大型薄壁低涡机匣变形控制研究

马英 孙长友 李丹

摘 要：大型薄壁低涡机匣具有结构复杂、刚性差、精度要求高的特点，在其制造和使用过程中产生变形问题。文章以商发低压涡轮机匣为载体，开展薄壁机匣加工变形控制研究，从如何选用专用刀具、辅助支撑、合理的加工路线、切削参数，优化数控程序等方面进行了分析研究，重点论述了保证关键型面的加工质量及控制大型薄壁机匣变形的具体措施。

关键词：高温合金；薄壁；变形控制

引言

高温合金是现代航天、航空、航海及核工业上必需的金属材料，现在的航空发动机部件有65%为高温合金材料，特别是机匣类零件结构复杂，表面完整性要求又高，使高温合金零件的切削加工更为困难。

低压涡轮机匣是一种结构复杂、薄壁、尺寸精度高、结构尺寸大的航空机匣零件，加工过程影响变形的的因素多，这种技术属于航空发动机关键制造技术之一。

1 零件简介

低压涡轮机匣零件直径都较大，均在1000mm以上，零件为“碗”形结构，大斜面距离较长，上下安装边有精密孔，同时零件高度在350mm以上，该类壳体零件属于薄壁零件，壁厚在1.2-2mm不等。商发低压涡轮机匣是目前尺寸最大的零件，外廓尺寸为：直径？准1331.3mm，高446.1mm，壁厚1.8mm。低压涡轮机匣精度要求高，各级配合面跳动0.05；配合表面粗糙度要求Ra1.6，其余表面均为Ra3.2。低压涡轮机匣的材料均为镍基高温合金。

2 工艺性分析影响变形的因素

2.1 材料切削性差

零件材料为GH4169，高温合金切削力大，该材料含有许多的镍、钴、铬、钼等高熔点金属元素，金属间形成致密固溶体，合金的塑性好，原子结构十分稳定，因而切削时有塑性变形，变形抗力大，其切削力是普通钢材的3～5倍；加工硬化倾向严重，切削温度高，由于切削温度高，基体组织中强化相析出，造成表面硬化，硬化程度可达基体硬度的1.5～2倍，同时，在高温下，刀具与工件之间的亲和作用易造成刀具与工件粘附，产生粘着磨损，也会导致刀具和工件的变形而影响工件尺寸精度和切削表面光度。这样就给加工带来一定的困难。

2.2 零件刚性差

从零件的结构上可以看出，该零件系统刚性很差，零件壁薄且高，在加工中产生变形、回弹现象，存在让刀、振动等问题，车加工中易出现让刀、打刀现象，钻孔、铣花边过程中刀具易打刀，零件产生受力和热变形影响了加工效率和质量。

2.3 毛料余量大

该零件是目前国内低压涡轮机匣直径最大的机匣，受锻件技术条件限制，毛料余量相对较大，并且不均匀，最大余量处单边28mm，最小余量7mm。零件毛坯锻压过程中，由于受热、冷却、机械变形作用，在工件内部产生残余应力，致使工件处于不稳定状态，使工件在工作过程中产生应力变形。

3 控制变形的具体措施

零件变形的因素主要包括三方面：装夹变形是由于零件刚性差，在装夹力的情况下，导致端面不平以及薄壁处变形；切削加工中，在切削力的作用下产生弹性让刀变形，会导致圆跳量过大；零件加工中残余应力释放产生的变形。在加工过程中影响零件变形因素还有很多，工艺路线安排、零件加工中的走刀方向、刀具的使用不当、夹具的装夹方式、切削方式、工艺参数、切削液等都会对零件加工后变形造成一定影响，只是对零件变形影响的大小不同。

3.1 加工路线的改进

结合零件结构强度差、材料去除量大、容易产生变形的特点，原有低压涡轮机匣在单件加工时，安排多次反复的车加工工序，并安排了稳定处理工序，消除部分机加应力。但是由于该零件直径过大，在稳定处理和腐蚀检查后均安排了修基准工序，可以减少基准不平带来的加工变形，同时良好的端面基准，有利于轴向尺寸的精度控制；零件粗加工后保证余量均布，保证精加工时应力变化均衡。

3.2 走刀路线的改进

零件在去除余量的过程中，走刀路线的选定很重要，它将直接影响零件的加工质量和加工变形程度。零件在切削过程中，零件残余应力的平衡状态被打破，合理的走刀路线会让残余应力逐步较均衡的变化，当零件完成加工，残余应力达到平衡后，零件不会产生较大的变形。

3.2.1 车加工走刀路线改进

粗加工时，采用分层去除余量的方式进行加工，精加工时采用内外对称的方式分级交替加工，这样可以保证加工的强度以及加工精度，以便减少加工应力变形。

3.2.2 铣加工走刀路线改进

铣加工采用孔和花边交替进行的方式，这样可以减少刀具抗力引起的零件变形。值得强调的是，在钻孔时尽量选择小直径的钻头，避免零件刚性差，钻孔后孔径变化大，影响最终孔径尺寸精度；同时粗铣花边的走刀方式由原来的径向分层，改为轴向分层，这样有利于消除径向受力，减少共振。

3.3 增加零件刚性，减少零件振动

增强薄壁零件的系统刚性是减少零件加工变形的主要手段。带有径向辅助支撑、软接触精密定位新型结构，即带有可调机械辅助支撑的夹具结构是增强刚性的最有力方式。但是商发低压涡轮机匣零件大，夹具的费用较高，针对这种情况主要采取两种解决方法。一是制作减震橡胶带、在零件内部放置沙袋等方法；另一种是优化定位方式，在组合夹具的基础上自制辅助支撑，达到减震目的。

3.4 刀具和切削参数的改进

切削加工时由于低压涡轮机匣类零件刚性不足，在切削力的作用下产生弹性让刀变形，所以合理的选择刀具和切削参数很重要，它将直接影响到零件的质量和效率。

3.4.1 刀具的选择原则

加工镍基高温合金的刀具材料主要为硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷刀具等，这类刀片具有良好的抗朔性变性能力、好的耐磨性和高稳定性，可以提高刀具的寿命。决定刀具切削性能的因素除了刀具材料外，还有刀具的几何角度，这些因素直接影响到切削热的大小、切屑的流向和形状、已加工表面的质量、切削分力的大小。加工镍基高温合金通常选用0°-10°的前角，粗加工是切深和进给比较大，应选择比较小的前角，精加工时加大前角可以减少变形，约为5°-10°，增大后角能减少后刀面与已加工面的摩擦，但过大的后角会较低刀具的强度，粗加工镍基高温合金的后角一般为6°-8°，精加工10°-12°。主偏角的大小会影响到刀具的耐用度和切削力的以及切屑的厚度，主偏角对零件加工精度和表面形状影响最大。加工镍基高温合金主偏角一般为30°-60°。

3.4.2 合理切削参数的选择原则

在选好刀具材料、刀具的几何角度的基础上，合理的切削参数可以达到提高效率、优化加工的目的。粗加工时高的进给可以提高材料去除率，但是较大进给量使切削力也增大，在选择切深的同时，还要考虑系统的刚性、刀具强度等方面；在精加工时，要达到要求的粗糙度和精度，可适当增大刀尖圆弧半径或是降低进给。在加工镍基高温合金时，一般采用较低的切削速度，较大的切削深度和中等偏小的走刀量，尽可能在加工硬化层下切削。

4 结束语

文章通过商发低压涡轮机匣的研制加工，达到对大型薄壁低涡机匣变形控制研究的目的。研制过程中自制并使用可调机械辅助支撑的夹具结构，对工艺路线和切削走刀路径进行改进，并且试验刀具和优化切削参数，在机匣加工变形控制方面摸索了一些方法，获得了一些经验，为今后类似件的加工提供技术、经验支持。

参考文献

[1]刘杰华，任昭容.金属切削与刀具实用技术[M].国防工业出版社，2006.

[2]赵秀芬.镍基高温合金的切削加工[J].航空制造技术，2010.