28
标签：加工论文; 薄壁论文; 环形论文; 航空发动机论文; 刚性论文; 余量论文; 工序论文; 《科学与技术》2019年第20期论文;