（中国航发沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司辽宁省沈阳市110043）
摘要：大型钛合金精铸机匣的加工其变形控制主要控制的就是应力，在零件的整个生产过程中需要控制的应力有毛料铸造应力、车加工应力，铣加工应力、钻孔应力、夹具装夹应力、装配应力。加工应力控制得当零件尺寸精度就会很好，否则就会出现严重的超差，甚至影响到发动机性能。
关键词：大型精铸机匣变形控制应力钛合金
0引言
随着钛合金材料在航空发动机上的广泛使用，钛合金机匣也逐步地多了起来，并且日趋复杂化，大尺寸化，铸件结构应用的增多给该类机匣的加工带来了诸多的难题，其材料属难加工材料，零件本身尺寸精，形位公差严，在加工过程中其变形控制就成为保证机匣加工质量的重中之重。
零件介绍
1.1、零件材料
根据不同机匣在工作中的使用要求，设计选材也不近相同，其中TC4是国外为了改善钛合金的高温性能，以便扩大钛合金在喷气发动机上的使用范围而发展起来的一种α+β型或近α型，也有称“超α”型的钛合金。其化学成分和力学性能见下表。
材料特性:
（1）强度及热强度高，钛合金密度小，强度高，热稳定性号，高温强度高，在300-500℃温度下，其强度约比铝合金高10倍。
（2）抗蚀性好，钛合金在潮湿大气和海水介质中工作，起抗蚀性优于不锈钢，对点湿、酸湿、应力腐蚀的抵抗力很强，对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优越的抗腐蚀能力，但钛对具有还原性及鉻盐介质的抗腐蚀能力差。
（3）化学活性大，钛的化学活性大，与大气中的O、N、H、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应，当含C量大于0.2%时，会在钛合金中形成TiC，温度较高时与N作用，也会形成TiN硬质表层，在600℃以上，钛吸收O，形成硬度很高的硬化层，H含量上升，会形成脆化层。
（4）导热性差，钛导热系数约为Ni的1/4,Fe的1/5，铝的1/14,而各种钛合金的导热系数更低，一般约为钛的50%，如ZTC4仅为0.019
（5）弹性模量小，比重轻，熔点高，常温回弹大，无磁性等特点。
1.2零件的结构
钛合金机匣是钛合金精铸件，由外环、内环、支板以及分流环组成。，其主体结构为外环、内环和支板整体铸造，内外环由6处支板连接结构，是发动机承力系统的主要部件。机匣止口的精度非常高，例如中介机匣上和高压前机匣联接的止口，圆跳动为0.02mm，端面跳动0.015mm。同时中介机匣上还有大量的作动筒安装座、滑油管安装座、漏油管安装座等大量的安装座。这些安装座的定位精度也很高，例如附件机匣的安装座孔的位置精度为Ф0.03mm，垂直度精度为0.03mm。
2控制要点分析
2.1毛料铸造应力
产生原因：①大型精铸机匣因其直径大，重量大，多采用离心浇注的方法进行，浇注后的零件变形大，为保证零件尺寸多采用校型的方法进行恢复，校型就不可避免的使零件本身存有大量应力。②因毛料较大，壁厚薄，多型腔，很难一次铸造合格，或零件本身就有工艺孔，导致补焊次数多，毛料变形严重，焊接应力大，加工过程中释放。
控制方法：控制毛料的铸造应力主要是提高冶金水平，采用合适的铸造方法，改变在零件上留工艺孔后补焊的做法，采用热等静压等方法控制冶金缺陷，减少补焊量，由于这个控制过程较为漫长，所以目前主要考虑合理安排浇冒口，毛料补焊后的热处理，酸洗去除零件表面的硬化、脆化层，在毛料入库后进行自然失效等。
2.2加工应力
加工应力产生原因：有钛合金材料本身特，所以要求加工设备功率大，刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3—3/4，可是切屑与前刀面的接触面积却更小(只有45钢的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容易磨损；钛合金摩擦因数大，而热导率低(分别仅为铁和铝的1/4和1/16)；刀具与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。
2.2.1车加工应力
产生原因：铸件经过最后的酸洗吹砂等处理后，ZTC4温度较高时与N作用，也会形成TiN硬质表层，在600℃以上，钛吸收O，形成硬度很高的硬化层，H含量上升，会形成脆化层。零件表面压应力的硬化层，在车加工掉硬化层后，铸件内部应力向外释放。
2.2.2铣加工应力
产生原因：铣加工是机械加工产生应力较大的加工方法，由于机匣上有大量安装岛屿的加工及非圆形的安装边的加工，铣加工是不可避免的，由于钛金属在高温下仍能保持其硬度和强度，因而切削刃会遭遇高作用力和应力，再加上切削区中产生的高热，就意味着很可能出现加工硬化，这会导致某些问题产生，特别是不利于后续切削工序。
2.2.3钻孔应力
产生原因：机匣作为连接体，安装边上的孔的数量很大，而完整的安装边钻孔后会出现明显的渐变式的变形，这是因为通常钻孔的方式为从0度角向基准开始，顺时针或逆时针顺序钻孔，钻孔同时破坏了零件内部本身的应力平衡，导致渐变变形的出现。
控制方法：
主要是安排粗加工与精加工之间的间隔尽可能的长；采用合金刀具进行加工，选择锋利的刀具；使用钛合金专用冷却液；等方法减少加工切削热，减少刀具加工中对零件的压应力对产生的变形。
通过合理安排车铣的顺序，通过“插铣粗加工”(有时也称钻入式粗切)方法，使用一个套装铣刀，仿佛沿Z轴钻孔一样，由刀具的端齿与侧齿，共同按汇编好的加工程式，进行搭接式加工。虽然数控编程的难度较大，但是加工方法却很有效，加工效率也较高，排屑也方便，大大减少切削过程中产生的切削热。同时为避免切削热的产生选择高性能的冷却液是不错的选择。
在钻孔的时候采取对点钻孔，至少钻4孔（减少空走刀的时间，保证加工效率），将应力对点释放，然后顺时针或逆时针钻全部孔，使得安装边应力较均匀的释放，保证了安装边的精度及孔的位置度要求。
2.3夹具装夹应力
产生原因：作为结构复杂的机匣精铸件，夹具的使用大大方便了零件的加工，同时，也给零件的加工带来了装夹应力的问题，每次装夹，每个工人的加工，夹具的装夹力量的大小都有所差异，导致零件加工时尺寸合格，松开夹具时局部变形超差。
控制方法：为控制装夹应力，在拧紧的时候采用限力扳手，保证装夹力量的均匀，并对辅助支撑的部位采用限力螺钉，保证在辅助支撑刚好支撑住零件，且不会对零件产生压应力。使压紧及松开状态下零件状态尽量保持一致。
2.4装配应力
产生原因：机匣作为连接体，由于部分结构刚性不够，装配后也会引起零件的变形。
控制方法：而消除装配应力的方法是根据装配关系，让零件模拟装配状态进行加工或将某些尺寸改在组件中加工，减少装配应力的影响，保证装配的顺利，提高发动机的性能。
3结论
影响铸件加工后零件的变形因素众多，只有把每个因素都落实，才会出精品零件。目前对零件的加工应力研究较多，而对零件的装配应力及铸件本身的应力研究较少，今后这两方面的应力形成及消除是研究的重点。