涡轮后机匣加工工艺优化

王丽花++李冬梅++周鑫

摘 要：涡轮后机匣是飞机发动机的重要高温承力部件，零件的加工质量影响发动机的装配质量。然而涡轮后机匣结构复杂，存在加工精度高、加工易变形等加工难点，是加工的一大难题。本文通过对零件结构及加工工艺分析，确定影响零件变形的因素及加工难点，从控制零件加工过程质量、增加辅助支撑工装、优化切削加工刀具等方面优化现有工艺，改进工艺规程，解决现有加工问题。

关键词：工艺优化；变形控制；工艺方案

中图分类号：TP321 文献标识码：A

0.引言

涡轮后机匣处于飞机发动机的支点位置，处于发动机装配的关键部位，轴承座等零件的装配都需要以涡轮后机匣的端面和孔为装配基准，因此保证零件加工后的尺寸加工精度和形位公差至关重要。该零件属于焊接结构件，并且是薄壁零件，加工过程中常出现振颤、变形等加工问题。由于零件装夹及机械加工过程出现应力残留，在零件放置及装配期间会出现应力释放导致的变形，造成零件状态发生变化，影响飞机发动机的装配质量。为提升零件的加工质量，进行零件的加工工艺优化意义重大。

1.技术指标的拟定

通过分析后机匣的设计图纸及装配过程可知，发动机装配时需要先装配轴承座组件，然后将轴承座组件装配到涡轮后机匣上。装配后需要在涡轮后机匣的前端外环进行精密定位孔的加工，技术条件要求严格。从设计基准及技术条件要求看，后端内环安装轴承座端及前端外环为重要表面，因此将这两处技术条件的检测作为重要监控指标，如图1所示。

2.零件结构及技术条件分析

零件为焊接组合件，整个机加组件由涡轮后机匣前、后段，内环，支板等多个单件组成，各单件通过电子束焊焊接而成，存在多条焊缝。零件配合表面尺寸精度H7级，端面跳动及圆周跳动0.03～0.05，尺寸精度及技术要求严格，机加部位材料为高温合金，材料硬度大，加工性能差，切削时塑性变形抗力大，切削负荷重，切削温度高，加工后零件表面层的加工硬化及残留应力大，对所使用刀具的刀尖及边界磨损极其严重，加工中极易产生变形。

3.零件状态及数据检测

为掌握零件加工变形情况，对关键、重要表面的技术条件进行数据检测，主要是前端外环的平面度、圆度及后端内环的平面度、圆度。通过数据检测分析，零件内环状态优于零件外环状态，但内环平面度数值波动较大，外环圆度数值虽然在0.15以上却比较稳定。零件精车工序在公差要求范围内，自由状态跳动值在0.05以下，铣花边后破坏了应力平衡，应力重新分配，引起零件变形，精车完随着应力的释放及铣花边的切削力使零件跳动增大。

4.存在问题及难点分析

（1）涡轮后机匣加工精度高，在加工过程中零件压紧状态及自由状态下检测零件状态会发生变化。

（2）零件结构复杂，为焊接机加件，有多条焊缝，加工过程中受焊接应力不断释放和机加残余应力的作用，造成零件变形。

（3）零件属于典型薄壁机匣，机匣主体壁薄，加工易产生颤振、回弹等现象。

（4）机械加工工序定位装夹采用压板压紧，没有辅助支撑，刚性差，不利于控制机匣的加工变形。

（5）后机匣内环属于悬臂结构，加工过程中由于焊接应力释放及结构应力的影响，零件发生变形，焊接后各支板轴向、角向位置难以保证。

5.基于过程控制的工艺方案优化

通过分析目前零件加工工艺工程和现场加工情况，从细化零件装夹找正要求，增加辅助支撑，细化操作步骤，控制加工过程质量等方面来进行工艺优化，从而改善零件变形情况，提高零件加工质量。

5.1 工艺路线及加工余量的调整

5.1.1 工艺路线优化

为减少涡轮后机匣的变形，对涡轮后机匣前、后段工艺方案进行了优化，对涡轮后机匣前、后段机加过程中增加热处理工序，并在热处理工序后，安排两道修复零件端面和内外圆的工序，保证涡轮后机匣前、后段的端面和圆度处于较好的状态，从而减少涡轮后机匣焊接及后续组件在加工中的变形。

5.1.2 加工余量调整

将原加工方案机加余量为2mm～6mm调整为各表面机加余量均匀2mm～3mm，如图2、图3所示，使组件加工余量减少，减少由于去除大余量产生的加工应力对零件变形的影响。

5.2 增加辅助支撑，提高系统刚性

零件为焊接机加件，零件内环与外环壳体通过支板连接，属于悬臂结构，零件大端内环及小端外环有花边，内外环端面有连接孔，且机匣主体壁薄，刚性差，加工涡轮后机匣内环及小端外环在钻孔及铣花边时刚性不足，受切削力作用，产生颤振、回弹等现象，为了增强系统刚性，优化后工艺在铣花边及钻孔工序增派辅助支撑夹具，在内环端面采用自适应工装模块支撑夹紧，既起到支撑作用，又不会导致零件的附加变形，如图4所示为零件铣花边及钻孔辅助支撑局部图。

5.3 改进前后安装边背面槽刀

零件精车工序采用专用车槽刀具代替原焊接车刀，由于加工部位比较封闭，容易发生干涉，同时刀具角度需要重新磨削，依赖工人的技能，调整后的工艺优化化刀具及参数，以提高零件加工的工艺保证能力。如图5、图6所示分别为原加工刀具与现加工刀具图片。

5.4 采用铣螺纹加工代替手动攻丝

涡轮后机匣端面孔螺纹有多处，采用手动攻丝方法加工表面质量及螺纹孔垂直度不好，通过优化螺纹孔加工方式，取消手动攻丝，端面螺纹孔加工使用外购螺纹铣刀，全部采用数控铣方法完成，提高了螺纹孔的垂直度和表面质量，减小因加工误差产生的装配应力，更好的保证组件装配精度。

6.现场验证情况

在现场试验过程中，工艺中贯彻各项优化措施，根据改进方案对零件进行加工验证，验证期间对每个环节进行跟踪统计，从收集的数据分析零件的加工质量保证情况，零件的加工效率及变形状态较以前工艺有一定的提高，在保证设计要求的基础上，零件变形状态数据均有所改善。

6.1 提高零件加工质量

零件自由状态数据有一定改善，零件实际状态较批产零件数据对比情况：外环前端面平面度0.09减小到0.06，外环前端面圆度0.15减小到0.13，内环平面度由0.07减小到0.03，内环圆度由0.11减小到0.08，技术条件得到有效改善。

6.2 提高零件加工效率

铣花边及钻孔工序采用快换结构的自适应辅助支撑工装，减少零件找正时间，零件粗加工的余量进一步减少，减少机加工时间，精车工序采用专用刀具替代普通焊接车刀，减少了人为修磨刀具带来的风险，在提高加工效率的同时提高了零件加工的质量保证能力。

参考文献

[1]闫龙，黄金艳.高压涡轮机匣加工优化[J].中国科技博览，2015（35）：324-324.