非对称涡轮机匣的变形控制

2014-03-27

中国新技术新产品 2014年18期

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

非对称涡轮机匣的变形控制

王琪闫龙

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

PWA公司的非对称涡轮机匣是涡轮机匣中结构较特殊的一类机匣，零件两端分别有多处偏心非对称基准。零件材料为固熔时效高温合金，零件有多处孔、花边及半封闭窄槽等特殊结构部位，造成加工刚性较差，极大的影响加工合格率，并且由于偏心基准和非偏心基准间的转换，也加大了机械加工的难度，通过对零件结构的分析、变形规律的摸索，以及加工工艺路线、刀具、工装和加工参数的试验，总结出一套能够克服加工瓶颈和控制加工变形的工艺方案。

PWA机匣；非对称；半封闭窄槽；偏心基准；控制变形

1 引言

PW4000型别发动机是普拉特·惠特尼公司研制的高涵道比，轴流式涡轮风扇发动机，该型号发动机转速高、功率大，燃气温度高，同时还要求重量轻，热负荷和动力负荷大，工作条件恶劣。

该非对称涡轮机匣材料为AMS5663高温合金，属难加工材料，机匣结构复杂，零件内、外型面和多处局部结构分属于不同中心轴线，为非对称结构，内型面为半封闭型腔，且有多处窄槽，结构刚性较差，零件加工变形控制和不同基准部分同时加工难度极大。

本文就该类机匣特点深入分析，对于不同难点部位变形控制专门设计方案，通过实际加工摸索变形加工规律，获得一定的加工经验，可为同类机匣零件研制提供帮助。

2 零件分析

2.1 结构分析

该涡轮机匣为典型薄壁环形高温合金件，最大直径φ1064mm，高132mm，最小壁厚2.3mm；零件外型分布有5处结构不同岛屿，岛屿周围连接折线式异形型面；两端内外型面分别分布280处孔及260处花边；

零件内型结构最为复杂，为半封闭型腔，分布有5处偏心轴向窄槽，且有多处装配关键尺寸，为加工关键部位。

2.2 加工难点分析

难点1：外型面大余量切削的变形控制，由于有5处岛屿分布在外型面上，左右两侧由曲面R与型面连接，所以需要利用铣加工去除单边12mm以上的零件材料，其对零件变形量影响很大。

难点2：零件基准直径两侧均分布着窄槽和半封闭槽，由于槽的加工，导致零件基准直径及其安装边装配直径尺寸容易超差。

难点3：岛屿中心分布3组阶梯类型的安装孔，由于该组通孔尺寸较大，会直接影响零件变形，并且该组孔为装配孔，要求表面粗糙度1.6以上，不允许钳修等苛刻条件。

3 加工难点解决方案

3.1 外型斜面去除余量的加工方案

由于结构余量分布不均匀，该类零件切削分为二个部分：

第一，外型斜面的余量去除，该部分余量最大，单边约为13mm，为了控制变形和兼顾加工效率，采用D40R3的快速进给飞碟铣刀，铣刀最大切深1mm，单次切削深度小，且由于刀片独特的形状，可以将切削力分解到刀杆轴向，所以零件切削受力相对整体硬质合金铣刀小很多，但刀具进给速度可达到F=400 mm/min，这样就可以获得5倍与整体刀具的金属去除率，此外刀片自身价格低廉，并可以旋转使用3次，也降低了加工成本，飞碟刀具是加工该类型面的最佳选择。

第二，由于外型铣加工余量去除量较大，加工后剩余壁厚2.032mm，同时由于岛屿分布不均匀，就会产生加工振动。我们在工装上使用辅助支撑，在每个岛子的内型面位置用橡胶支撑，可以有效防止其余量去除时，零件的受力变形和加工受力产生的振动。

3.2 窄槽加工控制变形量的方案

零件两端结构很相似，本文从一端加工的解决方案为例，图1为零件局部示意图。

轴向窄槽为图纸要求关键尺寸，槽宽公差±0.05mm，与槽相关槽内直径公差±0.05mm，同时还要保证0.25mm的偏心值，在如此严格的公差要求之下，零件变形控制体现的尤为重要，图示结构可以看出，轴向槽位于加强筋悬出部位，加工刚性差，所以加工前需要利用打表压紧，限力扳手等辅助工具保持零件装夹受力均匀，不会产生装夹应力影响零件状态。偏心尺寸和正常尺寸加工位置度由设计为角向偏心工装夹具保证，避免了人为找正时的误差。通过摸索加工发现，当所有窄槽粗加工后，基准B及槽外圆尺寸均向外方向倾斜，导致所有要求直径均偏大，要想保证尺寸合格，需要在工艺路线上解决，将基准直径及窄槽直径只进行粗加工，然后进行精铣工序，将孔及花边全部加工完成后，最后加工基准B及槽尺寸，即释放了粗加工给尺寸造成变形的应力，又防止了铣加工给尺寸带来的变形量。同时需要注意的是，加工参数控制在S=8-10r/ min，F=0.1-0.15r/min范围之内，已保证加工过程后出现让刀尺寸与理论不统一的情况发生。

图1

图2

3.3 岛子中心3组阶梯孔的加工方案

粗加工使用D47 U钻进行加工底孔，有效改善了铣孔带来的应力变形，然后用D10铣刀加工中间的孔及外端孔。由于内端孔大于中间孔，保证其3组孔的位置度要求的同时还要防止内侧安装边的干涉，所以选择从外端利用设计非标刀具进行逆向铣加工。要求刀具反向切削刃，刃长要求符合内孔孔深，R满足1.10-1.75之间，根据这些要求设计非标玉米铣刀为最佳选择，如图2所示。