重型燃機(jī)燃燒室過(guò)渡段制造技術(shù)及應(yīng)用

中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（遼寧 110043）劉春偉 吳會(huì)萍 楊樹(shù)余

燃機(jī)燃燒室過(guò)渡段是引導(dǎo)燃?xì)饬黧w轉(zhuǎn)接過(guò)渡零件，是將燃燒室火焰筒出口的圓形截面過(guò)渡為透平導(dǎo)葉前的扇形截面，通過(guò)改變截面形狀，使氣流通道截面積收斂到一定程度而達(dá)到渦輪進(jìn)口截面要求的軸向流速，進(jìn)行燃機(jī)燃燒室后部高溫燃?xì)庹鳎ぷ鳒囟燃s為900～1100 ℃。因此，過(guò)渡段零件設(shè)計(jì)上既要保證零件截面由圓形到扇形盡可能平滑過(guò)渡，降低阻流損失，還要保證零件型面截面積收斂速度適當(dāng)，能夠改善出口流場(chǎng)均勻性。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，燃燒室過(guò)渡段是由一組按固定角度排列的截面輪廓線(xiàn)被一條貫穿所有輪廓中心的順滑斜中心線(xiàn)串連成的異形筒體。零件是由圓形截面的進(jìn)氣口和扇形方口截面的出氣口組成，中間由過(guò)渡截面按照各自固定的角度在斜中線(xiàn)上排列，最終形成一個(gè)完整的燃?xì)饬魍ǖ?。因形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，型面變化劇烈，厚度變化大，難以保證剛度及熱強(qiáng)度，在高溫?zé)釠_擊條件下易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，成為燃燒室結(jié)構(gòu)中降低使用壽命的薄弱環(huán)節(jié)。而且，燃機(jī)功率不同，燃燒室尺寸亦不相同。這就導(dǎo)致過(guò)渡段零組件的加工工藝較為復(fù)雜，技術(shù)難度高，型別間差異也較大。

1.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

過(guò)渡段組件是形狀復(fù)雜焊接殼體的零件，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由4個(gè)主要零件和6個(gè)小零件焊接而成。這些零件有鈑金件、機(jī)加件及精密鑄件，零件材料有N263、FSX-414、L605及HAST X，焊接所需焊絲有B50A783和B21B111，在組合件上焊接的焊縫有13條，焊縫總長(zhǎng)約3.2 m，每條焊縫都需分3層焊接。焊縫密度大、變形大，這就導(dǎo)致過(guò)渡段零組件的加工工藝較為復(fù)雜、技術(shù)難度高、型別間差異也較大。過(guò)渡段基體材料為N263，厚度為4.78 mm，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件型面變化劇烈，型面的輪廓度為2.0 mm，沖壓成形困難，容易出現(xiàn)褶皺和減薄的現(xiàn)象。過(guò)渡段的外套材料為不銹鋼，零件型面復(fù)雜且型面上要求加工474孔，孔的位置度1.5 mm。由于零件型面復(fù)雜，且孔內(nèi)不允許有重熔層，因此，孔加工方案確定及加工成為難點(diǎn)。

圖1 過(guò)渡段組合件UG模型

2.盒型沖壓拉伸技術(shù)的應(yīng)用

采用“上下分型沖壓成形上下半部、再組合焊接”的總體工藝方案，工藝設(shè)計(jì)接近國(guó)際先進(jìn)水平。圖2所示為過(guò)渡段的分型UG模型。通過(guò)對(duì)不同型別過(guò)渡段特性尺寸的分析研究，建立了沖壓成形模具結(jié)構(gòu)選型預(yù)案，以毛料受力分析為基礎(chǔ)，預(yù)設(shè)3種結(jié)構(gòu)方案：自由彎曲結(jié)構(gòu)、帶壓邊彎曲結(jié)構(gòu)和拉深結(jié)構(gòu)。與產(chǎn)品分型特點(diǎn)相適應(yīng)，設(shè)計(jì)出行程限位裝置、壓料限位塊等部件，突破了半部沖壓成形技術(shù)。

如果過(guò)渡段脊線(xiàn)的起伏較大，“波谷”進(jìn)一步加深，即使采用帶壓邊的彎曲結(jié)構(gòu)，也不能完全消除堆積褶皺。此時(shí)需采用盒形拉深校正結(jié)構(gòu)，使毛坯在雙向拉應(yīng)力作用下變形、流動(dòng)，最后“鐓死”貼模。比較而言，此結(jié)構(gòu)更容易控制毛料流動(dòng)變形，可以獲得較理想的沖壓件，但因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和變形工藝的需要，毛料四周均需較大的工藝余量，材料利用率顯著降低。對(duì)過(guò)渡段而言，“拉深工藝”與“帶壓邊的彎曲校正工藝”在模具結(jié)構(gòu)上無(wú)實(shí)質(zhì)區(qū)別，差別僅在于毛料縱向尺寸的大小——毛料足夠長(zhǎng)，沖壓后能夠在方、圓口兩側(cè)形成側(cè)壁便是“拉深”，否則就是“彎曲”。

圖2 過(guò)渡段上下分型UG模型

圖3所示是過(guò)渡段上半部的典型成形模具，其壓邊圈的結(jié)構(gòu)采用的是曲面結(jié)構(gòu)，與焊接結(jié)合線(xiàn)的形狀類(lèi)似，此種結(jié)構(gòu)可較好地解決成形過(guò)程中的毛坯“懸空”問(wèn)題，因其分型面的形狀基本與過(guò)渡段的“脊線(xiàn)”一致，成形前，在減振力的作用下首先對(duì)坯料進(jìn)行了預(yù)彎，這樣可實(shí)現(xiàn)縱向全型面同步進(jìn)行變形，避免懸空區(qū)聚料現(xiàn)象。

3.空間型面檢測(cè)技術(shù)

過(guò)渡段半部成形后的零件為中空零件，且形狀復(fù)雜，無(wú)法經(jīng)簡(jiǎn)單測(cè)量進(jìn)行評(píng)定。設(shè)計(jì)制造專(zhuān)用的測(cè)量支架（見(jiàn)圖4），以零件兩端內(nèi)型面做間斷式線(xiàn)接觸支撐，消除因零件型面局部異形可能產(chǎn)生的偏差，同時(shí)以工藝孔做零件定位（成形時(shí)產(chǎn)生工藝窩，經(jīng)加工后形成工藝孔）。以測(cè)量支架圓口支板上的定位銷(xiāo)及方口支板為基準(zhǔn)，將定位銷(xiāo)軸線(xiàn)與零件型面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖4所示的坐標(biāo)系。如此建立的三坐標(biāo)測(cè)量用坐標(biāo)系，與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)一致。

對(duì)零件21個(gè)截面進(jìn)行逐一掃描。進(jìn)行每個(gè)截面掃描前需按設(shè)計(jì)圖標(biāo)定的截面位置、角度進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即將三坐標(biāo)掃描原點(diǎn)移至被測(cè)截面的幾何中心。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)掃描獲得的點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)不能直接進(jìn)行零件輪廓評(píng)定。需使用記事本、Excel、AutoCAD等應(yīng)用軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，生成截面的掃描圖形，將其與相應(yīng)的理論截面圖粘貼在一起進(jìn)行尺寸比較、判定（見(jiàn)圖5）。圖5中白色線(xiàn)條為零件截面理論輪廓，綠色線(xiàn)條為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成的實(shí)測(cè)截面形狀。

4.空間結(jié)合面的激光加工技術(shù)

過(guò)渡段焊接結(jié)合面為空間曲面，且零件為鈑金薄壁件。由于零件特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此加工中無(wú)法對(duì)零件進(jìn)行壓緊。零件在成形過(guò)程中，由于“回彈”而造成零件兩側(cè)的型面與理論的型面有很大的差異，因此，在加工結(jié)合線(xiàn)過(guò)程中會(huì)造成加工工具與零件出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象。在結(jié)合線(xiàn)加工過(guò)程中，由于零件自身的應(yīng)力，加工后零件會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形（每批有變化），因此，為了上下半部更好地配合到一起，加工中上下半部要同時(shí)加工，然后根據(jù)裝配情況，進(jìn)行程序上的微調(diào)。綜上所述，采用五軸聯(lián)動(dòng)激光設(shè)備加工結(jié)合面為最佳方案。

使用UG軟件，用point set功能在分型線(xiàn)上每3 mm生成一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)弧長(zhǎng)共產(chǎn)生256個(gè)點(diǎn)，將當(dāng)前坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成工作狀態(tài)的坐標(biāo)系。圖6所示為激光編程用UG模型。通過(guò)object→type→point對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析并生成文件，在word文件中編輯用于處理機(jī)器識(shí)別語(yǔ)言的宏程序，將其變成機(jī)器語(yǔ)言，編制出設(shè)備能識(shí)別的代碼。加工過(guò)程中通過(guò)激光設(shè)備五軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間型面切割。激光切割技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用極大地縮短了過(guò)渡段系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制進(jìn)度，并使之得以迅速轉(zhuǎn)入大批量生產(chǎn)。

圖3 過(guò)渡段上半部盒型拉深、校正模具簡(jiǎn)圖

圖4 三坐標(biāo)測(cè)量支架及坐標(biāo)系示意圖

圖5 掃描圖形與理論輪廓對(duì)比圖

5.空間曲線(xiàn)機(jī)械手焊接技術(shù)

按照?qǐng)D樣要求，過(guò)渡段分型面的焊接要求采用鎢極氬氣保護(hù)焊，單面焊雙面成型。開(kāi)始時(shí)我們采用手工氬弧焊，但工作效率低且零件焊透效果不好，焊縫寬度不均勻。通過(guò)引進(jìn)德國(guó)Cloos公司Robert450機(jī)械手焊接系統(tǒng)，采用人工智能新技術(shù)，對(duì)焊接部位進(jìn)行激光跟蹤，解決焊縫寬度均勻性及焊接合格率等問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成型。目前已完全掌握了空間曲面機(jī)械手自動(dòng)化焊接新技術(shù)，并已經(jīng)有能力加工所有型別的過(guò)渡段和過(guò)渡段外套及襯套組件，以及部分型別火焰筒及其外套等產(chǎn)品。

6.安裝邊整體鍛件加工技術(shù)

該技術(shù)產(chǎn)生的自由鍛成形方法是一種優(yōu)化的鍛造方法，能夠在普通鍛壓設(shè)備上立式成形，填補(bǔ)了鍛造行業(yè)的空白。利用此技術(shù)制造的整體鍛件，其金屬流線(xiàn)處于理想的連續(xù)且均勻分布狀態(tài)，零件的組織性較好，所實(shí)現(xiàn)的鍛件周廓均勻分布的完整流線(xiàn)是其他工藝方法不可比擬的。

安裝邊整體鍛件自由鍛成形工藝流程為：棒料→鐓粗、沖孔→擴(kuò)孔→單邊拔長(zhǎng)→扣角→整形→校型→預(yù)鍛→終鍛→去除毛邊、校正。

此技術(shù)與同類(lèi)產(chǎn)品制造技術(shù)相比，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約原材料及減少加工費(fèi)用等方面都有大幅度改善，其產(chǎn)品與原始產(chǎn)品相比，能夠節(jié)約原材料40%～60%，成本價(jià)降低50%以上。此項(xiàng)技術(shù)成果已獲得國(guó)家專(zhuān)利。

7.安裝邊斜孔電火花加工技術(shù)

電火花高速小孔加工除了要遵循電火花加工的基本機(jī)理外，還有別于一般的電火花加工方法，其主要特點(diǎn)是：①采用中空的管狀電極。②管狀電極中通有高壓工作液，以強(qiáng)制沖走加工蝕除產(chǎn)物。③加工過(guò)程中電極要作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以使管狀電極的端面損耗均勻，不致受到電火花的反作用力而產(chǎn)生振動(dòng)傾斜。由于高壓工作液能夠迅速?gòu)?qiáng)制將放電蝕除產(chǎn)物排出，因此，這種電火花加工的特點(diǎn)就是加工速度很高，一般電火花小孔的加工速度可以達(dá)到30～60 mm/min，比機(jī)械加工鉆小孔的速度要快。電火花高速小孔加工最適合加工直徑為0.3～3 mm左右的小孔，而且理論上深徑比可以超過(guò)200∶1。

通過(guò)研究電火花加工特性，結(jié)合安裝邊斜孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見(jiàn)圖7），經(jīng)試驗(yàn)、反復(fù)摸索加工參數(shù)，建立了一整套適應(yīng)各型別安裝邊斜孔加工的數(shù)據(jù)庫(kù)，如電極制造公差、導(dǎo)向器導(dǎo)向孔徑的磨損量、冷卻液電導(dǎo)率、內(nèi)冷卻水的壓力及電加工參數(shù)等，解決了小徑斜孔加工技術(shù)難題。

8.高壓水切割氣膜孔技術(shù)

水切割又稱(chēng)水刀、磨料水射流，是最近20年發(fā)展起來(lái)的加工技術(shù)，它可加工的材料范圍十分廣泛，能切割各種硬質(zhì)合金、金屬、硅酸鹽玻璃、陶瓷和大理石等材料。水切割的加工原理是：磨料與高壓水（水的壓力為380 MPa）首先進(jìn)行混合，形成高速水射流，以極高的速度經(jīng)聚焦管?chē)姵?，以一定的沖蝕動(dòng)能沖擊工件表面，由此引起材料局部表面形成高度應(yīng)力集中，產(chǎn)生沖蝕、剪切作用，直至材料失效而被去除。

圖6 編制激光切割程序用UG模型

圖7 安裝邊斜孔示意圖

燃燒室過(guò)渡段各型別過(guò)渡段外罩型面上有478～574個(gè)孔不等，從方口到圓口孔徑從φ（5.22±0.10）～φ（12.70±0.12）mm不等，所有孔位置度均為φ1.52 mm，表面粗糙度值為Ra=3.2 μm。如果采用機(jī)械加工方法加工，由于零件型面復(fù)雜、輪廓度較大，易造成零件與刀具碰撞而損傷設(shè)備，且加工時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)加工留下毛刺也很難去除。如采用特種加工方法加工，會(huì)造成零件帶有重熔層，這也是設(shè)計(jì)不能允許的。高壓水切割加工切削力小，且與激光切割設(shè)備相比，它屬于冷加工范疇，在加工過(guò)程中產(chǎn)生很少的熱量，不會(huì)影響加工區(qū)金屬的金相組織（即加工后沒(méi)有重熔層），加工表面沒(méi)有毛刺，表面粗糙度值可以達(dá)到Ra=3.2 μm，加工效率是機(jī)械加工效率的10倍。加工時(shí)使用的軟件為Surface Cam專(zhuān)用軟件，通過(guò)設(shè)備的五軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)零件的加工。圖8所示為其加工軌跡模擬示意圖。

圖8 水切割加工軌跡模擬示意圖

9.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)重型燃機(jī)過(guò)渡段的研制生產(chǎn)，建立了一套燃燒室過(guò)渡段加工工藝流程，掌握了過(guò)渡段加工的各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，解決了重型燃機(jī)燃燒室過(guò)渡段加工的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

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專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

文中所述重型燃機(jī)燃燒室過(guò)渡段為大型異形筒件，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度較大，在加工過(guò)程中使用了復(fù)雜型面沖壓拉伸成形、空間曲面檢測(cè)、激光切割、機(jī)械手空間曲線(xiàn)焊接、整體鍛件加工、斜孔電火花加工以及高壓水切割等多項(xiàng)加工技術(shù)，形成了一套完整的異形筒體加工制造方案，解決了大型異形筒體的加工難題，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為其他類(lèi)似零件的研制生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。