航空发动机机匣机械加工过程中变形因素分析及变形控制

张志革，王敏丰

（吉林化工学院，吉林 吉林 132022）

航空已成为各国交通运输的重要工具，尤其是新型冠状病毒期间，为了及时获得急需的医疗物资，航空运输因其快速高效的特点成为各国运送医疗物资的主要交通工具。日常生活中，航空运输也是必不可少的出行交通方式。航空运输在国防和国民经济等诸多领域都担当着非常重要的角色。

航空制造业体现了一个国家的科技水平、工业发展水平、军事实力和综合国力等，它关系着一个国家的科技、工业、军事的发展，关系着一个国家的安全，因此，各国对航空制造业都非常重视。

飞机上有上万个零部件，每个零部件的制造精度及质量，都会影响整个飞机的性能和安全，航空发动机更是在所有零部件中占有非常重要的地位，它作为飞机的动力核心，为飞机的高速飞行提供强大的动力，被誉为工业皇冠上的明珠。对于飞机来说，发动机就是它的“心脏”，对飞机性能、可靠性、制造成本等都起着决定性的作用。

航空发动机机匣是发动机的重要零件之一，它是整个发动机的基座，主要起承力和包容作用。其外形结构复杂，不同的种类的发动机、同一发动机的不同部位，其机匣的结构形状也不尽相同，机匣零件一般是圆筒形或圆锥形的薄壁筒体，如图1所示。

近年来，随着航空发动机的性能及设计结构的不断改进和提高，新型发动机不断涌现，与之相配合的机匣零件的材料、结构也提出了更高的要求。越来越多的高强度、难加工的新型复合材料被采用，机匣的结构越来越先进合理、轻巧和紧凑，这就给发动机机匣零件的制造带来了更大的难度。本文接下来将针对航空发动机机匣零件制造过程中影响变形的因素进行分析，并探索控制其变形的具体措施。

图1 发动机机匣（图片来自网络）

1 制造过程中影响发动机机匣变形的因素

机匣从毛坯到加工得到零件的过程中，影响变形的主要因素有以下几方面：

1.1 发动机机匣的毛坯形变

发动机的机匣的工作表面主要为内、外表面，其内表面主要是承载涡轮叶片，外表面需要连接许多附件系统，如冷却、油路系统、各种管路和控制部件等。为了适应工作要求，机匣不仅具有复杂的几何形状，还具有不均匀的壁厚。因此，机匣大多用耐高温合金、高强度钢、钛合金、镍基合金等复合材料制成，毛坯用强度和韧性等综合性能的锻件毛坯、铸造、焊接等方式获得。在锻造、铸造、焊接的过程中，由于壁厚不均匀，毛坯内在弯曲加工过程就会产生内应力，虽然经过热处理及时效处理，但还是会有一定的应力集中。这些内应力在在加工过程中，就会使机匣零件变形。

1.2 安装装置影响机匣的形变

机匣零件的外形复杂，在进行定位安装时一般采用专用的夹具，零件在夹具中正确定位后，要施加一定的夹紧力。发动机机匣属于典型的大型薄壁零件，零件刚度较差，如果安装装置中定位、辅助支承的位置和夹紧力的作用点等计算不精确，在夹紧力的作用下，就会导致机匣端面以及薄壁处发生变形，从而影响机匣的精度。

1.3 加工过程对影响机匣形变

机匣的加工方法一般有车削、铣削、钻削等。首先，由于机匣零件的材料钛合金、镍基合金都是强度高、韧性高的难加工材料，加工余量大，在加工过程中，毛坯的材料去除率达到了70%以上。因此，切削加工时会产生较大的切削力，由于大型薄壁的机匣零件刚度不足，在切削力作用下薄壁处容易产生“让刀”现象。其次，切削过程中还会产生大量的切削热，并伴随有积屑瘤、冷作硬化等现象，这将使零件表面产生一定的表面残余应力。最后，在切削加工过程中，加工部位的尺寸大，一次走刀距离长，刀具受切削力和切削热的影响，会产生一定的变形和磨损，必然会影响刀具的切削性能，使得机匣的不同部位在加工中出现切屑层参数的变化，从而影响机匣零件的变形。因此，切削加工过程会使机匣零件产生一定的加工变形。

综上所述，机匣零件的安装、加工、刀具切削性能及残余应力等是影响机匣零件变形的主要因素。

2 机匣变形的主要控制措施

航空发动机机匣是典型的结构复杂的大型薄壁零件，在加工制造中易发生变形，从而影响零件的精度，因此，要对变形加工控制。主要变形控制方法如下。

2.1 选择合适的加工设备

在加工形状、结构复杂的机匣零件时，使用普通的车床、铣床、钻床等设备，要使用复杂的工艺设备才能完成加工要求，零件经过多次装夹，会影响变形并影响加工的精度。多轴数控机床特别适用于机匣的中、小批量生产纲领要求。它在加工零件时，能够按照工序集中的原则减少工件的装夹次数，使用合理的走刀路线减少工艺装备的数量。因此，数控加工是有效减少机匣零件加工变形的措施之一。

2.2 改进零件的装夹方法

机匣零件在完成基本的定位夹紧要求后，对薄弱部分增加辅助支承以抵抗夹紧、加工过程中的轴向力和径向力。主要方法有两种：一是机械辅助支承，采用能够形成均匀可调的联运张紧机构，使变形控制在允差范围内，改善变形效果非常理想，这种辅助支承方式在国内外加工大型薄壁零件时被广泛采用。二是非机械方法支承，在机匣壳体内部充满石膏、石蜡等化学物质增加零件的刚度，减少安装和加工过程中的变形，在发动机的关键部件的加工中，这种方法早已被采用。

2.3 加工工艺过程的合理选择

通过合理安排工序、走刀路线等使加工过程中零件的变形得以控制。

（1）划分合理的工序并优化。将机匣零件的加工阶段划分为粗加工-半精加工-精加工，优化工序使零件变形部位的厚度增加以增加刚度，减小变形。这是控制机匣零件变形的一种操作简便、成本小的最有效的方法之一。

（2）设计合理的走刀路线并优化。每个加工部位采取分层多次走刀，按照余量均匀的原则精益设计走刀路线，使相对、相背的表面粗加工和半精加工后的余量保持一致。加工过程中，采用相同的切削用量，使加工过程的切削力和切削热及加工后的残余应力都基本上处于一个相近的状态，从而减小零件加工过程中引起的变形。

（3）切削参数的合理选择。切削参数有切削速度、背吃刀量和进给量，由切削力的经验公式并分析各项参数的影响可知，对切削影响从大到小的顺序依次是背吃刀量、进给量和切削速度。综合考虑材料切除率、切削力、切削温度、表面粗糙度及刀具寿命等因素后，选取小切深、小进给、高速切削的方法，这样既保证了加工效率，又减小了切削力，从而减小机械加工引起机匣零件的变形。随着科技水平的日益提高，高速切削逐渐得到了广泛应用。

德国MTU公司数控铣削钛合金叶盘时粗、精加工时的切削速度分别可达到100m/min和300m/min。加工中陶瓷刀具切削速度可以达到900m/min以上，金属切除率高达200cm2/min，是英国罗罗公司加工高温合金的一种主要方法。

（4）热处理工序的合理安排。为了减少机匣零件的毛坯和加工过程中产生的内应力，应该合理地安排热处理工序，在不改变零件材料金相组织的前提下释放内应力，从而减小它对机匣零件变形的影响。

3 结语

航空发动机机匣是一种典型的大型薄壁零件，加工中容易产生变形，影响变形的因素很多，控制变形的措施多种多样，加工中减小变形、保证加工精度是一项复杂而系统的工程，需要从毛坯、工艺装备、工艺路线、切削参数、热处理等方面综合考虑，可借助计算机技术对综合因素进行优化。随着科学技术的不断提高，新型的加工技术如3D打印技术、激光切削、化学铣等加工方法日益成熟，它们都会使机匣零件的变形得到控制并提高加工质量。