航空发动机机匣加工变形分析与控制

安丽莎 韩永武 邓连兴

摘 要：航空发动机是飞机的动力核心，其所产生的强大推力来推动飞机快速前进。机匣是航空发动机中的重要组成部分，其主要用于承受航空发动机在工作中所产生的负载和质量惯性力，做好航空发动机机匣的设计和制造对于提高航空发动机的质量有着极为重要的意义。航空发动机机匣为了实现航空发动机的功能，其在设计中多采用的是薄壁、整体的回转结构。航空发动机机匣所使用的材料主要为钛合金、高温合金等，其硬度高、加工难度大，尤其是在航空发动机机匣机械加工的过程中所产生的变形问题直接影响着航空发动机机匣的机械加工质量。本文将在分析航空发动机机匣机械加工中变形原因的基础上对如何控制航空发动机机匣机械加工中变形问题进行分析阐述，提高航空发动机的制造质量。

关键词：航空发动机机匣；变形；机械加工

中图分类号：TK416 文献标志码：A

航空发动机机匣是航空发动机中的重要受力部件之一，其加工制造质量直接影响着航空发动机的使用性能。在航空发动机机匣的机械加工过程中应当注意采用合理的工艺和措施用以控制航空发动机机匣在机械加工中所产生的变形问题，通过工艺优化、参数优化、路径补偿等方式将航空发动机机匣机械加工中所产生的变形量控制在最低水平，提高航空发动机机匣的机械加工质量。

1 航空发动机机匣在机械加工过程中产生变形的原因分析

航空发动机机匣是航空发动机中的重要受力部件之一，航空发动机机匣是由各部分具备不同结构和功用的机匣组合件焊接而成的，在航空发动机机匣的加工制造过程中，焊接变形和机械加工变形是影响航空发动机机匣加工制造质量的两个主要的因素。航空发动机机匣由于其功用要求使得其在设计的过程中主要是薄壁型结构，尤其是现今随着大功率航空发动机需求的不断增加，大直径的航空发动机机匣将越来越多的成为航空发动机机匣制造的主要类型。

航空发动机机匣属于典型的薄壁结构件，由于航空发动机机匣的壁厚较薄，一些航空发动机机匣的最薄处仅有几个mm，从而使得航空发动机机匣的刚性较弱，致使航空发动机机匣在机械加工的过程中容易受到装夹力、切削力和机械加工所产生的残余应力的影响而导致变形。航空发动机机匣在加工过程中需要对零部件进行装夹固定，如装夹力不平衡将会对航空发动机机匣这一较弱的刚性结构产生不必要的附加力，从而导致航空发动机机匣在加工制造后产生变形。因装夹力而导致的航空发动机机匣变形多发生在航空发动机机匣的端面、薄壁处。

航空发动机机匣因切削力所导致的变形是由于刀具所产生的切削力作用于航空发动机机匣时将会使得航空发动机机匣产生“让刀”变形，由于切削力的作用所导致的航空发动机机匣机械加工变形多发生于航空发动机机匣的薄壁处，其容易造成航空发动机机匣在圆度、圆跳动量等的检测数据上超差。

残余应力是造成航空发动机机匣加工变形的重要原因之一，在航空发动机机械加工的过程中，切削所产生的应力在航空发动机机匣内不断积聚并逐渐的影响着航空发动机机匣，这些应力的存在将逐步的影响着航空发动机机匣并导致航空发动机机匣产生变形。

2 航空发动机机匣机械加工变形控制策略

航空發动机机匣机械加工是航空发动机机匣加工制造的主要方式，为提高航空发动机机匣机械加工质量，减少变形对于航空发动机机匣机械加工质量的影响应当针对航空发动机机匣机械加工中产生变形的原因采取合理的措施来做好变形的控制，提高航空发动机机匣机械加工质量。由于航空发动机机匣机械加工变形是多种因素共同作用的结果，在航空发动机机匣机械加工中需要采用多种方式做好航空发动机机匣机械加工中的工艺、装夹等的优化，提高航空发动机机匣机械加工质量。

某型号的航空发动机风扇机匣其外环采用的是TC4型材料，其结构设计为整体回转结构，在环壁最薄处仅为2mm，直径接近1000mm，航空发动机风扇机匣这一结构特点导致其在机械加工的过程中极易受到各种作用力的影响而导致航空发动机风扇机匣在机械加工中产生变形，从而影响航空发动机风扇机匣的加工质量。

通过测量分析发现航空发动机风扇机匣的加工变形主要发生于精加工工序后，在精加工完成后航空发动机风扇机匣失去拘束后恢复到自由状态后其径向圆跳动的测量数据超差。为提高航空发动机风扇机匣的机械加工质量，减少变形在航空发动机风扇机匣的机械加工中需要对加工工艺、装夹方式等进行优化。

在航空发动机风扇机匣的装夹方式上：由于航空发动机风扇机匣的结构特点，常常将航空发动机风扇机匣的两端面作为加工基准，在航空发动机风扇机匣的装夹上主要包括轴向压紧和径向压紧，在对航空发动机风扇机匣的上端面进行精加工时，作为基准的下端面由于存在平面度误差，在对航空发动机风扇机匣进行轴向压紧时将会由于受力不均而产生变形，通过对航空发动机风扇机匣的装夹变形进行模拟分析，发现装夹不当将会导致航空发动机风扇机匣产生约0.05mm的变形量，这一变形量的存在将会对后续以上端面为基准所进行的航空发动机风扇机匣机械加工产生极大的影响，将会产生误差叠加。在对航空发动机风扇机匣端面基准的加工中，需要尽量采用径向压紧的装夹方式。而在对航空发动机风扇机匣的其他部分进行机械加工时应当尽量采用轴向压紧用以降低因装夹所引起的薄壁变形问题，提高航空发动机风扇机匣的加工精度。

做好航空发动机风扇机匣机械加工参数的优化也是提高航空发动机风扇机匣机械加工质量的重要方式之一。在航空发动机风扇机匣的机械加工中，车削加工是其主要的加工方式。由于粗加工、半精加工阶段都留有较大的加工余量，在对航空发动机风扇机匣进行机械加工时加工切削力对于航空发动机风扇机匣的影响较小，可以通过合理的热处理工艺来消除粗、半精加工中所产生的切削应力。

在精车阶段，为降低车削力对航空发动机风扇机匣机械加工的影响需要对精车阶段机械进行良好的模拟，控制航空发动机风扇机匣精车加工中的切削进给和切削深度，并提高车削的转速，采取高转速、低进给的方式来控制车削加工中的车削力。并在车削的过程中注意做好冷却，减少切削热对航空发动机风扇机匣机械加工的影响。

在车削工艺的编制上还需要注意合理的选择加工路径并结合航空发动机风扇机匣的材料特点来合理地选择刀具、车削速度和进给量等的加工参数，为控制残余应力释放所带来的加工变形，在航空发动机风扇机匣加工的过程中应当尽可能地保证将存在残余应力部分的材料去掉。残余应力一般分布在距离加工表面0.3mm以内的范围内，在0.3mm以下的位置切削应力的大小基本为零，在航空发动机风扇机匣的精加工阶段应当尽量使切削深度大于0.3mm，并在最后一刀中采用较小的进给速度用以确保航空发动机风扇机匣精加工后航空发动机风扇机匣表面残余应力的大小和分布均匀。

结语

航空发动机机匣加工是一项复杂而系统的工作，为提高航空发动机机匣的机械加工质量需要积极做好航空发动机机匣机械加工变形。由于航空发动机机匣属于薄壁型结构，其在加工中受外界因素影响较大，在航空发动机机匣的机械加工中需要结合变形产生的原因采取针对性的措施来控制好航空发动机机匣机械加工中的变形量，提高航空发动机机匣的加工质量。

参考文献

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[2]张春华，赵冬梅，袁仲欣，等.航空发动机机匣构件的表面完整性工艺控制[J].机械设计与制造，2015（10）：136-138.