大直径高温合金机匣加工工艺研究

引言

作为航空发动机的关键部件之一，机匣不仅承载着复杂多变的力学环境，还需在高温、高压等极端条件下保持稳定的运行状态。特别是大直径高温合金机匣，其加工精度和质量直接影响到发动机的整体性能和寿命。高温合金具有高强度、高韧性和良好的抗高温氧化性能，但同时也具有难加工、易变形的特点。因此，研究大直径高温合金机匣的加工工艺，对于提高航空发动机的性能和可靠性具有重要意义。

一、大直径高温合金机匣的结构特点与材料特性

为了适应航空发动机对多种用途的需求，大直径高温合金机匣的结构设计极为复杂。首先高温合金机匣的直径较大，由于其薄而大的结构特点使得机匣在承受巨大压力的同时，还需保持足够的刚性和稳定性。为了保证与导向器叶片等零件的良好装配，机匣内表面的粗糙度有着非常高的要求，一般要达到 Ra0.8μm 另外，为了配合导向器叶片等部件，机匣圆周上布置了许多径向螺孔，其定位与尺寸精度均需达到规定要求。大直径高温合金机匣常用的材料是高温合金，该材料在高温条件下表现出良好的抗氧化、耐高温腐蚀及抗疲劳性能。高温合金的组成元素主要包括铁 (Fe)、镍 (Ni)、钴 (Co)、钛 (Ti) 、铝 (Al)、铬 (Cr)、钼 (Mo)、钨 (W)等，其中最常见的是铁基、镍基和钴基三种。

二、大直径高温合金机匣加工工艺的关键技术

（一）数控加工技术的应用

数控加工技术因其精度高、效率高、柔性好等优点，已被广泛用于大直径高温合金机匣加工中。通过对刀具路径及刀具用量的程序设计，可以实现大直径高温合金机匣的高精度加工。在数控加工过程中，需要合理选择切削参数。对于大直径高温合金机匣的加工，通常采用五轴联动数控加工技术，可以实现复杂曲面的高效、精密加工。在五轴联动数控铣削时，刀具可以沿任意方向进行切削，避免了刀具与工件的干涉，提高了加工效率和精度。另外，五轴联动数控技术还能有效地减少夹具的数量，降低夹具的错误率，从而极大改善了机匣的制造品质。

（二）加工变形的控制

大直径高温合金机匣在实际生产中容易出现塑性变形的问题，严重地降低了零件的外形精度和表面质量。为此，有必要对其进行有效的加工控制。首先，要对加工顺序和走刀路线进行适当的规划。在切削时，要对基准曲面进行切削，然后再对其它曲面进行切削；先进行粗加工，再进行精加工；先对主表面进行处理，再对次表面进行处理。在保证加工精度的前提下，应选择合适的走刀路线，以降低加工过程中的切削力及切削热。其次，要对零件进行适当的热处理，以减少残余应力，改善零件的刚度。采用退火、淬火等热处理工艺，可以有效地降低零件表面的残余应力，从而改善零件的刚度和稳定性。

（三）高效切削技术的应用

高效切削技术是一种能有效地改善切削效果、减少切削费用的方法。在大直径高温合金机匣加工工艺过程中，可以采用高效切削技术来提高加工效率。其中，大进给量切削、干式切削都是高效切削技术。大进给量切削能有效地改善加工效果，减少加工费用，但在加工过程中要兼顾切削力与耐用度。干式切削能有效地减少切削液用量，减少环境污染，但也要有针对性地采取措施来降低切削温度和刀具磨损。对大直径高温合金机匣加工，应结合具体情况选用适当的高效切削技术。比如，在粗加工时，为了改善切削效果，可以使用大进给量切削；在精加工阶段可以采用干式切削来提高加工精度和表面质量。

三、大直径高温合金机匣加工工艺的优化方法

（一）合理划分加工阶段

大直径高温合金机匣的加工过程应合理地划分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个阶段。（1）粗加工阶段：此阶段的主要任务是去除大部分余量，为后续加工提供基础。在大直径高温合金机匣的加工中，粗加工不仅要求快速去除材料，还要确保加工面的初步平整，为后续工序创造有利条件。（2）半精加工阶段：在半精加工阶段，需要为主要表面的精加工做准备，并完成次要表面的终加工。这一阶段的目标是进一步减小加工余量，提高加工面的精度。（3）精加工阶段：精加工阶段是大直径高温合金机匣加工中的关键环节。此阶段要求确保各主要表面达到图纸要求的精度和表面质量。通过采用高精度的加工设备和工艺参数，实现机匣的精密加工。（4）光整加工阶段：光整加工阶段是对精加工后的机匣进行进一步的表面处理和优化，以获得更高的表面质量和尺寸精度。这一阶段通常采用抛光、研磨等方法，确保机匣表面达到最终要求。

（二）优化切削参数

切削参数包括切削速度、进给量、切削深度等，它们直接影响切削过程中的切削力、切削温度、刀具磨损以及加工表面质量。优化切削参数可以显著降低切削力和切削温度。相关工作人员可以通过实验研究和理论分析相结合的方法，建立切削参数优化模型。设计多因素多水平正交实验，系统研究切削速度、进给量、切削深度等参数对切削力、切削温度、刀具磨损、表面粗糙度和加工硬化的影响。接着，根据实际情况和优化目标，选择合适的优化方法，如试验法、有限元分析法或智能优化系统等。再按照选定的优化方法，进行实验或模拟，收集相关数据。对收集到的数据进行分析，建立切削参数优化模型。最后根据模型结果，调整切削参数，直至达到优化目标。

（三）选用高性能刀具

在选择高性能刀具时，首先要考虑的是刀具的切削性能、可靠性和精度。切削性能是影响高温合金机匣工作效率与使用年限的重要因素，而可靠性和精度则直接关系到加工零件的质量。在粗车加工阶段，要选用具有高切削强度和高耐用度的刀具。如具有 80^∘ °顶角的 CNMG 或具有 90^∘ °顶角的SNMG 刀片，它们与高温合金的加工性能相适应。另外，陶瓷车刀也是粗车和半精车加工中的理想选择，其高速加工能力能够显著提高加工效率。而在精加工阶段，应避免使用直径很小的刀具进行所有部位的加工，因为这样的刀具加工效率非常低。正确的做法是针对零件的不同性能，选择合适的刀具，以达到更好的效果。与球面切削相比，带底刃圆角的铣刀加工效率更高，因而被广泛应用于精加工领域。

（四）采用辅助支撑

辅助支撑在机匣加工中主要起到增强零件刚性、抵抗切削变形的作用。对于大直径高温合金机匣而言，由于其尺寸大、壁薄，加工过程中容易受到切削力和热应力的影响，导致零件变形。通过增加辅助支撑，可以有效分散切削力，减少零件变形。辅助支撑的位置应根据机匣的结构特点和加工变形情况来确定。一般来说，应在可能变形较大或受力较大的部位增加辅助支撑。同时，支撑点的数量也应适中，过多会增加装夹难度，过少则无法有效控制变形。在实际操作中，可以通过有限元仿真等方法来预测加工变形情况，从而确定最佳的辅助支撑位置和数量。辅助支撑的类型多种多样，包括实心支撑、可调支撑、橡胶支撑等。在选择时，应根据机匣的材料、形状、尺寸以及加工要求等因素进行综合考虑。对于高温合金材料，应选择能够承受高温和切削力的支撑类型，支撑的表面应光滑、平整，以避免对机匣表面造成划伤或压痕。

四、结束语

综上所述，大直径高温合金机匣的加工是一项复杂而精细的工作。相关科研人员应深入研究高温合金材料的切削机理和加工特性，合理选择刀具，设计切削参数，优化加工顺序，加强冷却润滑，以此有效解决加工过程中的难点问题，提高加工效率。未来，随着制造技术的不断发展，大直径高温合金机匣的加工工艺将进一步优化，为航空发动机制造业的发展提供有力支撑。