航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣加工端面花邊結(jié)構(gòu)變形控制裝置的開發(fā)與設(shè)計(jì)

張志革，王敏豐

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

1 航空發(fā)動機(jī)及機(jī)匣

發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的動力核心，航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用最廣泛的是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，包括渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪軸發(fā)動機(jī)。航空發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)從前到后分別由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴口等幾大部分組成。其中，壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等部件又由機(jī)匣殼體、內(nèi)環(huán)零件和葉片等部件組成。發(fā)動機(jī)機(jī)匣零件作為航空發(fā)動機(jī)上的重要零件之一，它是整個發(fā)動機(jī)的基座，主要起到承力、連接和包容作用。航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣按照功能分為進(jìn)氣處理機(jī)匣、低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣、軸承機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、加力燃燒室機(jī)匣、中央傳動機(jī)匣、附件機(jī)匣等。機(jī)匣按照結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：環(huán)形機(jī)匣和箱體機(jī)匣。機(jī)匣所用的材料，根據(jù)功能及部位不同，主要有鋁合金、鈦合金、耐高溫合金、高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料機(jī)匣等。這些材料具有硬度高、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、切削性能差等特性。

2 影響機(jī)匣加工變形的因素及控制方法

機(jī)匣的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毛坯多為鍛造件，還有一部分機(jī)匣毛坯為自由鍛件，而鍛件毛坯加工余量很大，并且余量分布不均勻；另外，機(jī)匣零件的材料具有強(qiáng)度高、硬度大、韌性好等特點(diǎn)，機(jī)械加工時(shí)，需要比較大的切削力、切削熱，刀具磨損嚴(yán)重，并且加工時(shí)還會產(chǎn)生積屑瘤、加工硬化等切削現(xiàn)象。這些因素都會使機(jī)在機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生一定的變形。除此之外，毛坯內(nèi)應(yīng)力、裝夾力、表面加工引起的應(yīng)力等也會使機(jī)匣產(chǎn)生變形。目前，國內(nèi)外對于機(jī)匣的變形控制方法主要有毛坯熱處理消除內(nèi)部殘余應(yīng)力、加工中穿插熱處理消除加工引起的表面應(yīng)力、增加輔助支承抵抗切削力、優(yōu)化走刀路線減小切削力引起的變形、采用非接觸加工減小切削變形等方法。

3 一種航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣加工花邊結(jié)構(gòu)的控制裝置

在控制機(jī)匣件在機(jī)械加工過程中變形時(shí)，采用合理的裝夾方法得到了廣泛應(yīng)用。專用夾具帶有徑向可調(diào)輔助支撐裝置，使薄壁機(jī)匣件與夾具定位面、輔助支承面結(jié)合在一起，提高機(jī)匣件的切削剛性，以減小切削時(shí)引起的變形。使用徑向可調(diào)輔助支撐的專用夾具時(shí)，在完成機(jī)匣件正確定位和壓緊后，再分別調(diào)整每個徑向輔助支撐的徑向位置，使輔助支撐既要起到支撐機(jī)匣件的作用，又不能破壞機(jī)匣的定位。

輔助支撐可以是液壓、氣壓、電動等自動控制的自動可調(diào)式裝置，也可以是手動控制的機(jī)械可調(diào)式裝置。在這兩種輔助支撐控制方式中，最好的方式是自動控制裝置，即輔助支撐元件與機(jī)匣件接觸達(dá)到要求的程度時(shí)，夾具上的功能機(jī)構(gòu)限制輔助支撐繼續(xù)移動并鎖緊；另一種手動控制裝置相對落后，在調(diào)整輔助支撐時(shí)，使用千分表、扭矩扳手等工具控制輔助支撐的徑向移動?？紤]到機(jī)械加工的成本以及主要、次要加工部分等因素，手動控制的可調(diào)輔助支承方式在加工機(jī)匣件時(shí)仍然廣泛應(yīng)用。

本文中，航空發(fā)動機(jī)渦輪機(jī)匣結(jié)構(gòu)最薄壁厚4mm，直徑1000～1600mm，高度200～400mm，端面壁厚6～11mm，為弱剛性結(jié)構(gòu)，為了滿足裝配要求，端面平面度要求較高，約束狀態(tài)平面度0.05mm，自由狀態(tài)平面度0.10mm，并且端面上存在定位槽等結(jié)構(gòu)，其端面加工成花邊結(jié)構(gòu)，常規(guī)方式加工花邊結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致端面變形較大，從而影響航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣的使用效果。針對某航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣以上的技術(shù)要求，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種加工航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣端面花邊結(jié)構(gòu)的變形控制裝置。

3.1 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，機(jī)匣通過底面與兩個孔作為定位基準(zhǔn)，放置在底座上，機(jī)匣的上端設(shè)有壓緊機(jī)構(gòu)，機(jī)匣本體內(nèi)設(shè)有支撐機(jī)構(gòu)，機(jī)匣本體的外側(cè)壁設(shè)有穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定機(jī)構(gòu)包括貼覆在機(jī)匣本體上的多個弧形的壓板，每個弧形壓板的上端彎折且與機(jī)匣上端面的底端貼合，每個弧形壓板的下端彎折且與機(jī)匣下端面的上側(cè)貼合，每個弧形壓板的外側(cè)壁上均設(shè)有壓迫機(jī)構(gòu)。

壓緊機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在機(jī)匣本體內(nèi)的第一螺紋桿，螺紋桿的底端固定連接在底座的上端，螺紋桿的上端延伸出機(jī)匣并滑動套接有壓緊板，壓緊板的底端與機(jī)匣上端面貼合，在壓緊板上端有與螺紋套接旋轉(zhuǎn)盤。套桿滑動套接在第一螺紋桿上，套桿上對稱焊接有多個固定桿，每個固定桿均通過伸縮機(jī)構(gòu)連接有推桿，每個推桿的另一側(cè)均固定連接有弧形的支撐板，每個支撐板均與機(jī)匣本體的內(nèi)側(cè)壁貼合。伸縮機(jī)構(gòu)包括開設(shè)在推桿內(nèi)的螺紋槽，螺紋槽內(nèi)螺紋連接有第三螺紋桿，第三螺紋桿的另一端延伸出螺紋槽并與固定桿焊接，每個第三螺紋桿上均螺紋套接有轉(zhuǎn)板。壓迫機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在底座上的多個移動板，每個移動板的上端均插設(shè)有壓緊桿，在移動板兩側(cè)的壓緊桿上均固定套接有限位板，每個所述壓緊桿的另一端均焊接有弧形板，移動板的下端固定連接有移動機(jī)構(gòu)。移動機(jī)構(gòu)包括開設(shè)在底座上的滑槽，滑槽內(nèi)壁中插設(shè)有第二螺紋桿，第二螺紋桿上螺紋套接有移動塊，移動塊的上端與移動板的底端固定連接，第二螺紋桿另一端固定連接有連接桿，連接桿的另一端貫穿底座并固定連接有驅(qū)動機(jī)構(gòu)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括開設(shè)在底座中部的空腔，空腔的底端固定安裝有伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的輸出端固定連接有轉(zhuǎn)桿，轉(zhuǎn)桿的輸出端固定連接有齒輪盤，每個連接桿遠(yuǎn)離第二螺紋桿的一端均貫穿底座延伸至空腔內(nèi)并固定連接有錐齒輪，每個錐齒輪均與齒輪盤嚙合。每個弧形板均焊接有橡膠墊，每個弧形板內(nèi)側(cè)壁上均安裝有多個永磁體。

3.2 變形控制裝置的操作

將套桿8及其他的伸縮機(jī)構(gòu)放置在機(jī)匣本體2內(nèi)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)板30，轉(zhuǎn)板30移動推動推桿26移動，推桿26移動帶動弧形的支撐板9壓緊機(jī)匣本體2，避免機(jī)匣在加工時(shí)，機(jī)匣本體2由于過薄受力塌陷變形的問題；再將套桿8套設(shè)在第一螺紋桿5上，在將第一壓緊板6套上，旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)盤7帶動旋轉(zhuǎn)盤7壓緊第一壓緊板6，從而使第一壓緊板6從上壓緊機(jī)匣上端面3；將多個弧形的壓板10放置在機(jī)匣本體2上，從而使壓板10可以完全覆蓋機(jī)匣本體2，啟動伺服電機(jī)12通過轉(zhuǎn)桿13帶動齒輪盤14轉(zhuǎn)動，從而帶動多個錐齒輪15同時(shí)轉(zhuǎn)動，通過連接桿16進(jìn)而帶動多個第二螺紋桿18同時(shí)轉(zhuǎn)動，多個移動塊19同時(shí)向機(jī)匣靠近，通過移動板20和壓緊桿21帶動弧形板23靠近壓板10，隨著弧形板23的靠近，弧形板23壓緊壓板10，從而使壓板23緊緊地貼合著機(jī)匣本體2，壓板10從外部給機(jī)匣本體2一個很好的支撐力，避免機(jī)匣本體2在加工時(shí)受力向外凸起的問題；壓板10的上端和下端分別壓緊機(jī)匣上端面3和機(jī)匣下端面4，從而使機(jī)匣上端面3和機(jī)匣下端面4穩(wěn)定，不易發(fā)生變形，從而控制機(jī)匣在加工時(shí)的變形；加工完成后，啟動伺服電機(jī)12，伺服電機(jī)12反向轉(zhuǎn)動，帶動弧形板23遠(yuǎn)離機(jī)匣，從而方便機(jī)匣的脫離。

圖1 航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣端面花邊結(jié)構(gòu)變形控制裝置

3.3 該裝置的特點(diǎn)

（1）通過設(shè)置伸縮機(jī)構(gòu)，使支撐板給機(jī)匣本體一個向外的力，避免薄的機(jī)匣本體在加工時(shí)向內(nèi)塌陷的問題，通過設(shè)置穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，使壓板向內(nèi)壓緊，避免機(jī)匣本體向外凸起的問題，通過伸縮機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的配合，避免了機(jī)匣本體在加工時(shí)受力變形的問題。

（2）通過設(shè)置壓緊機(jī)構(gòu)，從而避免機(jī)匣的端面發(fā)生翹起的問題，保證了機(jī)匣的穩(wěn)定，通過壓板兩端的支撐作用，避免了機(jī)匣的兩個端面向內(nèi)彎曲的問題，通過壓緊機(jī)構(gòu)和壓板的配合，從而保證了機(jī)匣端面在加工時(shí)的穩(wěn)定，避免變形。

（3）通過設(shè)置是否電機(jī)帶動齒輪盤，再由齒輪盤帶動錐齒輪，從而可以同時(shí)帶動多個弧形板，同時(shí)壓緊壓板，節(jié)省了人力，提高了效率。

綜上所述，本裝置通過伸縮機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的配合，避免了機(jī)匣本體在加工時(shí)受力變形的問題，通過壓緊機(jī)構(gòu)和壓板的配合，從而保證了機(jī)匣端面在加工時(shí)的穩(wěn)定，避免變形。

4 結(jié)語

機(jī)匣是航空發(fā)動機(jī)的重要零件之一，在機(jī)械加工時(shí)，影響變形的因素和控制變形的方法成為研究重點(diǎn)內(nèi)容?？刂茩C(jī)加工變時(shí)，針對加工機(jī)匣花邊，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種機(jī)械可調(diào)的控制裝置。隨著科技水平和制造水平的提高，壓力傳感元件、電腦自動控制等應(yīng)用到可調(diào)輔助裝置中，會使機(jī)匣變形的控制更加方便、省力、高效。