網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體制造技術(shù)*

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 任 萍 楊秀娟 李 霞 張大威 李廣輝

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油溫度提高及推力矢量技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)加力筒體的耐高溫和強(qiáng)度、剛性要求進(jìn)一步提高。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體是航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室上的主要承力部件，前端連接發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)，后端連接矢量噴管部件，作為矢量噴管的基礎(chǔ)承力部件配合安裝矢量噴管的主要作動(dòng)機(jī)構(gòu)，并承受其載荷；作為發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)的輔助連接部件，提供與飛機(jī)（和地面臺(tái)架）的連接吊掛接口，并承受其安裝、機(jī)動(dòng)和噴管偏轉(zhuǎn)載荷。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體采用新型鈦合金TA12A，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)550℃；采用中厚板（6mm）筒形件深度化銑技術(shù)加工成的薄壁網(wǎng)格肋，滿(mǎn)足矢量噴口連接強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件輕量化和耐高溫目的，是一種新結(jié)構(gòu)、新材料、高強(qiáng)度、高性能的加力筒體。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體由前、后安裝邊、承力環(huán)、筒體前段、筒體后段及安裝座電子束焊接而成，最大內(nèi)徑超過(guò)φ1000mm，總高接近1100mm，零件外壁采用化銑技術(shù)加工成沿周均布的24條縱向加強(qiáng)肋及60°交叉的斜向肋，形成網(wǎng)格肋布局，化銑后筒體壁厚為（1±0.1）mm。筒體前段和筒體后段采用TA12A鈦合金中厚板（6mm）卷成筒，電子束焊接縱縫后將錐筒成形為錐-直筒形件。以筒體后段為例，錐筒大端內(nèi)徑φ965.8mm，小端內(nèi)徑φ890mm，直段長(zhǎng)度為82mm，錐筒總高為467.5mm，大端內(nèi)徑與小端內(nèi)徑半徑差是37.9mm，小端單邊成形量約10.8mm。單邊成形量大、成形范圍長(zhǎng)的6mm鈦合金異型錐筒件成形難度非常大。6mm鈦合金板材剛性大，常溫下冷彎時(shí)扇形料型面不好控制，若錐筒兩個(gè)扇形段型面偏差較大，同時(shí)保證錐筒兩條縱焊縫的對(duì)接間隙就非常困難。

之前，鈦合金化銑技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用僅局限于小型零件，如板片、油箱等減重部位，化銑深度不足3mm。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體化銑深度達(dá)5mm，如此大尺寸結(jié)構(gòu)件深度化銑，國(guó)內(nèi)尚屬首例，沒(méi)有成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。

可見(jiàn)，中厚板錐筒件縱焊縫電子束焊前間隙控制、大變形量錐-直筒復(fù)雜型面成形及大尺寸鈦合金筒形件深度化銑是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體制造的技術(shù)難點(diǎn)。

2 工藝方案

2.1 TA12A鈦合金材料

TA12A鈦合金是一種Ti-Al-Sn-Zr-Mo近α型熱強(qiáng)高溫鈦合金，是國(guó)內(nèi)自行研制，可在550℃下長(zhǎng)期工作的一種新型鈦合金，又稱(chēng)作Ti-55鈦合金[1]。90年代初TA12鈦合金曾在某航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制時(shí)進(jìn)行了試應(yīng)用[2]。TA12A是在早期TA12鈦合金基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，去掉了對(duì)焊接性影響較大的稀土元素Nd，增加了熱強(qiáng)元素Ta和Nb，使合金可焊性有了很大改善。TA12A鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。

2.2 TA12A鈦合金中厚板成形技術(shù)研究

2.2.1 大尺寸錐筒件縱焊縫電子束焊前間隙控制

表1 TA12A鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

要實(shí)現(xiàn)異型錐筒體成形，先要將扇形料冷彎后焊接成錐筒。TA12A鈦合金中厚板（6mm）錐筒件制造的技術(shù)難點(diǎn)主要是扇形料冷彎型面及兩條縱焊縫電子束對(duì)接間隙控制。由于6mm鈦合金板材剛性強(qiáng)，兩塊扇形料冷彎型面若不一致，定位焊接縱縫時(shí)難以矯正。因此，控制扇形料冷彎型面是保證兩條縱焊縫焊前間隙的前提。

采用三軸滾床冷彎扇形料，通過(guò)自制錐筒大端、小端型面測(cè)具，在冷彎時(shí)隨時(shí)檢測(cè)錐筒大端、小端輪廓。冷彎時(shí)每次彎曲量不宜過(guò)大，一旦彎曲量過(guò)大，導(dǎo)致錐筒直徑小于理論輪廓，難以修正。當(dāng)扇形料型面尺寸接近測(cè)具型面輪廓時(shí)，適當(dāng)減小彎曲變形量，增加檢測(cè)頻次，并重點(diǎn)控制扇形料兩側(cè)結(jié)合面附近的型面輪廓。由于三軸滾床冷彎扇形料時(shí)需要一定的壓緊邊，壓緊邊不能彎曲變形，因此在扇形料兩側(cè)直邊預(yù)留150～200mm余量作為三軸滾冷彎的壓緊邊，冷彎后從扇形料中心向兩邊劃線，保證大端和小端弧長(zhǎng)，銑掉壓緊邊。銑加工扇形料兩邊結(jié)合面時(shí)應(yīng)確保銑削面與板料垂直，使大尺寸錐筒體母線長(zhǎng)范圍內(nèi)結(jié)合面對(duì)接間隙在0.1mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足電子束焊接要求。

2.2.2 TA12A鈦合金中厚板錐-直筒復(fù)雜型面成形

針對(duì)筒體后段直段成形量大（單邊成形量達(dá)10.8mm），選用局部氣脹成形工藝進(jìn)行成形，而錐筒單邊成形量不大于3mm，采用熱成型工藝進(jìn)行成形。設(shè)計(jì)了如圖1所示的氣脹成形和熱成形復(fù)合成形模具，對(duì)筒體后段不同部位進(jìn)行分別成形，一次完成復(fù)雜型面錐筒成形。

圖1 氣脹成形和熱成形復(fù)合成形模具結(jié)構(gòu)Fig.1 Compound forming die structure by gas bulging and hot forming

將錐筒套放在復(fù)合成形模具的外表面，錐筒小端內(nèi)表面放置氣囊，外表面套入氣脹成形模具的外壁，將復(fù)合成型模具放入氣脹成形爐中，加熱、通氣、成形。氣脹成形和熱成形復(fù)合成形工藝的成形過(guò)程為：當(dāng)加熱至零件熱成形溫度750℃時(shí)，熱成形模具的體積線膨脹量對(duì)筒形件內(nèi)表面施加壓力，使筒體錐段發(fā)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)錐段熱成形；繼續(xù)加熱達(dá)到零件氣脹溫度880℃時(shí)開(kāi)始向氣囊通氣，通氣后的氣囊不斷膨脹，將錐筒小端推向氣脹成型模具的外壁，實(shí)現(xiàn)對(duì)直段部分進(jìn)行氣脹成形。氣脹成形的加壓和保持時(shí)間為：0.1MPa，120s→ 0.2MPa，120s→ 0.5MPa，60s → 1MPa，300s→ 保 持1MPa壓力完成對(duì)直段氣脹成形，氣脹成形和熱成形復(fù)合成形后的筒體后段見(jiàn)圖2。

圖2 氣脹成形和熱成形復(fù)合成形的筒體后段Fig.2 Part by gas bulging and hot forming

采用氣脹成形和熱成形復(fù)合成形工藝，對(duì)筒體后段上直段和錐段分別進(jìn)行氣脹成形和熱成形，實(shí)現(xiàn)了大成形量異型錐筒件精密成形，筒體后段成形后的圓度達(dá)0.5mm。

2.3 TA12A鈦合金大尺寸筒體深度化銑技術(shù)

化銑是指將金屬材料需要加工的部位暴露于化學(xué)介質(zhì)中，使金屬材料有控制地均勻溶解，從而獲得零件所需的形狀和尺寸的一種加工方法。為了準(zhǔn)確地限定化銑部位，在零件化銑前必須進(jìn)行刻形。

2.3.1 三維激光柔性刻形技術(shù)

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體表面分布著縱斜交錯(cuò)的網(wǎng)格肋，網(wǎng)格肋與加力筒體上焊接的安裝座存在相對(duì)位置關(guān)系，在化銑凸座上要加工外部管路支架鉚接孔和隔熱屏固定孔，因此化銑前刻形對(duì)化銑肋的位置、尺寸有很大影響，在刻形過(guò)程中既要保證零件表面網(wǎng)格肋布局，又要確保加強(qiáng)肋及化銑安裝座的尺寸，刻形要精準(zhǔn)、高效、柔性。

化銑時(shí)腐蝕加工沿著防蝕層邊緣下面向著金屬內(nèi)部方向進(jìn)行，從而在防蝕層的邊緣下面形成一個(gè)寬度a（側(cè)蝕量）和一個(gè)半徑近似地等于銑切深度的圓弧R，浸蝕比（側(cè)蝕率）F就是側(cè)蝕量與銑切深度的比值，即F=a/R=a/b[3]，見(jiàn)圖3。浸蝕比是化銑工藝關(guān)鍵參數(shù)之一，影響化銑肋寬尺寸精度。加力筒體化銑時(shí)，不同方向上加強(qiáng)肋的浸蝕比是通過(guò)試驗(yàn)獲得的，并在模擬件上進(jìn)行驗(yàn)證和修訂。

圖3 化銑浸蝕比示意圖Fig.3 Schematic diagram of etching ratio in chemical milling

三維激光與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)零件MBD模型采點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)格肋各方向不同的化銑浸蝕比數(shù)值，編制激光刻形程序，并結(jié)合實(shí)際零件形狀進(jìn)行軌跡補(bǔ)償修正，在零件外表面涂膠層上完成三維激光刻形。激光刻形時(shí)肋寬度是在零件化銑肋寬度尺寸上增加單向或雙向側(cè)蝕寬度a后確定。即雙側(cè)化銑時(shí)刻形肋寬L=L1+2×a，單側(cè)化銑時(shí)刻形肋寬L=L1+a，其中L1為設(shè)計(jì)圖上肋寬尺寸，側(cè)蝕量a等于該方向肋浸蝕比與該處化銑深度乘積。圖4是激光刻形示意圖，圖5是化銑后試片。

2.3.2 大尺寸筒體深度化銑技術(shù)

通過(guò)化銑工藝試驗(yàn)研究，獲得了TA12A鈦合金化銑工藝。然而實(shí)際零件化銑時(shí)，仍然面臨很多難題。

圖4 激光刻形示意圖Fig.4 Schematic diagram of carving shape by laser

圖5 化銑后未剝離膠膜的試片F(xiàn)ig.5 Test piece with adhesive film after chemical milling

首先是加力筒體不同位置化銑尺寸控制?；姴垡翰煌疃茹娗兴俾什煌?，大尺寸錐筒形件化銑時(shí)同一表面不同深度化銑速率存在較大差異，影響化銑尺寸精度。為解決這一技術(shù)難題，化銑時(shí)筒體通過(guò)轉(zhuǎn)具在化銑槽液中作定時(shí)正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)化銑槽液作攪拌運(yùn)動(dòng)，加速化銑液向相界擴(kuò)散和腐蝕產(chǎn)物（氣泡）的剝離，促使整個(gè)化銑槽液溫度均勻，實(shí)現(xiàn)筒體不同位置化銑表面與化銑液充分接觸，達(dá)到筒體全位置盡可能均勻化銑。筒體的轉(zhuǎn)速、正反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、槽液攪拌速度都是通過(guò)試驗(yàn)確定的。目前加力筒體化銑時(shí)每隔10～15min調(diào)整一次轉(zhuǎn)具轉(zhuǎn)動(dòng)方向，筒體在化銑槽液中約40s轉(zhuǎn)動(dòng)一周，化銑后筒體化銑肋寬尺寸公差滿(mǎn)足±0.5mm要求?；姵叽缈刂瓢ɑ娎邔挸叽绾突姾蟊诤癯叽缈刂疲姳诤癯叽缬绊懸蛩剌^復(fù)雜。目前這些工藝措施只能在一定程度上減少化銑壁厚不均勻性趨勢(shì)，要實(shí)現(xiàn)大尺寸、多安裝座錐筒體化銑壁厚均勻性控制還需要不斷探索。

其次是化銑時(shí)膠膜的翹曲和滲漏問(wèn)題。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體化銑深度達(dá)5mm，屬于深度化銑，零件在化銑槽液中浸入時(shí)間長(zhǎng)，保護(hù)膠膜翹曲和滲漏的可能性增大。一旦膠膜滲漏，化銑液滲漏到膠膜內(nèi)，保護(hù)部位將被化銑，即出現(xiàn)過(guò)銑（圖6）。加力筒體承力環(huán)上有連接作動(dòng)筒的A8、A9安裝座及發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)連接的吊掛座，這些都是承力連接部位，一旦這些部位出現(xiàn)過(guò)銑，將降低構(gòu)件連接強(qiáng)度。

為此，在化銑涂膠前對(duì)筒體前段和承力環(huán)部位進(jìn)行輕吹砂處理，增加膠膜與零件表面的附著力。激光刻形時(shí)保證膠膜刻透，避免局部膠膜未刻透，膠膜剝離時(shí)對(duì)保護(hù)層邊緣撕扯，造成膠膜邊緣松動(dòng)，在后續(xù)化銑時(shí)化銑液沖刷造成剝離、翹曲。同時(shí)，化銑時(shí)每隔20～30min將零件取出，檢測(cè)化銑零件保護(hù)膠膜是否完好，測(cè)量化銑表面壁厚尺寸，發(fā)現(xiàn)保護(hù)膠膜翹曲、起層、滲漏，或零件出現(xiàn)過(guò)銑，及時(shí)補(bǔ)涂保護(hù)膠膜。當(dāng)化銑表面壁厚尺寸接近工藝要求尺寸時(shí)，檢測(cè)時(shí)間縮短，根據(jù)化銑零件狀況，及時(shí)調(diào)整化銑時(shí)間。

圖6 化銑零件過(guò)銑示意圖Fig.6 Schematic diagram of over-milling

通過(guò)上述措施，有效控制了大尺寸鈦合金錐筒件不同部位的化銑肋尺寸一致性，并解決了深度化銑時(shí)保護(hù)膠膜翹曲和滲漏難題。

3 結(jié)果分析與討論

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體采用TA12A鈦合金新材料、化銑新工藝，增加了制造技術(shù)難度。通過(guò)開(kāi)展相關(guān)研究，選擇合理的工藝路線，解決了TA12A鈦合金中厚板（6mm）的異型錐筒體復(fù)雜型面成形、精準(zhǔn)刻形、大尺寸鈦合金錐筒體深度化銑的肋寬精度控制等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了整體薄壁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體制造。但由于技術(shù)水平制約，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)“酒杯肋”二次化銑，同時(shí)受零件結(jié)構(gòu)和板材壁厚均勻性影響，化銑后零件壁厚均勻性存在差異，零件超重較普遍。

3.1 化銑零件的壁厚均勻性

化銑加工是以零件的原始表面為基準(zhǔn)，沿著零件表面去除余量的過(guò)程。因此，化銑零件剩余厚度的偏差由兩部分構(gòu)成：一是化銑加工過(guò)程中所產(chǎn)生的偏差。化銑時(shí)不同加工面上的銑切速率不同，導(dǎo)致銑切深度有了差異，盡管化銑時(shí)采取了零件定時(shí)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)、化銑槽液攪動(dòng)等措施，盡量減小化銑速率差異，但由于錐筒零件結(jié)構(gòu)、筒體上焊接安裝座對(duì)化銑液的“阻擋”，筒體不同位置化銑不均勻性仍存在，影響化銑壁厚尺寸。二是化銑前原材料壁厚偏差的影響。如果化銑前筒體壁厚不均勻，化銑后剩余壁厚也會(huì)不一致，因此化銑對(duì)板材壁厚公差及板材壁厚均勻性要求較嚴(yán)格。筒體化銑后壁厚不均勻，是導(dǎo)致零件超重的原因之一。筒體化銑前壁厚均勻性及大尺寸、多安裝座錐筒體化銑壁厚均勻性控制，是整體薄壁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)加力筒體制造中需進(jìn)一步解決的難題。

3.2 “酒杯肋”化銑

考慮到“工字梁”良好的受力狀況和化銑構(gòu)件的減重需求，化銑肋截面設(shè)計(jì)成“酒杯”形，如圖7所示。而一次刻形化銑后化銑肋截面圖如圖8所示?！熬票摺毙枰M(jìn)行二次化銑才能實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)二次化銑，首先要能在一次化銑后的筒形件上實(shí)現(xiàn)二次刻形。二次刻形應(yīng)能保證與一次化銑后的肋側(cè)邊有很好的一致性，刻形設(shè)備應(yīng)具有動(dòng)態(tài)軌跡跟蹤反饋功能，可以在三維曲面上自動(dòng)搜索并定位刻形邊緣位置，實(shí)時(shí)引導(dǎo)激光頭實(shí)現(xiàn)激光刻形。同時(shí)二次刻形還要考慮機(jī)械、光束、軌跡等干涉問(wèn)題。

圖7 化銑肋設(shè)計(jì)截面圖Fig.7 Design sectional drawing of chemical milling rib

圖8 化銑肋實(shí)際加工截面圖Fig.8 Actual sectional drawing of chemical milling rib

4 結(jié)論

（1）采用氣脹成形和熱成形復(fù)合成形工藝，實(shí)現(xiàn)TA12A鈦合金中厚板（6mm）大尺寸錐筒形件復(fù)雜型面一次成形。

（2）依據(jù)零件三維模型和試驗(yàn)獲得的TA12A鈦合金材料軸向、周向、斜向和安裝座周邊浸蝕比數(shù)值，結(jié)合三維激光數(shù)字化技術(shù)，編制三維激光刻形程序，解決TA12A鈦合金大尺寸錐筒件網(wǎng)格肋精準(zhǔn)刻形，實(shí)現(xiàn)化銑刻形柔性化。

（3）采用零件在化銑槽液中定時(shí)正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)等多種工藝措施，實(shí)現(xiàn)TA12A鈦合金大尺寸筒形件網(wǎng)格肋深度化銑加工，解決化銑肋寬尺寸精度控制難題，有效避免承力部位過(guò)銑。

[1] 《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).鈦合金銅合金(第4卷).北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2002.

[2] 郝傳勇，李正林，毛先鋒. Ti-55M高溫Ti合金焊縫塑性的改善 .金屬學(xué)報(bào)，2001，37(7)：709-712.

[3] 金蕾,李荻.鈦合金化學(xué)銑切及電化學(xué)加工.稀有金屬材料與工程，1989(2)：66-71.