某型航空發(fā)動機導流環(huán)旋壓成形工藝研究

劉振崗，葉廣寧，張　玎，王占勇

(1.海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.海軍裝備部，北京 100036)

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某型航空發(fā)動機導流環(huán)旋壓成形工藝研究

劉振崗1，葉廣寧2，張玎1，王占勇1

(1.海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.海軍裝備部，北京 100036)

摘要：對于某型航空發(fā)動機導流環(huán)，由于尺寸精度高、成形工藝新等原因，具有較大的加工難度。為提高產(chǎn)品的合格率，經(jīng)過反復的理論計算和試驗加工，確定了成形工藝流程各環(huán)節(jié)工藝參數(shù)、工裝優(yōu)化參數(shù)，并改進了旋壓操作過程。結果表明，經(jīng)該工藝生產(chǎn)的零件，表面質量好，成形精度高，生產(chǎn)效率得到了顯著提高。

關鍵詞：發(fā)動機；導流環(huán)；旋壓成形；工藝

某型航空發(fā)動機導流環(huán)屬大型薄壁錐形成形件，材料為1Cr18Ni9Ti，壁厚為0.6 mm，要求零件尺寸精度高，幾何公差小，其結構如圖1所示。此類大直徑錐體導流環(huán)成形工藝流程為：旋壓→去應力退火→小端翻邊→液壓校形，由于旋壓、翻邊等成形工藝在國內(nèi)尚屬首次研制，因此，在型槽尺寸控制、零件表面質量穩(wěn)定等方面遇到極大挑戰(zhàn)，零件合格率一直比較低，一度成為制約型號研制進度的瓶頸。經(jīng)過大量的試加工摸索和推演計算，不斷調(diào)整和優(yōu)化加工工藝，最終確定了各環(huán)節(jié)工藝參數(shù)、工裝設計以及旋壓操作方法。

圖1　導流環(huán)結構圖

1旋壓工藝的制定

旋壓時，當毛坯材料的厚度確定后，合理選擇旋壓主軸的轉速和旋輪加壓力的大小，是制定旋壓工藝的2個關鍵因素。

1.1旋壓轉速和進給比的確定

若旋壓主軸轉速ω太低，進給比f過大，則旋壓過程不穩(wěn)定，坯料容易起皺；反之，則材料與旋壓輪接觸時間太長，容易過度輾薄。因此，應根據(jù)被旋壓材料的性能、厚度以及芯模的直徑，確定合理的轉速ω。不銹鋼鋼板(1Cr18Ni9Ti)旋壓拉深的轉速見表1。

表1　不銹鋼鋼板(1Cr18Ni9Ti)旋壓拉深的轉速

由于導流環(huán)毛坯直徑為648 mm，材料厚度為0.6 mm，經(jīng)過反復試驗摸索，選取最佳參數(shù)ω=500 r/min。

1.2旋壓力的確定

旋壓力是設計旋壓工藝、選擇旋壓機和設計模具的重要依據(jù)，旋壓力與坯料尺寸、材料力學性能、旋壓方式有很大的關系，很難用理論分析方法進行精確的計算；因此，常用經(jīng)驗公式進行近似計算。經(jīng)驗公式如下：

(1)

式中，mc為力學相似系數(shù)；mr為幾何相似系數(shù)。

一般取mc=1，由材料厚度0.6 mm、毛坯直徑648 mm以及轉速ω=500 r/min，查鈑金加工手冊得mr=5，一般對薄壁件的徑向分力Fr′=1 000 N，軸向分力Fl′=1 000 N，可推算出工件旋壓分力FR=FL=25×1 000=25 000 (N)=25 (kN)

2旋壓型面質量的控制

2.1型面表面質量影響因素分析

1)對于導流環(huán)屬大直徑薄壁件，以前錐形槽的旋壓加工較少，缺乏相關的技術積累和加工經(jīng)驗，在旋壓錐形槽時，錐體大小端先后進料順序和大小只能預估，先鋒批科研件加工時預估小端進料較大，故規(guī)范規(guī)定大端留20 mm，小端留15 mm余量，后在實際旋壓錐形槽時發(fā)現(xiàn)大端先接觸滾輪進料，而小端進料較小，因此，大端在旋壓錐形槽時容易因為余量不足而出現(xiàn)抽料起皺現(xiàn)象，影響旋壓型面的表面質量。

2)大、小端壓板壓緊力不均勻，導致旋壓過程毛坯攢動不同，造成形槽有明顯壓痕，不符合質量要求。

3)旋壓工裝(如模胎的轉接R)不合理，且制造精度低。

2.2解決方法

1)增加大端余量。有了前期的經(jīng)驗和現(xiàn)場實際抽料起皺程度，將零件毛坯增加10 mm修邊余量，同時，重新計算零件毛坯高度L0，按下式確定：

(2)

式中，L是變形區(qū)母線的長度，單位為mm；ΔL是切邊余量，單位為mm；δ是毛坯切向最大伸長率，其計算公式如下：

(3)

式中，dmax是膨脹后的最大直徑，單位為mm；d0是毛坯原始直徑，單位為mm，其計算公式如下：

(4)

式中，K是膨脹系數(shù)。

導流環(huán)變形區(qū)母線的長度L為51.4 mm，切邊余量ΔL=20+15+10=45 (mm)，最終可求得零件毛坯高度L0=L(1+0.4δ)+ΔL=51.4(1+0.4×0.26)+45=101.5 (mm)。

通過重新確定的零件毛坯高度，就可以有效保證大、小端旋壓進料的均衡，從而杜絕抽料起皺現(xiàn)象，確保零件旋壓型面的表面質量。

2)改進操作方法，細化操作過程，控制壓緊方式。零件旋壓表面質量除了確定精確的旋壓參數(shù)外，對零件整個操作過程都應進行嚴格的控制。經(jīng)過長期的總結與摸索，對整個操作過程的具體要求梳理如下。

a.裝配前控制。用丙酮和脫脂棉將工裝型面、壓板、操作工具及零件毛坯進行徹底擦拭清理；在零件和工裝型槽端面涂抹潤滑油，防止零件壓傷或劃傷。

b.裝配中壓緊控制。壓板端面增加橡膠薄層;用塞尺或透光法檢查上、下所有壓板與零件面的間隙，確保旋壓同步進料；用限力扳手控制所有壓板夾緊力，確保壓緊力均勻一致，防止零件在旋壓過程中局部撕裂。

c.找正。用塞尺、卡尺、目視透光控制旋輪與模胎兩側間隙；根據(jù)材料厚度和型槽深度推算，用卡尺進行復檢；啟動模擬行程，數(shù)顯驗證對刀數(shù)據(jù)。

d.旋壓過程控制。旋壓過程以計算確定的轉速和進給，從小到大逐步提高；旋壓過程中定時添加潤滑油。

e.拆卸工裝零件過程控制。在零件旋壓完成后，先將一半瓣膜螺釘松開，用吊車拆卸上半模，另一瓣膜固定不動；戴干凈手套，必要時只能用木榔頭輔助取出零件。

3)旋壓工裝的優(yōu)化。旋壓工裝的合理性和精密程度，直接影響著零件的成形精度、表面質量和生產(chǎn)效率。經(jīng)過反復試驗，主要從如下幾個方面進行了篩選和優(yōu)化：a.根據(jù)零件的變形程度，將旋壓模胎轉接R最終確定為2 mm，既保證了零件的有效貼模，又保證了零件的表面質量；b.嚴格控制工裝的軸向基準和徑向基準，垂直度控制在≤0.03 mm；c.精制工裝型面，將平面度控制在≤0.03 mm，將型面的徑向跳動和軸向跳動控制在≤0.02 mm。

通過上述措施，有效提高了零件表面質量和成形精度。

3小端翻邊質量的控制

3.1影響因素分析

翻邊就是將薄壁零件的孔邊緣或外緣在模具的作用下，翻出豎立的邊緣。導流環(huán)旋壓錐形槽端的翻邊工藝，以往沒有充分的經(jīng)驗和數(shù)值依據(jù)，因此，前期小批量試制過程中對翻邊變形只能預測。翻邊力的選定以及工裝的設計多為摸索所得，不是根據(jù)零件的變形程度確定的精確數(shù)據(jù)，造成初期試制時，小端翻邊反彈，變形嚴重，不能滿足圖樣要求，進而影響后續(xù)的車加工工序。

3.2解決方法

1)優(yōu)化翻邊參數(shù)。為確保翻邊質量，應通過確定變形程度，控制外緣翻邊力。內(nèi)凹輪廓曲線的翻邊也稱為伸長類翻邊，與孔翻邊相似。其翻邊變形程度K可由下式確定：

(5)

式中，R0是零件翻邊后的圓角半徑，單位為mm；b是坯料曲率半徑R和翻邊線曲率半徑r之差，單位為mm。

翻邊力計算公式為:

F=1.25LtRmK

(6)

式中，L是彎曲線長度；t是板料厚度，單位為mm；Rm是材料的抗拉強度，單位為MPa；K是導流環(huán)變形程度。

已知導流環(huán)L為10 mm，材料厚度t為0.6mm，1Cr18Ni9Ti的抗拉強度Rm為2 142 MPa，K為0.23，可得翻邊力F=1.25LtRmK=3 649 (N)。

4整體校形脹壓力的確定

對旋壓后的零件，采用整體液壓脹形方法來保證零件的最終尺寸，這其中最重要的就是確定液壓單位壓力p，p由下式確定：

p=6tRP0.2d0

(7)

式中，p是液壓單位壓力，單位為MPa；t是板料厚度，單位為mm；RP0.2是材料的屈服強度，單位為MPa；d0為旋壓后的毛坯內(nèi)徑，單位為mm。

導流環(huán)材料厚度為0.6mm，1Cr18Ni9Ti的屈服強度為2 341MPa，旋壓后的毛坯內(nèi)徑為843mm，由此可確定液壓單位壓力為10MPa。

5結語

針對某型發(fā)動機導流環(huán)加工合格率低的問題進行了工藝攻關。經(jīng)過反復的理論計算以及試驗加工，確定了成形工藝流程各環(huán)節(jié)工藝參數(shù)、工裝優(yōu)化參數(shù)以及旋壓操作過程的改進方法。應用該工藝，零件交付合格率由原來的34%提高到100%，達到了預期效果，為穩(wěn)定批生產(chǎn)奠定了基礎。得到的結論主要有：1)通過旋壓工藝、旋壓參數(shù)的優(yōu)化以及旋壓、校正工裝的改進，確保了零件型槽尺寸的精度；2)通過操作方法的細化，完善零件毛料尺寸，保證了零件表面質量；3)通過對翻邊工藝的系統(tǒng)分析，精確確定翻邊參數(shù)，改進翻邊工裝，可以解決零件翻邊后變形、反彈嚴重的問題，將反彈量控制在<0.5mm，且無需后期校正工序。

責任編輯馬彤

Research on the Spinning Forming Process of Deflector of an Aeroengine

LIU Zhengang1, YE Guangning2, ZHANG Ding1, WANG Zhanyong1

(1.Qingdao Branch, Naval Aeronautic and Astronautic University, Qingdao 266041, China; 2.Naval Material Department, Beijing 100036, China)

Abstract：Because of the high size accuracy and new forming process, the deflector of an aeroengine is hard to be produced. In order to increase percent of pass, through reiterative theoretical computation and process test, the technological parameters and parameter optimization of tool set-up are confirmed, and the operating course of spinning is approved. The results show that parts produced with this process have good surface quality and high forming accuracy, and the manufacturing efficiency is elevated obviously.

Key words:aeroengine， deflector， spinning forming， process

收稿日期：2015-11-17

作者簡介：劉振崗(1963-)，男，教授，主要從事航空裝備保障的教學和科研工作。

中圖分類號：TG 376

文獻標志碼:A