航空发动机薄壁焊接机匣变形控制技术研究

秦杰 王宇 郭书壹

摘要：文章针对某航空发动机机匣机加工艺，还有变形控制等进行了研究，将高温合金机匣当作典型件，对机加工艺的开展过程进行了分析，制定了科学的工艺路线，对相关工艺参数等进行确定，以实现机加变形的充分控制，最大程度地实现设计要求，以期为有关人士提供参考。

关键词：发动机;机械加工;变形控制;机匣

引言：

以某发动机机匣为例，其结构属于新型结构，它由多个零件构成，包括铸件结构及外机匣等，需要对机匣的变形进行控制。其机匣材料是镍基时效合金，有着较为复杂的结构，其环形空间相对狭窄，机加水平相对较低，属于薄壁机匣。因为内外机匣会存在很多接嘴及引起座，极易在切削以及磨等加工环境下出现变形，特别是外机匣变形，以及前后安装边变形，同时它还对机加中的轴向尺寸精度及同轴度有着非常高的要求，这使得机匣加工制造越来越困难，很难有效确保其设计尺寸。怎样制定科学的工艺路线，达到对机加变形的有效控制，这是我们应该重点探讨的课题。

1.强化材料特征

通过镍基時效对高温合金不锈钢材料进行强化，可借助钨级惰性气体对其进行保护。因为其中存在铝及钛，在进行时效时，会产生r1二次相基体，有利于进一步强化高温合金，提升其抗氧化能力，增强其热强度。建议在固溶状态下进行机加，以实现时效强化合金，当机加结束后需开展时效处理。基于固溶状态开展作业，其难度会有所增加。因为r1强化相的产生，合金会比较强调应变开裂敏感。

除此之外，在加工的过程中，伴随铝及钛含量逐渐变高，会促使材料性能相对下降，因为铝及钛的含量相对较多，其铸件强度一般会很高，但是塑性相对较差，由于其内部相对疏松，还有着低熔点共晶物等问题，在实际进行机械加工时会存在很强的应力，从而导致裂缝的出现，在加工的过程中，需降低线能量及熔合比;对于上述材料的特性，应对热输入量加以科学控制，这样才能最大限度地降低熔池尺寸，防止加工出现变形问题，降低加工速度，并进一步消除气孔问题[1]。

2.工艺路线制定

根据上述分析可以得知，加工的重点应确保加工状态及工装限位等参数的确定，怎样对机加变形问题进行有效控制，是对该机匣有关技术的研究重点。首先，可把外机匣还有不同的接嘴等构成组合件，对外机匣的变形现象加以掌控，接着再借助先进的机械加工技术，及内机匣构成相关的组件，对内外机匣进行有效控制，使二者达成统一;其次，借助一些接嘴及安装座，对其他接嘴及安装座进行预变形控制，借助机械加工工艺对变形进行优化控制。当加工结束之后，需开展时效处理，将加工余下的应力进行彻底消除，以增强加工的稳定性[2]。

3.机械加工试验

（1）准备工作。首先，需进行抛光和清洗作业。对外机匣的前段、中段及后段进行抛光，对不同接嘴和安装座等需要进行加工的位置表面进行抛光，使其呈现金属的光泽;针对加工过程，如果没有完全清理干净，那么将很容易出现变形等问题。对此，在对配件进行装配之前，可借助汽油来清洗零件及夹具，同时再通过丙酮对加工区域及附近进行清洗，以保证在实际进行机械加工时，不会对零件造成污染，降低气孔及飞溅现象出现的几率。其次，准确定位加工部位。针对内外机匣前、中、后段，以及不同接嘴和安装座位，都应在准确定位的情况下完成，安装的缝隙建议低于0.1毫米，其错位也应在0.02毫米之内，并找正定位基准应在0.02毫米以内，根据轴线开展对称定位，提高加工的精密度，减少变形[3]。其接头型式一般都是锁底结构，不但应达到定位装配的标准，还应确保有效熔深，从而科学掌控加工缺陷。

（2）机械加工试验。首先，应先明确工艺参数。针对工艺试件，可开展试验，从而对科学的工艺参数进行确定。其次，需借助专用组合导向器以及内机匣，从而构成内机匣组件，对内外机匣同轴进行有效控制。最后，可采用车铣复合等新设备以及高效低应力铣削等新技术对一些接嘴及安装座进行加工，从而对精加工余量进行预变形控制，最大限度地降低机匣变形问题。就机匣组件来说，需要将机匣组件中其余的加工残余应力进行彻底消除，并充分考虑让刀变形，从而科学掌控机加变形问题。

4.机匣的变形控制

（1）机匣变形分析。因为机匣结构是非常复杂的，且零件薄壁，弱支撑区技术要求也严，其变形不但非常多，还十分密集。在实际进行机械加工时，会出现较大的应力，极易导致加工裂纹，属于关键的影响因素，同时还极易引起热应变脆化。加工残余应力及变形问题，当到达一定程度上，还将对加工强度及加工精度等造成较大的影响。特别是很难有效确保外机匣变形问题，也不能确保外机匣组合的同轴度以及精密尺寸的合格。对此，在机匣加工制造中，有必要对机加变形进行全面的控制，这一点特别关键。不管是在加工工艺、加工余量及加工收缩量的选择方面，还是对加工区域的定位，以及加工完成后的热处理，都是想要降低机加变形现象。

（2）控制变形的措施。需结合机匣变形的原因进行着手，应提高变形拘束度，对装配间隙进行适当的调整，降低热输入，科学规划机械加工顺序。针对结构和材料的条件，以及安装座加工等工艺进行完善，最大限度地避免外机匣凹陷变形，从而有效处理机匣前后安装边变形问题，科学控制同心度。在不可支撑状态时，采用变形补偿技术、变形力抵消技术及采用插铣加工回避刀具弱刚性等措施控制让刀变形。在开展时效处理之后，有利于消除机匣组件中剩余的残余应力，进而提升加工尺寸的稳定性，有利于全面增强材料的性能。

（3）机加工艺优化。存在着多种因素，可致使零件变形，而且有着一定的复杂性，在加工过程中，充分防止零件变形是相当关键的。需要基于优化工艺路线，根据薄壁机匣加工特点，从多个方面实施行之有效的工艺举措，例如加工余量选取。针对零件加工，把其分成两种加工，也就是粗、半精加工、精加工。粗加工去除毛坯大部分余量，并提供行之有效的定位基准;半精加工根据粗加工定位基准将多数尺寸加工到位;对于机匣精加工，需要充分遵循工序集中原则，基于1次装夹定位，能够有效完成零件尺寸的加工，确保全部圆柱的同心度以及各形位技术要求;为提高零件尺寸精度，全面把控机加变形，结束半精加工作业之后，进行精磨精镗等高精度机械加工，如轴承孔径内磨，精密孔镗孔加工等。

结论：

综上所述，本文将机匣当作典型件，设计了有关的工艺路线，并开展了一系列工程实验，从而找出相应的机加变形规律，对科学的预变形工艺及加工工艺参数进行确定，进而科学掌控机匣的变形问题以及安装边翘曲问题解决方案，确保了加工质量，从而实现了机匣高精度高技术要求的机械加工。

参考文献：

[1]邓旬. 发动机斜安装边类机匣零件加工工艺研究[D].大连理工大学，2020.

[2]刘晓娟. 高温合金薄壁机匣焊接应力变形控制及加工工艺优化[D].哈尔滨工业大学，2019.

[3]高献娟，黄青松，方连军，宋雨桐，李根深.一种薄壁焊接机匣制造技术[J].中国新技术新产品，2018（01）：89.