航空发动机薄壁环形零部件加工变形控制

安丽莎 韩永武 邓连兴

摘 要：航空发动机的加工制造是一项要求精度极高的工作，在航空发动机的机械加工中涉及众多结构复杂、几何精度要求高的零部件，加之航空发动机所使用的材料硬度较高从而对航空发动机的机械加工带来了极大的挑战，做好航空发动机机械加工制造中的工艺研究和应用对于提高航空发动机的机械加工质量和效率有着极为重要的意义。薄壁环形件是航空发动机的机械加工中的较为常见的一类零部件，薄壁环形零部件在机械加工受壁体较薄的影响导致其刚性较差，在薄壁环形零部件的机械加工过程中受到加工切削力和装夹力的影响使得其极易变形，从而影响零部件的加工质量。本文结合薄壁环形零部件的特点以及薄壁环形零部件机械加工中的变形原因对如何做好薄壁环形零部件机械加工中的变形控制，提高薄壁环形零部件的加工质量，做了分析。

关键词：航空发动机；薄壁环形零部件；机械加工；变形

中图分类号：V232 文献标志码：A

0 前言

航空发动机薄壁环形零部件的种类多、数量大，比如说机匣、盘轴类、叶片类等的零部件都属于航空发动机薄壁环形零部件，由于航空发动机薄壁环形零部件在机械加工中对于航空发动机薄壁环形零部件的尺寸精度和几何精度的要求都较高，受制于航空发动机薄壁环形零部件的材质、结构等的影响，航空发动机薄壁环形零部件的机械加工面临着极大的挑战性。本文将在分析航空发动机薄壁环形零部件特点的基础上对如何做好航空发动机薄壁环形零部件的机械加工，控制航空发动机薄壁环形零部件机械加工中的变形量，提高航空发动机薄壁环形零部件的机械加工精度。

1 某型号航空发动机薄壁环形零部件的结构及加工工艺

某型号的航空发动机薄壁环形零部件直径大、其表面分布多极榫槽，是一种整体环形件，某型号航空发动机薄壁环形零部件采用的是钛合金材质。该航空发动机薄壁环形零部件直径最大处达到了近1000mm，高度近500mm，零部件的最薄处仅3mm，其结构特点导致该航空发动机薄壁环形零部件的刚性较弱，在加工过程中极易受到各种因素的影响而导致该航空发动机薄壁环形零部件产生变形从而无法达到设计加工精度。这类零部件在新型航空发动机中应用越来越多，需要加强对于此类航空发动机薄壁环形零部件加工工艺的研究，提高航空发动机薄壁环形零部件的加工质量对于航空发动机的加工质量有着极为重要的意义。在航空发动机薄壁环形零部件的加工制造的过程中选用的整体钛合金锻件，毛坯料表面留有大量的加工余量。在其加工工艺编制的过程中按照先粗后精、先内后外、先面后孔的原则进行编制。整体加工分为粗、半精、精加工3个阶段。在粗加工阶段采用的是车加工用以去除毛坯料表面大量的加工余量，粗车完成后需要通过热处理消除零部件内部的加工应力。而后对毛坯件进行半精加工，加工完成后零部件表面留约0.8m的加工余量。在后期的精加工中需要使用精车和钻孔来精确控制加工精度。

2 航空发动机薄壁环形零部件加工变形原因分析与控制

航空发动机薄壁环形零部件由于其结构特点导致其自身的刚性较弱，在加工中极易受到外力的作用或是自身残余应力的作用而导致变形从而影响航空发动机薄壁环形零部件的加工精度。总体来说影响航空发动机薄壁环形零部件加工精度导致其变形的原因主要有以下几个方面：

（1）切削应力的作用。在航空发动机薄壁环形零部件机械加工的过程中由于零部件较薄，刚性较弱，导致航空发动机薄壁环形零部件在机械加工的过程中，容易受到切削力的作用而导致航空发动机薄壁环形零部件产生“让刀”变形。其变形主要表现为圆度或是圆跳动超差。

（2）残余应力对航空发动机薄壁环形零部件加工质量的影响。在航空发动机薄壁环形零部件机械加工过程中，多种力作用在航空发动机薄壁环形零部件内部并破坏了航空发动机薄壁环形零部件内部的应力平衡，这些残余应力在拘束力消除后将重新分配用以达到新的平衡，而在这一过程中将导致航空发动机薄壁环形零部件因残余应力而导致变形，从而使得航空发动机薄壁环形零部件的尺寸精度和几何精度无法满足需求。

（3）装夹力对航空发动机薄壁环形零部件的影响。在航空发动机薄壁环形零部件的机械加工中由于其直径大、刚性弱在外部装夹力的作用下将导致航空发动机薄壁环形零部件在薄弱处产生变形。

为做好航空发动机薄壁环形零部件机械加工变形的控制，提高航空发动机薄壁环形零部件的机械加工精度可以从以下几个方面入手：

（1）做好装夹形式的优化。装夹主要用于实现航空发动机薄壁环形零部件的固定，做好装夹方式的优化主要目的是在确保航空发动机薄壁环形零部件固定性的基础上减少装夹力对于所固定零部件的影响。针对航空发动机薄壁环形零部件的结构特点，在装夹方式的选择上应当选用航空发动机薄壁环形零部件内部刚性较好的配合内圆表面和端面来作为装夹固定的定位面和支撑面。此外，在航空发动机薄壁环形零部件的装夹固定中需要注意增加辅助支撑结构用以降低其对航空发动机薄壁环形零部件的影响。

（2）做好航空发动机薄壁环形零部件机械加工参数的优化。航空发动机薄壁环形零部件在机械加工过程中为降低变形量对航空发动机薄壁环形零部件加工精度的影响可以通过在对航空发动机薄壁环形零部件加工过程中各力的作用特点选用合理的加工参数并在加工工艺或是加工参数中对其进行一定的补偿，通过加工参数的优化减少航空发动机薄壁环形零部件在机械加工中的变形，提高航空发动机薄壁环形零部件的加工质量。在粗加工阶段，由于毛坯件的余量较多，需要选用硬度较高的车刀同时结合铁合金材料的特点选用高钴类的刀具较为理想。在航空发动机薄壁环形零部件机械加工中为避免热应力堆积并确保航空发动机薄壁環形零部件表面与刀具具有良好的接触性，在半精、精加工阶段需要控制好刀具的进给量和切削速度。在精加工阶段，为减少加工变形应当采用高转速、低吃刀的加工方式，减少零部件的变形。

（3）做好刀具进给路径的优化和补偿。在航空发动机薄壁环形零部件的机械加工走刀路线的选择上，在确保加工精度和表面粗糙度的前提下，尽量缩短刀具走刀的路线，减少空行程和换刀的次数，提高航空发动机薄壁环形零部件的加工效率。在航空发动机薄壁环形零部件基刀具结构允许的条件下，精加工最后一刀以此连续走刀完成航空发动机薄壁环形零部件的型面加工，减少接刀部位。着重强调了刀具的切入、切出路径的选择。对于残余应力所造成的变形，在加工过程中应当适当采用合理的热应力处理方式来消除残余应力。此外，在航空发动机薄壁环形零部件的机械加工工艺的编制中可以结合航空发动机薄壁环形零部件机械加工变形的特点通过合理的补偿来减少航空发动机薄壁环形零部件机械加工变形量，提高航空发动机薄壁环形零部件的机械加工质量。

结语

航空发动机薄壁环形零部件是航空发动机中的重要组成部分，随着我国商用飞机的发展对于大直径的航空发动机薄壁环形零部件的需求将越来越多，做好航空发动机薄壁环形零部件的机械加工对于提高航空发动机的性能，确保航空发动机的产量有着极为重要的意义。本文结合航空发动机薄壁环形零部件在加工过程所产生变形的原因对如何做好航空发动机薄壁环形零部件机械加工中的变形控制，保障航空发动机薄壁环形零部件的机械加工精度进行了分析介绍。

参考文献

[1]刘维伟，李杰光，赵明，等.航空发动机薄壁叶片加工变形误差补偿技术研究[J].机械设计与制造，2009（10）：175-177.

[2]刘维伟，张定华，史耀耀，等.航空发动机薄壁叶片精密数控加工技术研究[J].机械科学与技术，2004，23（3）：329-331.