高溫合金薄壁殼體成形工藝分析

■ 航空工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司 （黑龍江 150000） 李海鳳 何永亮

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工程師 李海鳳

高溫合金能在550℃以上高溫氧化和燃氣腐蝕條件下承受復雜應力并長期可靠地工作，具有優(yōu)異的高溫強度性能及良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，已成為航空制造領(lǐng)域熱部件不可替代的關(guān)鍵材料。

該類材料的傳統(tǒng)加工方式為采用落壓成形工藝進行加工，利用落錘的沖擊力將金屬板料壓制成所需要的曲面零件，成形過程中需要靈活地墊橡皮、層板，逐次、逐漸地成形，并且在成形過程中要隨時穿插平褶、消皺，“收”料，“放”料以及穿插多次的中間退火和去氧化皮工序等輔助加工步驟，消耗了大量的生產(chǎn)周期和制造成本。并且由于高溫合金具有較高的屈服強度和抗拉強度，成形時容易產(chǎn)生褶皺和成形卸載后回彈量大等缺陷，導致產(chǎn)品合格率低。加之新型號機型的熱部件外形結(jié)構(gòu)復雜度要遠高于其他機型，傳統(tǒng)高溫合金成形工藝已無法滿足科研生產(chǎn)的要求。

1.通過材料性能分析及零部件加工特點選取工藝方案

（1）高溫合金材料性能。以固溶強化型鎳基高溫合金GH3030為例，該材料為國內(nèi)航空制造中應用于某型號直升機的發(fā)動機尾噴管組件，材料厚度0.8mm，其力學性能如表1所示。

（2）零部件加工特點。該型號直升機尾噴管組件是由具有自由曲面外形的薄壁殼體零件經(jīng)研合焊接組成（見圖1、圖2），此類零件外形復雜、曲度大，存在凸凹曲面，并且對零件外形精度要求高。

（3）制定工藝方案。拉形成形工藝方法通常適用于材料具有一定塑性、表面積大、曲度變化緩和而光滑、質(zhì)量要求高的雙曲度蒙皮零件。拉深成形則是利用具有一定圓角半徑的拉深模，將平板毛坯或開口空心毛坯沖壓成容器狀零件的加工工藝。根據(jù)發(fā)動機尾噴管尺寸較大、APU排氣管尺寸較小的結(jié)構(gòu)特點，筆者創(chuàng)新性地運用拉形工藝對零件特點與蒙皮零件相似的尾噴管進行加工，采用拉深成形對APU排氣管進行加工，以證實并尋求兩種工藝方案的可行性和差異。

表1 GH3030材料力學性能

圖1 發(fā)動機尾噴管數(shù)模圖

圖2 APU排氣管數(shù)模圖

2.高溫合金薄壁殼體拉形成形分析

（1）拉形成形過程分析。根據(jù)試制情況可知，高溫合金發(fā)動機尾噴管拉形成形的主要成形缺陷是回彈量大。根據(jù)材料的變形過程，零件拉形工藝過程可分為三種，如表2所示。

從三種工藝過程看，第一種拉形過程回彈量是最小的，因此發(fā)動機尾噴管的拉形成形過程分為預拉伸→彎曲→拉伸→補拉四個階段，如圖3所示。具體為：①預拉伸階段：鉗口夾緊毛坯料兩端，使毛坯料張緊，產(chǎn)生約1%的拉伸變形。②彎曲階段：毛坯料與拉形模脊背貼合，鉗口下拉，產(chǎn)生彎曲變形。③拉形階段：鉗口繼續(xù)向下用力，毛坯料受拉力而產(chǎn)生塑性變形，直至與拉形模型面完全貼合。④補拉階段：補加切向拉力，使毛坯料的邊緣材料所受的拉應力超過屈服點，再使毛坯料較均勻地產(chǎn)生約0.5%的拉伸變形。目的是減少零件的回彈和殘余應力，提高準確度和獲得光滑流線。

（2）拉形成形變形量分析及工藝改進。板料在拉形模型面各點的變形量主要取決于零件的形狀，而型面區(qū)和過渡區(qū)變形量的大小則取決于摩擦力，直接影響板料的變形量和變形量分布。因此對成形過程中摩擦力的控制是主要因素，板料傳力區(qū)摩擦力應盡量小，而變形集中區(qū)的摩擦力則可大一些。

圖3 尾噴管的拉形成形過程

表2 三種拉形工藝過程比較

摩擦力對拉形過程的影響分析如下。①彎曲階段：毛坯料在預拉力作用下與拉形模脊背接觸，背脊部位的單位作用力最大，而摩擦力卻最小，拉形塑性變形集中在背脊部位。②拉形階段：隨著貼合面的擴展，背脊頂部的作用力增加不多，而摩擦力大增，變形抵抗力和附加應力也隨變形量的增加而增加。毛坯料與拉形模表面貼合的成形區(qū)逐漸增大，懸空部分的傳力區(qū)逐漸縮小，一直縮小到拉形模邊緣與鉗口之間部分。③補拉階段：拉形模兩側(cè)的圓角阻力和圓角會引起彎曲應力，因此拉形模兩側(cè)圓角或鉗口出口處為危險斷面。如圖4所示。為了使整個板料都產(chǎn)生一定的拉形塑性變形。阻力角α應取值3°～5°。

3.高溫合金薄壁殼體拉深成形分析

（1）拉深成形缺陷分析。根據(jù)試制情況知，APU排氣管零件拉深成形的主要成形缺陷也是回彈量較大，如圖5所示。

圖4 阻力角

產(chǎn)生回彈的主要原因是由于材料的屈服強度較高，發(fā)生塑性變形所需的拉應力較高，導致雙曲度薄壁殼體零件結(jié)構(gòu)拉深成形時材料受拉應力不足，載荷卸去后，彈性形變恢復，零件發(fā)生較大回彈。

（2）高溫合金拉深工藝改進。①增加工藝補充面。零件未增加工藝補充面時的情況如圖6所示。為了增加材料在拉深成形過程中的拉應力，使材料產(chǎn)生充分的塑性變形，減小回彈，對雙曲度薄壁殼體零件結(jié)構(gòu)增加工藝補充面，如圖7所示。底面兩端尺寸外延并呈大尺寸圓角，形成不規(guī)則圓弧形底部，使底面由單向受拉應力變成雙向受拉應力狀態(tài)；增加側(cè)壁面直壁高度，拉深時沿凹模周邊形成一定的深度；凹模圓角半徑取較小值，增加材料流動的變形阻力；凸緣面設置拉深筋，阻礙材料向凹模里流動。增加工藝補充面的零件結(jié)構(gòu)改變了拉深成形過程中應力應變狀態(tài)，主要變形區(qū)由凸緣材料的拉壓變形改變成底部和側(cè)壁材料的拉脹變形，塑性變形程度顯著提高。②增大展開尺寸并加以輔助工序。展開料除增加相應工藝補充面尺寸外，還要使拉深完成后凸緣邊緣在拉深筋以外，以保證拉深筋在拉深全過程中起到增加材料流動阻力的作用。拉深成形后進行退火工序，以減少殘余應力。

圖5 試制階段APU排氣管零件回彈報廢件

圖6 零件未增加工藝補充面

圖7 增加工藝補充面的零件成形圖

4.結(jié)語

綜上所述，高溫合金復雜外形結(jié)構(gòu)薄壁殼體零件的加工難點主要在于成形后的回彈，通過對拉形成形過程和變形量的分析以及對拉深成形缺陷的分析，分別在對高溫合金的應用上進行了改進優(yōu)化，成功制定了GH3030高溫合金薄壁零件的成形工藝方案，證實了該方法的可行性。并初步總結(jié)了兩種工藝方法的差異之處（見表3），以供參考。

表3 拉形成形和拉深成形工藝特點比較