自由渦輪二級(jí)導(dǎo)向器精密鑄造工藝研究

常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司（江蘇 213022）黃 凱

渦軸6系列發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)裝機(jī)使用的自由渦輪二級(jí)導(dǎo)向器（Z6.45.200）毛坯葉型是有余量的，在加工過(guò)程中需對(duì)葉片及通道進(jìn)行拋磨。該鑄造模具自渦軸6發(fā)動(dòng)機(jī)研制以來(lái)一直使用至今，期間經(jīng)過(guò)了多次修理，致使葉型拋光余量越來(lái)越大，且因葉型扭曲加工后幾何公差超差較多；同時(shí)由于加工余量較大，使得鑄造表面的致密細(xì)晶層被去除，對(duì)其使用性能是不利的。經(jīng)公司研究決定利用某型機(jī)研制平臺(tái)，開展葉型無(wú)余量的自由渦輪二級(jí)導(dǎo)向器的應(yīng)用研制。

1.蠟型制作工藝選定

由于葉片為無(wú)余量，葉片型面的輪廓度公差±0.13mm，葉片排氣邊公差為+0.13-0.05mm，原有的葉型尺寸是在原有設(shè)計(jì)葉型的基礎(chǔ)上增加鑄造余量，然后通過(guò)拋光加工的工藝來(lái)保證葉型的尺寸公差。要想通過(guò)鑄造獲得葉型與設(shè)計(jì)圖樣相符的精密鑄件，關(guān)鍵在于要制造出高精度的蠟型（見圖1）因此蠟型的成形十分重要。

圖1 導(dǎo)向器蠟型

現(xiàn)有的整體葉盤蠟型成形方法主要有三種：鋼體活塊法、單體葉片蠟?zāi)Ｅc盤體組合法、可溶性芯塊整體成形法。

（1）鋼體活塊法 優(yōu)點(diǎn)：鑄件尺寸精度高，生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn)：模具設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)，制造費(fèi)用高，且受鑄件結(jié)構(gòu)的限制。

（2）單體葉片蠟?zāi)Ｅc盤體組合法 優(yōu)點(diǎn)：模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造費(fèi)用低。缺點(diǎn)：組合夾具精度要求高，組合采用蠟型焊接和膠合法連接，工序較復(fù)雜，受環(huán)境及人為因素影響較大。

（3）可溶性芯塊整體成形法 優(yōu)點(diǎn)：模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造費(fèi)用低，精度高，受環(huán)境影響小。缺點(diǎn)：生產(chǎn)率低。

經(jīng)分析比較，我們選取了第三種方案，這種方法關(guān)鍵是芯塊模具及芯塊組合模具的設(shè)計(jì)。

2.蠟型模具的設(shè)計(jì)與制作

由于葉片為無(wú)余量，葉片型面的輪廓度公差±0.13mm，葉片排氣邊公差為+0.13-0.05mm，精度要求較高。葉型及通道部分是靠芯塊形成，收縮率給定的正確與否直接影響鑄件的尺寸精度，由于該葉片扭角較大，最初葉型收縮率仍按單體葉片收縮法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于該葉片在整個(gè)盤上分布相對(duì)于葉盤坐標(biāo)系的位置度的公差為0.4mm，因此葉片的均布要求很高，芯塊組合后不允許發(fā)生位移。

（1）芯塊模具 為了保證芯塊組合后不發(fā)生位移，芯塊采用精密定位銷定位（見圖2、圖3）替代原WZ6.45.200模具活塊組合定位結(jié)構(gòu)（見圖4）。

圖2 帶雙定位銷芯塊

圖3 芯塊模具組合

圖4 原有芯塊模具組合

考慮到葉片葉型主要由芯塊精度保證，因此對(duì)芯塊精度要求較高，為了保證芯塊的精度，需對(duì)芯塊模具的設(shè)計(jì)及制造采取比較高的精度，參考現(xiàn)有的加工水平，我們對(duì)芯塊模具的4塊型腔板的定位均采取了雙精密定位銷定位，定位銷孔加工都由慢走絲加工保證，均布控制在±0.02mm之內(nèi)，孔徑尺寸控制在±0.01mm。雖然較原有活塊結(jié)構(gòu)相比生產(chǎn)進(jìn)度稍慢，但可以消除操作上的人為誤差，保證了尿素芯塊的精度。

由于整體模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為芯塊組合形成葉片型腔，因此需要考慮組合時(shí)的間隙。芯塊在芯塊組合模具上組合，由于組合面為曲面，因此芯塊模具在組合面上的加工要求較型面更高，型面公差應(yīng)控制在0.02mm之內(nèi)，否則會(huì)造成芯塊組合后在蠟型壓制過(guò)程中由于受力不均導(dǎo)致偏擺，最后導(dǎo)致葉型產(chǎn)生偏差，最終影響蠟型精度。

（2）芯塊組合模具 芯塊組合時(shí)由組合模具保證組合精度，這就要求芯塊組合模具有較高的精度。我們對(duì)該模具設(shè)計(jì)采用雙精密定位銷定位結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)要求定位銷孔位置度0.01mm，定位銷孔徑公差要求±0.01mm，定位銷孔加工都由慢走絲加工保證。蠟型模的起模方式，由原模具的部分頂起改為直接放入水中將尿素型芯溶化，直接獲得蠟型，減少起模時(shí)由于傾斜導(dǎo)致的蠟型變形。芯塊組合模具底板如圖5所示。

圖5 芯塊組合模具底板

3.主要工藝及參數(shù)

（1）芯塊的制作 國(guó)內(nèi)常用的水溶性型芯主要有尿素、聚乙二醇為基加填料等。我們選用原有的成熟的尿素工藝。該材料具有成本低、收縮率小、強(qiáng)度高、能夠自由澆注等特點(diǎn)。但由于尿素易吸濕，使用時(shí)需重熔后澆注，澆注溫度應(yīng)控制在133～136℃，制芯工作間濕度應(yīng)盡量小，這樣制得的芯塊表面較光潔，一定程度上有利于保證葉片的精度及表面粗糙度。制作完成后的芯塊應(yīng)抽取10%進(jìn)行葉型計(jì)量，葉型輪廓度公差應(yīng)小于0.03mm。制作完成后的芯塊應(yīng)注意密封保存，防止吸潮。使用前還需對(duì)芯塊表面進(jìn)行檢查，若表面存在吸濕或劃痕等缺陷的芯塊，則不允許使用。

（2）蠟型的壓制 選用的蠟料及蠟型的壓制工藝參數(shù)參照原有余量毛坯，壓蠟環(huán)境溫度控制在（24±4）℃，模具溫度25～30℃，蠟液溫度為60～66℃，壓力為0.5～0.7MPa，保壓時(shí)間5min，蠟型脫芯溫度控制在25～32℃，芯塊水溶完畢后，蠟型放在專用的托板上，以防止變形。

按以上工藝壓制的蠟型通道尺寸見附表。葉型經(jīng)三坐標(biāo)計(jì)量，符合預(yù)定收縮尺寸要求。

自由渦輪二級(jí)導(dǎo)向器通道蠟型尺寸 （mm）

（3）蠟型組合 由于無(wú)余量毛坯的整體結(jié)構(gòu)與有余量毛坯基本一致，故蠟型組合采用的澆道仍為原用的爪型澆道結(jié)構(gòu)?？紤]到無(wú)余量葉片葉型較原有的厚度減薄可能會(huì)導(dǎo)致澆注過(guò)程中欠鑄，因此適當(dāng)?shù)貙?duì)主澆道高度加高、直徑加粗，以增加澆注充型過(guò)程中的壓力和單位面積的鋼液流量。

（4）制殼 葉片表面獲得均勻細(xì)晶將有助提高葉片的抗熱疲勞和燃?xì)飧g性能。因此采用表面涂料涂掛鋁酸鈷細(xì)化晶粒工藝，考慮到無(wú)余量葉片表面粗糙度的要求，我們采用優(yōu)質(zhì)剛玉粉作為耐火材料，其余各層沿用原有余量制殼工藝。

（5）合金熔煉及澆注 由于葉片為無(wú)余量葉片，因此葉片部分的冶金質(zhì)量較原有要求更嚴(yán)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，過(guò)去冶金報(bào)廢主要原因是由于葉片中夾渣超標(biāo)，因此在金屬熔煉過(guò)程中應(yīng)特別注意控制，否則合格率就很難得到保證。

我們主要是通過(guò)以下途徑提高鋼液質(zhì)量：①采用優(yōu)質(zhì)的母合金，母合金使用過(guò)程中嚴(yán)格控制一次縮孔情況。②嚴(yán)格控制回爐料加入量，且加入前嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行重熔、篩選。③盡量采用在較高的真空度下進(jìn)行熔煉。④由于真空澆注是采用坩堝直接澆注，我們把坩堝澆注口設(shè)計(jì)了擋渣包，以利于盡量減少非金屬夾渣流入模殼。

考慮到葉片排氣邊較薄，最薄處僅0.9mm，且受設(shè)備的限制，鋼液需先進(jìn)行熔化，然后模殼轉(zhuǎn)移至爐膛內(nèi)進(jìn)行澆注，此過(guò)程模殼溫度下降很快，因此澆注過(guò)程中極易產(chǎn)生欠鑄。為了保證模殼在澆注時(shí)還具有較高的溫度。模殼經(jīng)造型裝箱在950℃焙燒保溫2h后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移澆注。

根據(jù)航空材料手冊(cè)介紹，K406C澆注溫度為1450～1470℃。我們結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，首次采用在1460℃進(jìn)行澆注，真空度控制10-2MPa以上，澆注速度一般≤3s。

（6）清理 由于葉片較薄，且考慮到鑄態(tài)的整體葉盤熱應(yīng)力較大，采用傳統(tǒng)的振動(dòng)清殼有一定的風(fēng)險(xiǎn)，清理可能會(huì)導(dǎo)致葉片應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生裂紋或裂紋萌生源，特別是裂紋萌生源無(wú)損檢查也無(wú)法檢查，最終可能會(huì)導(dǎo)致零件提前失效，因此我們先采用手工法去除外面模殼，然后將主澆注系統(tǒng)切除，隨后對(duì)鑄件進(jìn)行固溶處理，使鑄件熱應(yīng)力基本釋放，隨后再采取機(jī)械振殼加手工清除的方法清除模殼。

4.檢測(cè)

（1）尺寸檢測(cè) 按照上述工藝生產(chǎn)出來(lái)的首批毛坯未發(fā)生欠鑄現(xiàn)象，表面粗糙度也基本滿足設(shè)計(jì)圖樣要求，葉型尺寸經(jīng)計(jì)量檢測(cè)基本符合圖樣要求（除個(gè)別點(diǎn)超出公差），但中環(huán)及外環(huán)通道尺寸超差，與設(shè)計(jì)圖樣相比超差了1mm，分析認(rèn)為這主要是由于增加了主澆道尺寸，鑄件在冷卻時(shí)補(bǔ)縮量較原來(lái)略大，只需要通過(guò)對(duì)芯塊模具通道進(jìn)行修整即可。

（2）理化及無(wú)損檢測(cè) 化學(xué)成分、力學(xué)性能、X射線、熒光、金相等檢查項(xiàng)目，按照YJ（R）-044-1987技術(shù)要求進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)有兩件符合要求。

（3）修模 經(jīng)過(guò)修改后的模具按以上工藝再次澆注出來(lái)的毛坯尺寸及幾何公差已基本滿足圖樣要求（除個(gè)別點(diǎn)超出公差）。

（4）試加工及考核 鑄件完成后，選取合格件進(jìn)行試加工，除個(gè)別尺寸超差，其余均滿足設(shè)計(jì)圖樣要求，并順利通過(guò)首件鑒定及裝機(jī)前工藝評(píng)審。工藝評(píng)審后，該零件順利裝機(jī)參與了某型機(jī)研制過(guò)程中的摸底試車、長(zhǎng)期考核試車、三高試飛等一系列考核，順利通過(guò)了鑒定。

5.結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)以上工藝研制，突破了利用傳統(tǒng)設(shè)備研制無(wú)余量整體葉盤精密鑄件的技術(shù)瓶頸。

（2）解決了原有余量毛坯金屬材料利用率低、拋光余量大，以及葉型不均勻等問(wèn)題，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）利用該工藝生產(chǎn)的葉型無(wú)余量的自由渦輪二級(jí)導(dǎo)向器滿足某型機(jī)研制的要求。