CN113982754B - 一种新型航空发动机多瓣非均匀性组合圆筒形机匣及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种新型航空发动机多瓣非均匀性组合圆筒形机匣，多瓣结构圆筒形机匣是将整个圆筒形机匣分设为三瓣及三瓣以上扇形机匣构成，根据静子叶片数量将机匣分瓣，将机匣分为非均匀多瓣，在机匣每瓣拼接处设有纵向安装边，多瓣机匣则为多对纵向安装边(机匣分为几瓣则有几对安装边)，纵向安装边结合面处要求着色检查连续不间断密接度≮85％，三瓣角度分别为三瓣角度(圆心角)分别为117°±4°，117°±4°，126°±8°，三瓣圆心角角度之和为360°；切割面即拼装面进行精铣保证85％以上的密接度的面积的接触；线切割采用的细丝的直径控制可以控制切割后拼接三瓣圆筒件的直径微小变小后的圆筒保证加工成合规尺寸的圆筒。

Description

一种新型航空发动机多瓣非均匀性组合圆筒形机匣及加工 方法

技术领域

本发明涉及航空发动机，具体涉及一种航空发动机多瓣结构圆筒形机匣加工方法。航空发动机拼装式圆筒机匣包括压气机机匣、气流涵道的外室机匣、涡轮或涡扇发动机的机匣。

背景技术

现有的航空发动机拼装式圆筒机匣多为对开式机匣，在特定非技术条件下对开机匣无法满足设计要求，由于受静子叶片级数(往往是多级且每级的机匣圆周的叶片分布数量不同，因在锥筒或带弧线的机匣上)以及叶片数量差异化影响造成无法对半分瓣的机匣；航空发动机是飞机的核心部件,而机匣整个发动机的基座，是航空发动机上的主要承力部件。航空发动机机匣多采用钛合金、高温合金等耐高温、难切削材料，且由于加工精度要求高，当前航空发动机机匣采用车削+铣削的方法进行加工，为了保证圆度，采用车削机匣筒体的内、外圆以及与前后机匣对接的径向安装边。

CN201910773815一种航空发动机拼装式圆筒机匣的加工方法是本申请人的在先发明：采用筒形坯件(热处理完成)，按需求的筒形外轮廓均采用车削工艺制备成筒形件，筒壁厚度(包括端面)留有厚度加工余量0.5毫米以上，先用0.1毫米以下直径的线切割丝过筒形件的中心轴对筒形件切割成三瓣的两个半筒即三瓣式机匣坯，两个半筒的切割面即拼装面进行精磨，精磨完成后两个半筒拼装成一个微椭圆圆筒时并起码用二个标定钢圈固定后置于大直径车床并固定在车床(镗床、多轴铣床)主轴，二个标定钢圈内衬标尺片，其中两个半筒的切割面处标尺片厚度薄于垂直于切割面处标尺片厚度0.05-0.1毫米，用于调节拼装成一个圆筒时的以标定钢圈轴线与车床的轴线同轴，车削圆筒的内外表面起码1/5长度后达到预定尺寸后，再将车削部位作为固定在车床主轴再车削其它的不到4/5的圆筒长度的内外表面，使所有圆筒的长度均达到预定尺寸，最后在外型面铣加工需要的形面。

所述优化切削参数为：线速度，100～120m/min；切深，25～30mm；切宽，0.3～0.5mm；进给量，500～800mm/min。切深等于刀具刃长，切宽等于刀具直径的3％～5％。本发明的核心是先割半筒再成型全圆筒，且将两个半筒的切割面处精磨成型，并密闭保护其切割的平滑成型面。

以上方案主要是采用余量成型方法，能够保证最后车加工的圆筒机匣的圆度，但在加工过程中的夹具调节比较费时费力，调节精度也会受到人工干预的影响，如果调节精度不够，会对产品质量有很大的影响(调节拼装成一个圆筒时的以标定钢圈定位偏移时，筒壁的厚度不均匀性超过一定限度时会直接使产品报废)；由于以上余量成型方法实质上是对椭圆加工，车加工有受力的不均匀性，对固定钢圈的受力较大，此外，在机匣内安装时有新的要求，总体上机匣在安装时工艺要求高，因为留下的空间间隙很小，安装效率不高，易碰撞，改成三瓣拼装式圆筒机匣就极有意义。

机匣作为航空发动机中重要的承力部件(外壳，是发动机与飞机机体连接的固定件)，在发动机工作时，承受气体负载和质量惯性力，还承受由温差引起的热载荷，是发动机的重要部件之一。三瓣式圆筒机匣为整体回转结构的载体，还需要有均匀加强筋的作用，本发明提出三瓣式圆筒机匣可以同时精确固定轴向的加强筋(轴向固定时可以通过螺栓的均匀加力固定)，对整个机匣的强度和精度均有更明显的促进。

机匣壁为薄壁的圆锥体，其上设有安装静子叶片用的安装孔及各种不同功用的径向测试孔以及测试安装座，由于静子叶片角向分布错落造成机匣无法分为对半结构，其分为对半结构后造成叶片安装孔非均匀性豁缺(见图2)，对结构强度及装配的可操作性造成影响，只能设计为非均匀多瓣结构。而且为了实现航空发动机减重增效，三瓣机匣采用薄壁结构，并在外壁面上增设了增加强度的环形加强筋。机匣材料多为钛合金、高温合金等难加工材料，导致机匣在实际加工中存在诸多问题，其中由于加工造成的应力变形难以控制最为突出。

发明内容

本发明目的是，提出一种更新的三瓣式机匣及制备工艺，能够制造出整圆度好、无变形，多个扇形柱块拼装的圆筒，拼装面的接触面积高，质量高且成本低，无压气机漏气等情况产生的机匣(柱形外筒或锥台形圆筒)。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型航空发动机多瓣非均匀性组合圆筒形机匣加工方法，多瓣结构圆筒形机匣是将整个圆筒形机匣分设为三瓣及三瓣以上扇形机匣构成，根据静子叶片数量将机匣分瓣，可以将机匣分为均匀多瓣或者非均匀多瓣，本发明针对非均匀分瓣机匣结构设计进行讲述(见图1)。多瓣结构圆筒形机匣与对开式机匣有异曲同工之处，其在机匣每瓣拼接处设有纵向安装边，对开机匣为两对对应的纵向安装边，多瓣机匣则为多对纵向安装边(机匣分为几瓣则有几对安装边，即加强筋)，纵向安装边结合面处要求着色检查连续不间断密接度≮85％，且由于纵向安装边的存在，机匣外壁面只能采用铣削的方式进行。纵向安装边数量的增加后，其加工难度相对于对半机匣来说呈成倍的增加。此机匣由于静子叶片角向分布错落造成机匣无法分为对半结构，其分为对半结构后造成叶片安装孔非均匀性豁缺(见图2)，对结构强度及装配的可操作性造成影响，只能设计为非均匀多瓣结构，三瓣角度分别为三瓣角度(圆心角)分别为117°±4°，117°±4°，126°±8°，三瓣圆心角角度之和为360°；其制备步骤如下，采用整体圆筒形坯件(经热处理完成)，按要求对圆筒机匣对筒形坯件的内、外轮廓采用车削及铣削工艺制备成环形件，机匣内、外环壁厚度(包括机匣前后两端面)均匀留有厚度2毫米以上的半精加工及精加工余量，用直径0.15毫米以下的线切割电极丝过环形件的中心轴对环形件切割分成三瓣机匣环柱坯，分别对三瓣机匣环柱坯的切割面即纵向安装边处安装结合面精铣，每对纵向安装边结合面上设有至少二个以上的定位销钉孔以及若干个螺栓孔用于后续拼接加工时进行固定限位，精铣完成后将三瓣环柱坯机匣坯用螺栓及销钉拼装成三瓣梅花状筒形坯件(图1)，拼装成环形机匣环的内外环壁面厚度上仍具有加工余量。

相对于本申请人在先CN201910773815一种航空发动机拼装式圆筒机匣的加工方法的发明使用标定钢圈固定后置于大直径车床主轴上来说，三瓣机匣在使用标定钢圈时无法有效的进行限位固定，且容易使机匣在使用标定钢圈造成受力不均易产生错位，使用定位销孔与螺栓使得机匣固定更稳固以及使其加工精度以及应力变形更加容易控制。组装后的机匣与车床的轴线同轴，车削机匣环内外壁面起码1/5长度后达到预定尺寸后，再将车削部位作为定位基准固定在车床主轴再车削其它的不到4/5的环形坯件长度的内外壁表面，使所有圆筒的长度均达到预定尺寸，最后在外壁面铣加工需要的型面以及各处纵向安装边。

设有了机匣的拼接处设纵向安装边，起到即可作为加强筋又是安装法兰的作用；将受静子叶片级数以及叶片数量差异化的影响造成无法对半分瓣的机匣设计成多瓣结构，可以降低设计难度，使确定分瓣切分位置更灵活。采用机匣本体所带纵向安装边进行固定装夹，减少工装使用概率，预防由于工装装夹造成的精度误差，使得其加工精度以及应力变形更易于控制。

有益效果：本发明方法的圆筒的精度和圆度均是通过数控车床主轴旋转来实现，圆度有保证，加工成本低，切割面即拼装面进行精铣保证85％以上的密接度的面积的接触；线切割采用的细丝的直径控制可以控制切割后拼接三瓣圆筒件的直径微小变小后的圆筒保证加工成合规尺寸的圆筒，加工完成后的圆筒的质量更高。航空发动机三瓣机匣筒形件完成的最后在外型面铣加工中仍持续采用了摆线走刀路径，但选择了小切深、大切宽、快进给的加工方法，有效提高了加工效率。本发明采用筒形坯料。并可以在接触面铣削加强筋，加工成本低，且具有较大的经济效益。本发明的三瓣式圆筒机匣为整体回转结构的载体，还需要拼装面两侧设有了纵向安装边，起到即可作为加强筋又是安装法兰的作用，本发明提出三瓣式圆筒机匣可以同时精确固定轴向的加强筋，对整个机匣的强度和精度均有更明显的促进。

本发明设计成多瓣结构，本发明特将机匣分为多瓣式机匣，机匣是由3个单个扇形角度120°左右又非均匀等分，拼接后可以构成360°圆柱(锥)体的扇形柱或锥体构成。纵向安装边拼接处结合面密接度要求着色检查连续不间断≮85％，即接触面平面的平面度要求极高，检验时甚至要求采用10-20微米厚的规尺是否能插入拼装面进行检验。以及要求机匣筒体的整圆度，整圆度≤50微米。

三瓣角度(圆心角)分别为117°±4°，117°±4°，126°±8°这样的角度范围能够进行角度的调整，从而能够适应多种带静压叶片安装机匣的结构，且主要加工两种规格的零件(117°±4°，117°±4°是相同的零件)，工作量不算增加很大，两种零件的精度控制基本相同也有利于零件的合规与良品率。，三瓣机匣对于静子叶片级数较多，叶片数量各异的机匣，降低设计难度，切分位置更灵活，在安装时远比对开式机匣效率高且不会损伤机匣内的转子。图2说明了本发明的优点。

附图说明

图1是本发明三瓣机匣装配图即装成圆筒机匣的结构示意图。

图2是本发明在分为对半机匣时易造成非均匀性豁缺的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，航空发动机拼装式圆筒机匣的形状上可以不是均匀直径的圆柱筒，筒上还有类似法兰盘的安装结构，圆筒机匣可能是喇叭形或中段具有部分圆台形或部分圆弧轮廓的筒形，采用整体圆筒形坯件(经热处理完成)，按要求对圆筒机匣对筒形坯件的内、外轮廓采用车削及铣削工艺制备成环形件，机匣内外环壁厚度(包括机匣前后两端面)均匀留有厚度2毫米以上的半精加工及精加工余量，用直径0.15毫米以下的线切割丝过环形件的中心轴对环形件切割分成三瓣机匣环柱坯，三瓣角度(圆心角)分别为117°，117°，126°，这样的角度机匣拼接后能够符合要求，分别对三瓣机匣环柱坯的切割面即纵向安装边处安装结合面精铣，精铣完成后将三瓣环柱坯机匣坯拼装成筒形坯件，每对纵向安装边上设有起码二个以上的定位销钉进行固定限位。并用标定钢圈固定后置于大直径车床主轴，拼装成环形机匣环的内外环壁面厚度上仍具有加工余量，标定钢圈轴线与车床的轴线同轴，车削机匣环内外壁面起码1/5长度后达到预定尺寸后，再将车削部位作为定位基准固定在车床主轴再车削其它的不到4/5的环形坯件长度的内外壁表面，使所有圆筒的长度均达到预定尺寸，最后在外壁面铣加工需要的型面以及各处纵向安装边。

将机匣设计为非均匀多瓣结构，分为三瓣，三瓣角度(圆心角)分别为117°±4°，117°±4°，126°±8°可以应付更大的三瓣机匣的有零件安装的范围，当然三瓣圆心角角度之和为360°(见图1)也是必须的。其制备步骤如下，采用圆筒形坯件(经热处理完成)，按要求对圆筒机匣对筒形坯件的内、外轮廓采用车削及铣削工艺制备成环形件，机匣内外环壁厚度(包括机匣前后两端面)均匀留有厚度2毫米以上的半精加工及精加工余量，用直径0.15毫米以下的线切割丝过环形件的中心轴对环形件切割分成三瓣机匣环柱坯，分别对三瓣机匣环柱坯的切割面即纵向安装边处安装结合面精铣，精铣完成后将三瓣环柱坯机匣坯拼装成筒形坯件，每对纵向安装边上设有起码二个以上的定位销钉进行固定限位。并用标定钢圈固定后置于大直径车床主轴，拼装成环形机匣环的内外环壁面厚度上仍具有加工余量，标定钢圈轴线与车床的轴线同轴，车削机匣环内外壁面起码1/5长度后达到预定尺寸后，再将车削部位作为定位基准固定在车床主轴再车削其它的不到4/5的环形坯件长度的内外壁表面，使所有圆筒的长度均达到预定尺寸，最后在外壁面铣加工需要的型面以及各处纵向安装边。

与CN201910773815一种航空发动机拼装式圆筒机匣的加工方法专利中所述的对半机匣在材料及结构存在较大差异，进一步将切削参数进行了优化，切削参数为为：线速度：35～45m/min；切深：1～2.5mm；切宽等于刀具直径的50％～70％；进给量：200mm/min。

本发明的核心是先割三瓣扇形角(圆心角)为非均匀的扇形柱块拼接后再成型筒形件，且将三瓣扇形柱块的切割面处精铣成拼接的平面型，并保护拼接的平面型加工成的平滑成型面。

本发明的多瓣式拼装圆筒机匣是由三瓣扇形角为非均匀的扇形柱拼装成的圆筒拼装(拼接)面两侧设有纵向安装边(均匀轴向加强筋兼作在外部安装的法兰)。

具体工艺如下：

010毛坯检查；020圆筒形坯的粗车：数控立车加工，保证前后安装边平面的平面度以及直径均留有后续精加工余量；030粗铣外形：采用数控卧铣，保证机匣外形各处壁面均留有后续精加工余量；040去应力热处理；050车线切割用基准定位面；060线切割分瓣；070车精铣用基准面及内腔面；080精铣纵向安装边处安装结合面；090钳修；100着色检查：连续不间断密接度≮85％，平面度≤0.02；110钻、铣零位孔；120拼装三瓣成筒体：确保每对纵向安装边上有二个以上的定位销钉进行固定限位；130车后端定位基准面；140半精车零件前端面及内壁面；150半精车零件后端面；160精铣零件外壁面；170人工时效处理；180车后端定位基准面；190精车零件前端面及内壁面；200精车零件后端面；210钻、铣后端面及周向各处安装孔；220钻、铣前端面及周向各处安装孔；230拆解三瓣；240钳修；250渗透检查；260喷涂涂层；270钳修喷涂过喷区域；280扩铣纵向安装边结合面处安装孔；280拼装三瓣成筒体：确保每对纵向安装边上有二个以上的定位销钉进行固定限位；290精车前端内壁定位面；300精车后端内壁定位面及涂层区域面；300钳修；310渗透检查；320着色检查；330最终成品检验；340清理防护入库。

其中040去应力热处理：室温装炉，到温后保温2h-3h,随炉空冷；050车线切割用基准定位面；060线切割分瓣；070车精铣用基准面及内腔面；080精铣纵向安装边处安装结合面：着色检查连续不间断密接度≮85％，平面度≤0.02；090钳修拼装三瓣成筒体：确保每对纵向安装边上有二个以上的定位销钉进行固定限位；半精车零件两端面及内壁面；精铣零件外壁面；精车零件两端面及内壁面。

坯料筒经旋压制备：先在强力数控旋压机上装夹模具，并涂抹润滑剂，之后将毛坯工件安装在模具上按设定的数控程序进行逐步旋压，得到壁厚δ及圆度控制在0.5mm以内的工件，对旋压后的工件进行固溶时效处理。固溶处理：炉温升至1010℃～1065℃，保温≥1h后空冷；时效处理：炉温升720℃，保温8h后,以55℃/h炉冷至620℃±5℃，再次保温8h后空冷。

本发明提供的任一技术手段进行替换或将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到新的技术方案。本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围，本发明的保护范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代技术方案以及本领域技术人员将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到的新的技术方案。

Claims (2)

1.一种新型航空发动机多瓣非均匀性组合圆筒形机匣的加工方法，其特征是，多瓣非均匀性组合圆筒形机匣是将整个圆筒形机匣分设为三瓣扇形机匣构成，根据静子叶片数量将机匣分瓣，将机匣分为非均匀多瓣，在机匣每瓣拼接处设有纵向安装边，多瓣机匣则为多对纵向安装边，纵向安装边结合面处要求着色检查连续不间断密接度大于等于85%，三瓣角度分别为三瓣角度分别为117°、117°、126°，三瓣圆心角角度之和为360°；

所述多瓣非均匀性组合圆筒形机匣的加工步骤如下：采用整体圆筒形坯件，按要求对圆筒形坯件的内、外轮廓采用车削及铣削工艺制备成环形件，环形件的内、外环壁厚度均匀留有厚度2毫米以上的半精加工及精加工余量，用直径0.15毫米以下的线切割电极丝过环形件的中心轴对环形件切割分成三瓣机匣环柱坯，分别对三瓣机匣环柱坯的切割面即纵向安装边处安装结合面精铣，每对纵向安装边结合面上设有至少二个以上的定位销钉孔以及若干个螺栓孔用于后续拼接加工时进行固定限位，精铣完成后将三瓣环柱坯机匣坯用螺栓及销钉拼装成三瓣筒形坯件，拼装成环形机匣环的内外环壁面厚度上仍具有加工余量；机匣外壁面采用铣削的方式进行；使用定位销孔与螺栓使得机匣固定更稳固以使其加工精度及应力变形能控制；组装后的机匣与车床的轴线同轴，车削机匣环形件的内外壁面至少1/5长度后达到预定尺寸后，将车削部位作为定位基准固定在车床主轴、再车削其它至多4/5的机匣环形件长度的内外壁表面，使所有圆筒形机匣的长度均达到预定尺寸，最后在外壁面铣加工需要的型面以及各处纵向安装边；

具体步骤如下：010毛坯检查；020圆筒形坯的粗车：数控立车加工，保证前后安装边平面的平面度以及直径，均留有后续精加工余量；030粗铣外形：采用数控卧铣，保证机匣外形各处壁面均留有后续精加工余量；040去应力热处理；050车线切割用基准定位面；060线切割分瓣；070 车精铣基准面及内腔面；080 精铣纵向安装边处安装结合面；090钳修；100着色检查：连续不间断密接度大于等于85%，平面度≤0.02；110钻、铣零位孔；120拼装三瓣成筒体：确保每对纵向安装边上有二个以上的定位销钉进行固定限位；130车后端定位基准面；140半精车零件前端面及内壁面；150半精车零件后端面；160精铣零件外壁面；170人工时效处理；180车后端定位基准面；190精车零件前端面及内壁面；200精车零件后端面；210钻、铣后端面及周向各处安装孔；220钻、铣前端面及周向各处安装孔；230拆解三瓣；240钳修；250渗透检查；260喷涂涂层；270钳修喷涂过喷区域；280 扩铣纵向安装边结合面处安装孔；280 拼装三瓣成筒体：确保每对纵向安装边上有二个以上的定位销钉进行固定限位；290精车前端内壁定位面；300精车后端内壁定位面及涂层区域面；300钳修；310渗透检查；320着色检查；330最终成品检验。

2.根据权利要求1所述的一种新型航空发动机多瓣非均匀性组合圆筒形机匣加工方法，其特征是，采用机匣本体所带纵向安装边进行固定装夹。