航空发动机机匣零件加工变形与控制研究

赵永辉  朱英男  崔海琴

摘要：近年来，我国的航空行业有了很大进展，为了提高航空发动机机匣装配精度和效率，利用增强现实设备的高保真交互特性，对航空发动机多级机匣装配进行实时可视化引导装配。本文首先分析航空发动机机匣分类及特点，其次探讨航空发动机机匣零件加工变形的控制策略，为新一代航空高端装备齿轮传动研发提供了理论方法和软件工具。

关键词：航空发动机；机匣零件；加工变形；控制

引言

附件机匣齿轮传动是航空发动机的关键基础部件，主要由功率提取装置和动力传动机构组成。典型的传动方式为通过锥齿轮啮合传动获取发动机主轴动力输入，经由多级平行直齿轮传动系统，驱动排列在机匣前、后两侧的发动机附件。随着高端航空装备向高功率密度、高推重比、低油耗方向发展，航空发动机齿轮传动系统需要满足恶劣服役工况下高速、重载、高可靠、轻量化等多项性能指标，此外，航空发动机及部组件设计研发周期也进一步缩短，传统依赖经验公式与零散软件程序的设计模式难以满足新一代高端航空传动装备的数智化高效设计和应对复杂国际局势的需求。

1航空发动机机匣分类及特点

机匣是整个航空发动机的基座，在发动机中发挥着不可替代的作用。航空发动机机匣完整结构包含静子叶片和机匣本体。机匣作为航空发动机重要的承力部件，承受着由温差引起的热载荷和气体负载、质量惯性力。航空发动机为了实现减重增效的目标，通常将机匣设计为薄壁回转结构，属于典型的薄壁零件。航空发动机机匣外形结构复杂，对于发动机不同部位而言，机匣结构形式各不相同，但基本上是圆锥形或者圆筒形的壳体。按照航空发动机机匣的结构形式，分为箱体机匣和环形机匣。环形机匣又分为对开式环形机匣、整体式环形机匣和带整流支板的环形机匣三种类型。下面对各种结构形式的航空发动机机匣特点进行阐述。（1）箱体机匣。该类机匣毛坯多为砂型铸造镁合金，具有刚性差、壁薄等特点。箱体机匣主要是双速传动壳体、附件机匣等。（2）对开式环形机匣。对开式环形机匣呈圆锥体或圆柱体状，一般带有纵向安装边。该类机匣外表面有支撑台、限位凸台、异形凸台、各种功能凸台和加强筋；内表面有T型槽及螺旋槽或环形槽。对开式环形机匣主要是压气机机匣。（3）整体式环形机匣。整体式环形机匣呈圆锥或圆柱状，由机匣壁和前、后安装边组成。该类机匣外表面有凸台、环带和加强筋；内表面有环形槽、螺旋槽、圆柱环带。整体式环形机匣主要有燃烧室机匣、涡轮机匣、风扇机匣等。（4）带整流支板的环形机匣。带整流支板的环形机匣由空心整流支板、外环、内环组成，具有铸造结构和焊接结构。该类机匣外表面有安装座和平面等；外环上有连接孔、定位孔；内环端面有螺栓孔；内外环壁有径向孔。带整流支板的环形机匣主要有扩散机匣、中介机匣、进气机匣等。

2航空发动机机匣零件加工变形的控制策略

2.1多级机匣装配增强现实交互

多级机匣装配增强现实基于可见光摄像机、红外摄像机、(ToF)深度传感器、加速度计、陀螺仪、磁强计等高精度传感器进行操作。增强现实设备基于Windows Holographic操作系统进行操作，具有六自由度位置跟踪和空间感知能力，能够对机匣装配环境进行精准感知。MRTK软件模块能够实现机匣装配场景扫描，并将视场环境附着上三角面片。虚拟的空间射线与人的手势相结合，可以控制机匣装配增强现实空间中的近距离、远距离所有的虚拟模型。大视野的显示板用于为人眼提供机匣增强现实全息数据，头部相关传递函数(HRTF)技术用于为装配操作人员提供语音控制、以及设备交互等声音。语音识别、手势识别、虹膜识别等功能模块嵌套在增强现实设备系统中。交互步骤：多级机匣装配的装配策略是实现增强现实引导装配。引导装配的核心是将虚拟模型映射到实际的多级机匣装配过程中，并同步预测和分析装配特性。为了实现多级机匣装配特性的预测，需要获得每个单个机匣的轮廓数据。一般来说，每个单个机匣的轮廓数据可以通过大型同轴度测量仪获得。

2.2元件设计模块

依托于本文所提出的元件设计体系，采用高扩展性的模块式软件设计架构，开发元件设计模块，以支撑齿轮传动系统关键元件的精细化设计，并基于该模块易扩展的架构特点，满足附件机匣元件设计方法、评价体系逐步成熟完善的发展需求，快速更新迭代，响应航空装备重大需求下附件机匣不断提高的设计要求。模块基于设计方法流程进行逻辑布局，并利用模块化的软件架构，为后续功能添加与完善提供高自由度的软件接口，涵盖齿轮、轴系、轴承、连接件、密封件的元件设计子模块。针对附件机匣齿轮传动设计需求，可实现圆柱齿轮、锥齿轮、塑料齿轮承载能力强度校核，并根据齿轮服役特点，提供基本工程参数查询、传动效率及供油量、啮合间隙、油膜厚度、滑动率和齿顶厚等齿轮性能评价指标计算功能。轴系设计模块集成轴的刚度、临界转速、扭转变形、强度及许用不平衡量计算功能。其它元件则根据各自设计需求开发关键指标设计模块，包括轴承选型与强度校核、连接件强度计算、密封件结构设计等。

2.3传动系统多目标优化

应用软件的系统多目标优化模块，确定目标函数、设计变量以及约束条件，设置算法迭代次数、种群数量、影响因子等模块参数，启动运行内核程序，导入基于启发式搜索获取的给定数量初始种群进行迭代寻优。齿轮传动优化目标重量与薄弱环节安全系数评价指标持续提升，逐步收敛至前沿优化解，且始终保持迭代种群的多样性，凭借模块高灵活性可操作特点，权衡时间成本与极致优化效果需求，以确定是否终止迭代优化。

2.4切削工艺参数优化

机匣零件在切削加工阶段，刚度处于最差状态，切削产生的切削力、残余应力均与切削参数密切相关。不合理的切削参数会增大切削力、残余应力，从而引起让刀变形。为了避免让刀变形，应在保证切削加工效率的前提下，通过切削工艺参数优化，减小切削力，有效控制切削让刀变形问题。（1）切削力控制。对于切削力大小的有效控制，可采取提高切削速度、减小切深和进给率等策略。由于切削热会随着切削速度的提高而增加，而 TC4材料具有导热性能差的特点，因此应合理控制切削速度，避免切削热影响风扇机匣外环的表面质量。（2）残余应力控制。在不同的切削参数下，残余应力一般分布在风扇机匣外环加工表面 0.3mm 以内的范围。因此，风扇机匣外环切深应尽量控制大于0.3mm。

2.5增强现实辅助是发动机机匣装配的优秀解决方案

随着数字孪生等先进工业概念的兴起，增强现实技术有望解放更多发动机装配产能，例如将发动机的测量和装配过程作为一个新的维度连接起来。未来的工作应将增强现实应用于发动机生产和制造的整个过程。

结语

航空发动机机匣零件属于薄壁型结构，其加工质量直接由加工变形问题决定。机匣多边并联加载装置能够广泛运用于航空发动机复杂构件的静强度试验，研究结果对机匣强度试验加载设计有极强的指导意义和参考价值。但研究中未考虑加载装置实际安装中的铰点位置误差，加载精度可以进一步提高，后续还需要对安装误差补偿做进一步研究。

参考文献

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