减少航空发动机铝合金零部件加工变形的措施

减少航空发动机铝合金零部件加工变形的措施
航空发动机是工业技术的结晶，是一个国家科学技术的集中体现。

在航空发动机的制造中涉及到材料、加工制造水平等各个环节，任何一个环节出现问题都会对航空发动机的使用质量造成严重的影响。

铝合金是一种在航空发动机中应用较多的材料，其具有重量轻、耐腐蚀、抗疲劳能力强等的特点，现今在飞机制造中铝合金得到了广泛的应用。

铝合金在完成了机械加工制造后由于铝合金内部残余加工应力的释放会使得加工后的铝合金零件产生较大的变形，从而对后续的航空发动机的装配以及航空发动机的制造质量造成了极大的影响。

严重的铝合金加工后的变形会造成加工完成的铝合金零部件的超差报废，从而造成严重的经济损失。

因此应当做好铝合金零部件加工制造中的残余应力的分析，并通过制定合理的加工工艺来对铝合金零部件的变形加以控制，提高铝合金零部件使用的可靠性与稳定性。

标签：铝合金；航空零部件；残余应力；变形；加工工艺
前言
铝合金具有比重小、塑性高和抗腐蚀能力强和良好的导热、导电特性，此外在加工机械性、物理性等方面都有着较强的性能，因此在航空发动机的制造中应用较为广泛。

现今在铝合金的加工制造中主要使用切削加工作为主要的加工手段，但是在铝合金零部件的加工中发现其由于残余应力影响会使得铝合金零部件变形，从而对铝合金零部件的加工精度造成严重的影响。

因此，应当在铝合金零部件的加工制造中通过合理的工艺对铝合金零部件的残余应力变形问题加以控制与规避，从而获得良好的加工性能。

1 航空发动机铝合金零部件加工变形原因分析
某型航空发动机的中压压气机部分采用的是铝合金制造的半护罩组件并通使用箍环组合而成。

在材质上使用的是铝合金成分为Al-2.3Cu-1.5Mg-1.1Ni-1.1Fe，通过对铝合金进行热处理后材料的硬度范围在HB120-140的区间范围内。

对于此铝合金零部件加工属于典型的薄壁加工，根据图纸设计此零部件的最薄处仅为1.8mm，由于零部件较薄因此在完成对于铝合金零部件的加工后零部件中所含有的加工残余应力将会引起零部件的较大的变形，从而造成零部件加工质量的偏差。

造成此零部件在加工完成后产生变形的主要原因是：（1）在铝合金毛坯料的制造过程中在毛坯料中积存的残余应力。

在铝合金的锻造过程中，由于工件各部分的不均匀热胀冷缩以及金相组织转变时所产生的体积变化将会使得毛坯料内部积存有大量的残余应力，这些应力对铝合金加工所产生的影响随着铝合金零部件的结构复杂度和壁厚越薄表现的越明显也越不均匀。

这些残余应力在毛坯料中保持着脆弱的平衡而在机械加工时这一脆弱的平衡被打破，从而在加工完成后造成铝合金零部件的变形。

（2）冷校直工艺所带来的残余应力，在铝合金零部件的冷校直过程中，由于校直部分为受到相当大的压力的作用，从而使得铝合金零部件内产生一定的塑性变形，但是当撤去校直外力后
铝合金零部件处于自由状态时这些塑性变形应力将会在铝合金零部件内部积存为残余应力。

（3）铝合金零部件机械加工过程中所产生的残余应力，当铝合金零部件切削加工时，加工刀具与铝合金零部件表面的接触会产生严重的塑性变形，从而在铝合金零部件的表面产生较大的残余应力。

这些积存在铝合金零部件内部的残余应力会在铝合金零部件加工完成后持续对铝合金零部件产生力的作用并最终引起加工完成后的铝合金零部件的变形，从而造成铝合金零部件的变形超差。

2 减少铝合金零部件内残余应力对铝合金零部件加工精度的影响
为减少铝合金零部件内部残余应力对加工后的铝合金零部件的精度产生较大的影响需要找出对造成铝合金零部件变形影响较大的残余应力，通过对铝合金零部件加工中的各项残余应力所造成的影响进行试验后发现，对铝合金零部件加工变形影响较大的应力主要来自于铝合金毛坯料在热锻过程中所产生的残余应力，而在引起铝合金零部件变形的三种残余应力中切削残余应力对铝合金零部件的变形所造成的影响最小，而在铝合金零部件粗加工后对铝合金零部件进行时效处理释放残余应力对铝合金零部件加工后的变形影响也较小。

为提高铝合金零部件的加工质量，减少铝合金零部件加工后受残余应力影响所导致的铝合金零部件的变形需要对铝合金零部件加工工艺进行优化。

由于造成铝合金零部件加工后变形的主要应力来自于热锻过程中所产生的残余应力，因此，需要对这一阶段所产生的残余应力进行释放，并进行铝合金零部件加工工艺的优化。

在对铝合金零部件切割成两个半环后铝合金零部件内部的锻造残余应力得到了相应的释放从而使得铝合金零部件内部的残余应力得以重新分布。

在这一阶段对铝合金零部件加工工艺进行优化可以最大限度地减少或是消除残余应力对铝合金零部件加工质量所造成的影响。

针对铝合金零部件内部的残余应力在最终切断工序后才得以重新分布并最终造成铝合金零部件产生较大的变形量，因此在对铝合金零部件进行加工工艺的调整时将铝合金零部件的精加工调整到切断成两个半环之后将会有效地减小铝合金零部件的变形。

对于铝合金零部件的加工工艺的优化可以通过在对铝合金零部件精加工前先将两个零部件的整环件进行独立的加工，仅将铝合金零部件组合相配面基准加工至图纸要求，对于铝合金零部件的其他部分进行粗加工即可，铝合金零部件不用进行钻孔，完成对于铝合金零部件的粗加工后留有2.5mm的加工余量，大于零件切断后的变形量。

3 减少装夹方式对铝合金零部件加工精度的影响
为提高铝合金零部件的加工质量还需要对铝合金零部件的装夹方式进行改进，将装夹方式更改为使用铝合金零部件的大端面进行支撑，而小端面则采用6个压板进行压实，由于未在角向采用定位且定位支撑点小于6个因此此定位为不完全定位，此装夹方式会导致铝合金零部件产生较大的装夹变形并最终影响铝合金零部件的加工精度。

改进后的铝合金零部件的装夹方式采用的是内孔基准和定位销相组合的方式来对铝合金零部件进行装夹定位，应使用压板压紧的方式来装夹铝合金零部件。

改进后的铝合金零部件的装夹其6个自由度全部被夹具的定位元件所限制，并在夹具中占有完全确定的唯一位置。

实现了完全定位，从而最大
限度地减小了铝合金零部件装夹变形，保障了铝合金零部件的加工精度。

在对铝合金零部件的加工工艺进行优化的过程中，通过试验发现造成铝合金零部件变形的主要应力来自于铝合金零部件毛坯料锻造过程中所产生的残余应力，通过对铝合金零部件的加工工艺进行优化将原先的铝合金零部件的切断工序调整为在对铝合金零部件进行粗加工完成后再进行铝合金零部件的切断，从而使得铝合金零部件的残余应力得到充分的释放后在对铝合金零部件进行后续精加工，避免这一残余应力堆积，从而对精加工后的铝合金零部件的加工质量造成变形影响。

通过此种工序的改进使得铝合金零部件加工后由于残余应力导致的零部件的变形问题得到了解决，使得加工后的铝合金零部件精度完成符合铝合金零部件的图纸的设计要求，并使得铝合金零部件加工过程中的废品率大大降低，提高了铝合金零部件的加工效率的同时提高了铝合金零部件加工的经济效益。

4 结束语
铝合金零部件的加工是加工制造的难题。

尤其是对于航空发动机中的一些薄壁型的铝合金零部件更是机械加工的难点。

文章在分析造成铝合金零部件切削加工后变形影响因素的基础上通过改进铝合金零部件的加工工艺来减少铝合金零部件加工后的残余应力对铝合金零部件所造成的影响。

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