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大型薄壁铝合金零件温度补偿技术
Dec 12, 2012  来源:  作者:中航工业沈阳黎明航空发动机 闫龙

      航空发动机作为飞机的心脏,是集尖端设计技术和尖端制造技术于一身的高精密机械体,故每个发动机零件都受严格的尺寸和技术条件控制,能否检测准确真实的反映加工情况同样重要,铝合金由材料自身具备质轻,易加工等多个优点被越来越多的应用于航空领域,但具备优点的同时铝合金也受到加工自身温度变化和外界环境温差等因素影响检测的真实值,通过数据积累和实践应用得出温度补偿技术,从而解决温度对铝合金加工和检测的影响。

 

      1 零件加工背景和问题

 

      零件加工背景

 

      本文中主要以美国普惠公司(Pratt &Whitney Group )铝合金零件为例进行论述,大型薄壁铝合金零件是指零件直径在φ700-1500mm 或更大直径,壁厚在2.184-3.04mm之间,零件结构多半封闭型面,该类零件多为发动机机匣外罩或低压压气机外套,由于零件壁薄易变形,所以对加工和检测要求都极其严格。例如PW2000 机型的低压压气机5级环罩,轮廓以曲面为主,最大外径尺寸φ820mm, 高66.116mm, 型面壁厚2.667 ±0.127mm,技术条件最严要求为0.05mm(见图1)。

 

  

 

      1.2 问题

 

      零件加工时刀具和数控程序经过验证完全适合加工,加工过程中测量值与加工情况相符,加工后测量值也符合工艺要求,但零件进入最终产品检测得出的结论却与加工过程中检测的结论有很大差异,这个差异往往造成零件超差甚至报废。

 

      2 温度补偿技术

 

      2.1 影响因素

 

      经过分析,得到铝合金受外界环境温度影响热胀冷缩,影响是多方面的:

 

      首先,零件在加工中零件表面被冷却液冷却而零件内部温度仍然很高,所以零件会有所膨胀,测量值并不真实;

 

      其次,加工后过程检验在加工现场室内温度不固定的情况下检测和最终在检验室常温温度20 摄氏度环境下检测的结论都会受温差的影响产生误差;

 

      第三,现场加工过程中使用的标准件材质大多为工具钢,膨胀系数0.0000117 远低于铝合金的0.0000225,所以在同一环境下二者的变形量不同,利用标准件(在室温下检测并标刻的实际值) 检测零件也会产生测量误差导致零件最终超差。

 

      2.2 温度补偿技术

 

      温度补偿技术的引入就是针对铝合金零件在加工过程中检测和产品最终检测等环节中零件本体内外温差,零件与检测标准件间温差及零件所在环境间温差造成零件检测差异的补偿,确保产品检测结论的真实性和准确性。针对这些因素,我们对零件现场加工后检测数据进行记录,并使用红外线测温仪对零件和标准件温度进行测量记录,之后再与零件进入标准室温(20℃±2℃)的检验室检测的数据进行对比,经过反复的数据对比和分析找了零件直径尺寸受温度影响的主要原因:零件加工过程中产生的大量切削热虽然被铝削带走,同时也有冷却液对零件进行冷却,但加工中测量是与加工穿插进行的,零件温度不会立即降到测量用标准件的温度,这样的测量得到的并不是零件真实值;另外一个次要因素是生产厂房温度,经过长期的生产经验厂房的温度在夏季与冬季也存在一定温差,也会影响零件测量的真实值。并且我们从不同零件和尺寸的数据对比来看,零件自身直径越大,这种误差也越大。

 

      通过对数据的对比分析,我们建立了一个零件测量直径尺寸,零件温度值,测量用标准件温度值,零件膨胀系数和标准件材质膨胀系数对直径测量变化量之间的函数关系:

 

      S=(C1-20*B1-(C2-20)*B2)*L

 

      S:直径的变化量/C1:零件温度/B1:零件的膨胀系数/C2:标准件的温度/B2:标准件的膨胀系数/L:测量直径的尺寸根据上面的公式,现场加工中零件的直径尺寸应该为L+S,当S 为负值时,零件的直径尺寸会变小,当S 为正值时零件的尺寸会变大。

 

      2.3 温度补偿表

 

      由于温度有一个变化范围,操作工人不可能在每次测量后都进行一次繁琐的计算,为了方便直接应用,随时查看变化量,我们专门制作了一个EXCEL 表格,称为温度补偿表,表格里面编辑了计算需要的每个元素以及计算公式。当输入不同的直径数值时,相应的变化量是不一样的。标准温度为20℃,当零件温度和标准件温度都是20℃时,零件的尺寸不会发生变化。

 

      温度补偿技术实际应用

 

      我们还以开篇提到的零件实际加工中应用温度补偿变进行补偿为例,零件1B6755 型面点外径尺寸为φ725.75±0.127mm,其温度补偿表如下:

 

  

       

      当标准件温度为22℃,零件温度为23℃时,零件实际尺寸为φ725.75+0.032

 

      上表中标准件温度、零件温度、零件的膨胀系数和标准件的膨胀系数为固定值,零件尺寸为输入值。

 

      有了温度补偿表大大方便了温度补偿技术在实际加工中的应用,条件允许的情况下,最好采用精度为0.5℃的温度测量计。标准件的温度测量完成后就可以通过表格查找出直径的变化量。然后根据变化量补偿加工零件。温度补偿技术可以全面应用于大型薄壁铝合金类零件的加工和检测中。

 

      经验总结

 

 

      铝合金加工与温度补偿技术的配合应用,保证了在各种环境中使用不同材质测量工具都能得到真实的测量值。关键点就在于准确的测量温度,测量时要保证温度稳定后再去补偿,因为零件表面温度并不是整个零件真实温度的表现,加工热大部分集中于零件内部,温差测量后要做的就是准确的测量了。这样技术的应用大大的提高了大型薄壁铝合金零件的加工质量,并得到了很好的推广应用,航空领域零件的设计水准正在不断提高,也同样对加工行业提出了更高的要求,不断探索新的加工技术是保证高精尖产品完美交付的基础。

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