【編者按】航空發(fā)動(dòng)機(jī)為航空器提供飛行所需動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)研究和發(fā)展工作的特點(diǎn)是技術(shù)難度大郑兴、耗資多蚕捉、周期長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)飛機(jī)的性能以及飛機(jī)研制的成敗和進(jìn)度有著決定性的影響润努，而且發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)具有良好的軍民兩用特性关斜，對(duì)國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要意義示括。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的核心部件，其主要作用是產(chǎn)生拉力或推力痢畜，使飛機(jī)前進(jìn)叛始。機(jī)匣作為其中重要的承力部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)轴及，承受氣體負(fù)載和質(zhì)量慣性力绣坛，還承受由溫差引起的熱載荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一塑渤。設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重增效巢的，機(jī)匣通常采用薄壁、整體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)饱舆，材料多為鈦合金嘴符、高溫合金等難加工材料，導(dǎo)致機(jī)匣在實(shí)際加工中存在諸多問題稻蒂，其中加工變形難以控制最為突出蒿荤。針對(duì)機(jī)匣類零件數(shù)控加工變形控制，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量相關(guān)研究初藐。徐金梅[1]研究了鑄鎂附件機(jī)匣從毛坯至成品全過程中變形控制和檢查的方法筋顽。李山[2]基于數(shù)字化條件下研究了機(jī)匣加工工藝優(yōu)化過程，以實(shí)現(xiàn)機(jī)匣高質(zhì)高效加工乍恐。Li.B等人[3]分析了接觸變形所導(dǎo)致的工件剛體位移评疗，并建立其與工件加工誤差的映射關(guān)系；秦國(guó)華[4]等人系統(tǒng)地提出一個(gè)分析與優(yōu)選夾緊力大小茵烈、作用點(diǎn)以及夾緊順序的通用方法百匆，通過優(yōu)化裝夾方案控制加工變形，系統(tǒng)地提出一個(gè)分析與優(yōu)選夾緊力大小呜投、作用點(diǎn)以及夾緊順序的通用方法加匈。S. Ratchev[5-6]等人研究了切削力造成薄壁件加工變形的影響規(guī)律，并通過優(yōu)化刀位軌跡進(jìn)行誤差補(bǔ)償仑荐。R Izamshah[7]等人基于有限元和靜態(tài)分析雕拼，建立了鈦合金薄壁整體零件關(guān)于切削參數(shù)的加工變形模型。陳蔚芳[8]研究薄壁件加工過程中受力變形產(chǎn)生的回彈誤差控制粘招，提出了加工路徑補(bǔ)償方法啥寇。孫杰[9]等人研究了殘余應(yīng)力對(duì)航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形的影響，對(duì)單向應(yīng)力作用的矩形截面梁在剝層過程中的變形撓度值進(jìn)行了求解洒扎。

本文分析了機(jī)匣在加工中產(chǎn)生變形的主要原因辑甜，從加工工藝出發(fā)，利用有限元分析等方法驹播，提出了機(jī)匣加工工藝優(yōu)化方案蝎业，并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證增珠。

機(jī)匣加工工藝優(yōu)化策略

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣是由各部分具備不同結(jié)構(gòu)和功用的機(jī)匣組合件焊接而成的，加工變形以及焊接變形是影響機(jī)匣精度的兩個(gè)主要因素捣卵。本文主要針對(duì)機(jī)匣切削加工過程弓并，分析產(chǎn)生變形的原因，并提出控制變形的工藝優(yōu)化策略枷配。

1機(jī)匣加工變形因素

機(jī)匣是典型的薄壁結(jié)構(gòu)零件认寓，剛度不足引起的加工變形是影響尺寸精度的主要原因[10]。通常情況下物少，影響變形的主要因素為以下3個(gè)方面：

（1）裝夾變形奉量。

機(jī)匣零件裝夾變形是由于零件剛度較差，在裝夾力的作用下东著，導(dǎo)致端面不平以及薄壁處變形笼糙。

（2）切削力產(chǎn)生的變形。

切削加工時(shí)由于零件剛度不足铲瞎，在切削力作用下產(chǎn)生彈性讓刀變形拳喘。變形主要發(fā)生在薄壁處，終檢時(shí)問題多表現(xiàn)為圓跳動(dòng)量過大甚至超差颤绕。

（3）殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形

零件加工后幸海，原本平衡的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，因此需通過變形達(dá)到新的平衡奥务。這是殘余應(yīng)力引起零件變形的原因物独。

2變形控制策略分析。

針對(duì)變形影響3個(gè)主要因素氯葬，實(shí)際生產(chǎn)過程中挡篓，工藝控制方案主要包括裝夾方式優(yōu)化、切削參數(shù)優(yōu)化帚称、余量分布及走刀方式優(yōu)化官研。

（1）裝夾方式優(yōu)化。

裝夾的主要是保證加工過程中零件可靠的定位闯睹。其優(yōu)化主要考慮3個(gè)因素：裝夾位置戏羽、裝夾順序以及加載方式，主要目的是控制裝夾力造成的工件變形楼吃。

（2）工藝參數(shù)優(yōu)化始花。

加工過程中產(chǎn)生的切削力以及殘余應(yīng)力與加工工藝參數(shù)密切相關(guān)。通過優(yōu)選工藝參數(shù)牢簸，在保證加工效率的前提下骨矗，減小切削力和殘余應(yīng)力鹊逛，從而抑制加工中產(chǎn)生的變形渺类。

（3）余量及走加工順序優(yōu)化烛储。

加工余量不均勻，會(huì)導(dǎo)致切削過程中累换，切削深度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)棺玫，因此會(huì)造成切削力以及殘余應(yīng)力大小及分布的不斷變化，影響零件的加工精度待插。對(duì)于機(jī)匣類零件竭撇，以變形控制為目的的余量?jī)?yōu)化原則，主要是保證精加工過程中捷妥，余量最小且均勻化你义。其中，最小余量應(yīng)能確保粗加工熱處理后摩潮，零件變形量不會(huì)導(dǎo)致精加工余量不足况既，致使零件超差。

機(jī)匣加工變形控制

風(fēng)扇機(jī)匣在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中具有重要的作用组民，其結(jié)構(gòu)組件主要包括機(jī)匣外環(huán)棒仍，機(jī)匣內(nèi)環(huán)以及葉片。某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)中臭胜，機(jī)匣外環(huán)采用TC4材料莫其，具有整體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，薄壁處壁厚為2mm耸三，機(jī)匣最小內(nèi)徑大于840mm乱陡，是典型的薄壁零件，且加工中變形問題突出吕晌，主要表現(xiàn)為薄壁處加工精度較差蛋褥，加工完成后，在卸除裝夾的自由狀態(tài)下睛驳，測(cè)得徑向圓跳動(dòng)量較大（約為0.2mm）烙心，超出設(shè)計(jì)要求的誤差范圍（0.1mm）。由于風(fēng)扇機(jī)匣外環(huán)結(jié)構(gòu)乏沸、材料以及加工過程中變形問題具有代表性淫茵，因此以其作為實(shí)例，基于變形控制為目的牲耐，進(jìn)行了加工工藝方案優(yōu)化师莫。

1風(fēng)扇機(jī)匣裝夾方式優(yōu)化

基于機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特征可知，一般情況下琐惩，機(jī)匣上下兩個(gè)端面均需要作為加工基準(zhǔn)狮消，因此兩端面的加工精度對(duì)機(jī)匣整體的加工質(zhì)量影響重大。常規(guī)的壓緊力加載方式主要包括軸向壓緊和徑向壓緊，在對(duì)上端面進(jìn)行加工時(shí)搪古，作為基準(zhǔn)的下端面由于存在平面度誤差冻款，采用軸向壓緊時(shí)，壓緊力加載會(huì)造成整個(gè)機(jī)匣零件產(chǎn)生變形赁霉。利用Abaqus有限元分析軟件筝赶，模擬了風(fēng)扇機(jī)匣軸向壓緊時(shí)的變形情況。為了簡(jiǎn)化模型谬碱，在基準(zhǔn)面圓周方向均勻分布4點(diǎn)舰桑，其中3個(gè)點(diǎn)設(shè)置為完全固定約束，另一點(diǎn)施加0.05mm的軸向位移量蠢挡，仿真結(jié)果如圖1所示弧岳。

圖1軸向壓緊變形云圖

其中，風(fēng)扇機(jī)匣上端面部分變形較大业踏，約為0.052mm缩筛。加工后卸除裝夾，零件會(huì)產(chǎn)生變形回彈堡称，上端面也因此產(chǎn)生變形瞎抛，再以平面度誤差相對(duì)較大的上端面作為基準(zhǔn)進(jìn)行加工時(shí)，后續(xù)加工更加難以保證精度却紧。因此對(duì)基準(zhǔn)端面的進(jìn)行加工時(shí)桐臊，盡可能采取徑向壓緊的方式。

由于機(jī)匣零件一般徑向剛度小晓殊，除基準(zhǔn)面之外的加工工序断凶，應(yīng)盡可能采用軸向壓緊方式，這樣能減小裝夾力引起薄壁處變形巫俺，從而提高零件的加工精度认烁。

2風(fēng)扇機(jī)匣車削工藝參數(shù)優(yōu)化

車削是機(jī)匣類零件的主要加工方式之一。由于風(fēng)扇機(jī)匣外環(huán)零件為完全的回轉(zhuǎn)體柿癞，因此從粗加工至精加工来鸟，均采用車削加工方式。

2.1工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響

工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響哩讶，一般可以通過切削試驗(yàn)或者仿真試驗(yàn)得到甲祖，由于仿真試驗(yàn)易于實(shí)現(xiàn)，且成本低廉誊配，本文利用AdvantEdge有限元分析軟件鞍伟，對(duì)車削加工TC4材料進(jìn)行了仿真，其中刀具前角 γ0為5°请状；后角α0為10°秀吧；刃口半徑為0.02mm皱耗，F(xiàn)x 方向?yàn)榍邢蛄Γ現(xiàn)y 方向?yàn)閺较蛄π迅埂我蛩胤抡嬖囼?yàn)結(jié)果如表1~3所示倾皿。

表1 切深ap對(duì)切削力的影響

表2進(jìn)給進(jìn)度 f 對(duì)切削力的影響

表3切削速度 vc 對(duì)切削力的影響

通過回歸分析，根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果勃犬，可以計(jì)算出切削力的經(jīng)驗(yàn)公式：

通過經(jīng)驗(yàn)公式可知，切深是影響切削力大小的主要因素挎狸，其次為進(jìn)給率扣汪，切削速度影響最小。通诚谴遥可以通過減小切深和進(jìn)給崭别，提高切削速度獲來控制加工中切削力大小，并保證加工效率恐锣。但切削速度過大茅主，會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，由于TC4材料導(dǎo)熱性能差（熱導(dǎo)率為6.7W/m·K）土榴，且熔點(diǎn)不高（1604℃~1660℃）诀姚，切削熱過大會(huì)影響零件表面質(zhì)量。

2.2工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

基于AdvantEdge有限元分析軟件玷禽，對(duì)不同切削參數(shù)下殘余應(yīng)力沿深度方向的分布進(jìn)行了分析赫段。

切削深度對(duì)殘余殘余應(yīng)力影響很小矢赁；對(duì)殘余應(yīng)力影響最大的為進(jìn)給速度糯笙，其次為切削速度，其變化規(guī)律如圖2蹈瑟、圖3所示夯铡。為了控制殘余應(yīng)力釋放帶來的加工變形，加工過程中應(yīng)盡可能保證將存在殘余應(yīng)力部分的材料去除掉相誓。在不同的切削參數(shù)下闷墅，殘余應(yīng)力在距離加工表面0.3mm以下的位置，應(yīng)力大小幾乎接近零贡按，因此精加工過程中缰畦，應(yīng)盡可能保證切深大于0.3mm。同時(shí)栋固，最后一刀切削應(yīng)采用較小的進(jìn)給速度肥稠，確保精加工后表面殘余應(yīng)力大小和分布深度均較小。

圖2 殘余應(yīng)力隨進(jìn)給變化規(guī)律

圖3 殘余應(yīng)力隨切削速度變化規(guī)律

3風(fēng)扇機(jī)匣加工余量及走刀方式優(yōu)化

采用原工藝加工風(fēng)扇機(jī)匣精加工余量不均勻埋署，導(dǎo)致切削力波動(dòng)較大玫桅，切削效率不高芬角。因此采取余量均勻化的分配原則，粗加工過后風(fēng)扇機(jī)匣外環(huán)的余量為1.2mm哭振。加工過程中彻秆，采取內(nèi)外型面對(duì)稱方式加工，即采用相同的切削參數(shù)依次加工內(nèi)外型面结闸，保證一次對(duì)稱加工后內(nèi)外型面有相近的殘余應(yīng)力狀態(tài)唇兑，減小殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的扭曲變形。

最終綜合考慮各個(gè)變形因素的控制方法桦锄，生成的風(fēng)扇機(jī)匣外環(huán)加工工藝路線扎附。表4列舉了精車小端時(shí)內(nèi)外型面加工工藝參數(shù)。

表4風(fēng)扇機(jī)匣小端薄壁處工藝路線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照優(yōu)化工藝结耀，對(duì)風(fēng)扇機(jī)匣外環(huán)毛坯進(jìn)行加工留夜，精加工完成后利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量薄壁處的徑向圓跳動(dòng)量。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

加工設(shè)備：YV1200-ATC立式車床图甜，主電機(jī)功率：37kW碍粥，主軸轉(zhuǎn)速范圍：350r/min，最大旋轉(zhuǎn)直徑φ1600mm黑毅，FANUC數(shù)控系統(tǒng)嚼摩。

檢測(cè)設(shè)備：Global Status 121510三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量行程： ：X×Y×Z（mm）1200×1500×1000矿瘦；測(cè)量精度：示值誤差（MPEE）3.7+4L/1000低斋，探測(cè)誤差（MPEP）3.4。

2測(cè)量結(jié)果

如圖4所示刹震，沿機(jī)匣回轉(zhuǎn)軸司逗，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，對(duì)5個(gè)不同軸向高度位置的薄壁外圓進(jìn)行測(cè)量环自，每個(gè)圓周測(cè)量等分的32個(gè)點(diǎn)改佛。測(cè)量結(jié)果如表5所示。

圖4 測(cè)量位置軸向分布示意圖

表5零件圓跳動(dòng)量測(cè)量結(jié)果

從測(cè)量結(jié)果來看辰襟，機(jī)匣零件薄壁處圓跳動(dòng)誤差均小于0.10mm遵奇，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

結(jié)論

機(jī)匣加工變形控制涉及到加工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)以及彼此之間的相互影響赏赔。本文基于有限元仿真分析杏恍，提出了一種機(jī)匣類零件數(shù)控加工變形控制方法，最終通過加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變形控制方案的有效性雷倦，并得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)匣類零件胆狐，薄壁結(jié)構(gòu)是造成加工變形的主要原因，變形主要體現(xiàn)在薄壁圓跳動(dòng)和端面平面度誤差過大肺灭。

（2）端面基準(zhǔn)加工時(shí)應(yīng)采取徑向夾緊虱而，薄壁處加工采用軸向壓緊筏餐，可減小夾緊力造成了加工誤差∧的矗基于有限元仿真研究工藝參數(shù)與切削力魁瞪、殘余應(yīng)力之間的關(guān)系，通過優(yōu)化工藝參數(shù)減小切削力以及殘余應(yīng)力惠呼，可以有效控制機(jī)匣零件加工變形量导俘。

（3）在不采用內(nèi)壁支撐結(jié)構(gòu)的裝夾時(shí)，加工中可采取對(duì)稱式的切削方式對(duì)薄壁兩次分別加工剔蹋，可以減小加工變形量旅薄。

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