TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形控制策略

宋明強(qiáng) 田俊強(qiáng) 何昱含

摘 要：航空產(chǎn)業(yè)是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展航空產(chǎn)業(yè)能夠有效的帶動(dòng)國(guó)家科技進(jìn)步與工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高國(guó)家的綜合實(shí)力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空產(chǎn)業(yè)中的重要一環(huán)需要持續(xù)加大科技投入。航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為工業(yè)的瑰寶，不論是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)還是制造的難度都極高，文章將結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工后的變形問(wèn)題就航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工流程進(jìn)行分析，對(duì)如何做好航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工工藝的優(yōu)化，控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形量，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣;加工變形;控制

中圖分類號(hào)：V263 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）20-0102-02

Abstract： The aviation industry is a high-tech industry， and the development of the aviation industry can effectively promote the scientific and technological progress of the country and the upgrading of the industrial industry. Improve the comprehensive strength of the country. As an important part of the aviation industry， aero-engine needs to continue to increase investment in science and technology. The aero-engine is regarded as the treasure of the industry， and it is very difficult to design and manufacture the aero-engine. In view of the deformation problem of aero-engine casing after machining， this paper analyzes the machining flow of aero-engine casing， how to optimize the processing technology of aero-engine casing and how to control the machining deformation of aero-engine casing. Improve the processing quality of aero-engine casing.

Keywords： TC4 aero-engine casing; machining deformation; control

前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高溫、高壓等惡劣工況條件下，因此對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性提出了較高的要求。鈦合金是一種耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕的優(yōu)良材料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了較大的使用。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣中有相當(dāng)一部分的材料由鈦合金所構(gòu)成，由于材料強(qiáng)度更高，出于減重需要航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣多為薄壁結(jié)構(gòu)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣作為大尺寸的薄壁剛性件其在加工后的變形問(wèn)題較為突出直接影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的加工精度。為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工質(zhì)量需要做好變形原因分析并采取相應(yīng)的控制措施減少甚至消除變形問(wèn)題。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形機(jī)理分析

采用鈦合金作為主材的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣多采用的一體化、薄壁化設(shè)計(jì)，屬于典型的薄壁剛性零部件。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的機(jī)械加工過(guò)程中，隨著金屬材質(zhì)的去除，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的剛性也在逐漸下降，并最終因航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣剛性不足而導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工后出現(xiàn)精度超差?？傮w來(lái)說(shuō)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣機(jī)械加工中造成變形誤差的因素主要有以下三方面：裝夾、切削力和機(jī)械加工后的殘余應(yīng)力。其中裝夾所引起的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形主要來(lái)自于裝夾力所造成的端面平面度和薄壁處影響。機(jī)械加工過(guò)程中隨著材料的減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的剛性也在下降，當(dāng)剛性降低到一定的水平時(shí)將會(huì)在機(jī)械外力的作用下而引起航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形并產(chǎn)生彈性讓刀。彈性讓刀變形主要產(chǎn)生于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣薄壁處其以圓跳動(dòng)量過(guò)大為主要表現(xiàn)形式。機(jī)械加工中刀具切削所產(chǎn)生的應(yīng)力將積聚在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件中，這些積聚的應(yīng)力將會(huì)在加工完成后逐步的釋放出來(lái)并造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣發(fā)生嚴(yán)重的整體組合變形。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形控制策略

通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形的影響因素進(jìn)行分析確定了為控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的加工變形需要從裝夾方案、切削工藝優(yōu)化及控制殘余應(yīng)力三個(gè)方面入手。

2.1 裝夾方案優(yōu)化目標(biāo)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣裝夾方案優(yōu)化其目標(biāo)在于加強(qiáng)對(duì)于裝夾夾具的控制，提高裝夾夾具的穩(wěn)定性和可靠性，將裝夾力以較為均勻的方式分散分布在TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上以此來(lái)降低裝夾力所造成的影響。優(yōu)化路徑可以從裝夾位置、裝夾順序和裝夾力分布形式等幾個(gè)方面入手。

2.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣切削工藝優(yōu)化

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣機(jī)械加工過(guò)程中切削參數(shù)直接影響到切削力的大小和分布。做好切削參數(shù)控制尤其是精加工階段切削參數(shù)的控制有助于在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣處于剛性最差狀態(tài)時(shí)獲得較好的切削性能。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化盡可能的降低切削力減少甚至是避免因讓刀變形問(wèn)題。

2.3 參與應(yīng)力控制方案

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣精加工階段不合理的加工順序?qū)?huì)影響到機(jī)匣內(nèi)部應(yīng)力釋放過(guò)程，不合理的去除順序?qū)?huì)引起變形在不同方向間波動(dòng)，以變形控制為目標(biāo)的余量加工順序優(yōu)化將確保粗加工所留余量小且均勻且能夠使熱處理后毛坯件的熱變形量小于加工余量。

3 TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形分析

TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件采用環(huán)軋成形工藝，屬于典型薄壁回轉(zhuǎn)體，加工后的TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣其單邊厚度最薄僅為2.5mm，整體結(jié)構(gòu)剛性較弱，加工過(guò)程中受力變形及加工后應(yīng)力變形較大， TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的變形主要表現(xiàn)為安裝邊端面平整度較差和TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣內(nèi)外圓圓度超差。為做好TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形控制需要做好機(jī)匣在機(jī)械加工時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力分布并做好仿真模擬，以便在此基礎(chǔ)上對(duì)TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣機(jī)械加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

4 TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件應(yīng)力測(cè)量

在對(duì)TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件殘余應(yīng)力測(cè)量的過(guò)程中將使用Prism殘余應(yīng)力分析儀對(duì)毛坯件進(jìn)行測(cè)量，使用鉆孔去除材料法，并利用數(shù)字成像對(duì)材料應(yīng)變進(jìn)行分析。選用直徑為0.8mm的鉆頭進(jìn)行0-0.1mm的鉆進(jìn)，測(cè)量鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件殘余應(yīng)力分布變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在0-0.04mm的范圍內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)， TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件的應(yīng)力幅度與鉆進(jìn)深度成正比，并在0.04mm時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值，在鉆進(jìn)超過(guò)0.04mm后應(yīng)力幅值開(kāi)始衰落并由原先的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，應(yīng)力持續(xù)增大并在0.05mm處達(dá)到最大值。此后隨著鉆進(jìn)深度的增加壓應(yīng)力幅值在持續(xù)減小并持續(xù)到鉆進(jìn)深度0.1mm處，殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

5 TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件切削應(yīng)力仿真

根據(jù)測(cè)試所得出的TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件切削殘余應(yīng)力分布圖建立切削過(guò)程中TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件的仿真模型，以原加工工藝為主要模擬加工后的殘余應(yīng)力變形。根據(jù)模擬結(jié)果，TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件的變形主要以安裝邊翹曲為主，且變形量較大。通過(guò)模擬分析表明在TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件切削過(guò)程中隨著切削的持續(xù)進(jìn)行，TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件的剛性也在不斷減弱，再加上殘余應(yīng)力的作用將導(dǎo)致協(xié)調(diào)變形。在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在原加工工藝下TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣安裝邊的加工翹曲將呈現(xiàn)出現(xiàn)增大后減小的規(guī)律，在粗加工即將結(jié)束時(shí)變形呈現(xiàn)出不穩(wěn)定，這一問(wèn)題將會(huì)對(duì)后續(xù)的精加工精度產(chǎn)生不利影響。

6 TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形控制

結(jié)合上文對(duì)TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形因素的分析及原加工工藝中變形的模擬提出了TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工工藝新方案，使用五軸車銑加工中心進(jìn)行加工。切削參數(shù)如下：粗加工時(shí)將按照48/m·min-1的切削速度、0.1mm·r-1進(jìn)給速度、2mm的切削深度;精加工時(shí)將選用80/m·min-1的切削速度、0.08mm·r-1進(jìn)給速度、0.2mm的切削深度的加工參數(shù)。在TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工中為避免裝夾夾具受力不均而導(dǎo)致的變形需要做好裝夾夾具的選用，并控制好裝夾力度，打表測(cè)量TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件，做到裝夾的平衡。新的加工工藝將加工工序更改為先外圓周面，將毛坯件車削至待留精加工余量后再對(duì)毛坯件的內(nèi)圓周進(jìn)行車削加工，加工工藝路線也進(jìn)行了修改。新的工藝路線通過(guò)首先切除TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件拉應(yīng)力分布區(qū)域的材料，將TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣切削過(guò)程中首先產(chǎn)生的拉應(yīng)力盡可能的釋放以此降低拉應(yīng)力的積聚。在去除拉應(yīng)力集中區(qū)域后再集中就TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣毛坯件內(nèi)圓一側(cè)壓應(yīng)力分布區(qū)域，新加工工藝其核心在于讓加工應(yīng)力在開(kāi)始階段盡早的釋放，后期利用變形量趨于穩(wěn)定的規(guī)律加入修基準(zhǔn)面的步驟去除TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工中剩余部分的材料，完成對(duì)于TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形的控制。原加工工藝在加工變形量達(dá)到頂峰后呈現(xiàn)階梯式下降，并在粗加工完成后在毛坯件上仍留有一定的變形量。而采用新的加工工藝后，其安裝邊翹曲變形在開(kāi)始階段與原工藝相同，但是隨著后續(xù)加工的持續(xù)進(jìn)行新加工工藝所造成的變形幅值將會(huì)持續(xù)快速下降，在TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣粗加工量達(dá)到近70%以后TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工所造成的變形量將基本保持穩(wěn)定，并不隨加工的持續(xù)進(jìn)行而發(fā)生波動(dòng)。根據(jù)對(duì)新工藝進(jìn)行模擬及后續(xù)的實(shí)驗(yàn)性加工表明，在前半段的加工中原工藝與新工藝所造成的變形基本相同而在后半段新工藝所造成的變形降低了近50%以上，新工藝將比原工藝更早的進(jìn)入到穩(wěn)定狀態(tài)。在粗加工進(jìn)入到約70%時(shí)新加工工藝加入了修基準(zhǔn)工藝可以有效的提高加工的精度，控制TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工中所產(chǎn)生的變形。

7 結(jié)束語(yǔ)

TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形問(wèn)題直接影響著TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工效率與加工質(zhì)量。本文在對(duì)TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工變形因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量仿真掌握了毛坯殘余應(yīng)力分布情況，并在此基礎(chǔ)上研究出了TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工新工藝。新工藝首先就毛坯外圓拉應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行加工，而后再對(duì)內(nèi)圓進(jìn)行加工，將加工變形控制在初始階段，提高了TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工的穩(wěn)定性。

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