基于楔橫軋小余量制坯的葉片低成本精密成形技術(shù)研究

文/孫興·中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院

金屬葉片是航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，目前，鍛造類葉片的成形方法一般是借助擠壓+鐓粗、自由鍛或平鍛的方法制坯，然后經(jīng)過熱模鍛，從而最終成形。由于鍛造類葉片的葉身薄、帶扭角，且具有帶榫頭甚至阻尼凸臺(tái)等特征，因此其預(yù)制坯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多為異形變截面，采用傳統(tǒng)工藝制備預(yù)成形坯時(shí)，雖然可制備出合格的預(yù)制坯，但都存在制坯效率低、工序繁雜、尺寸精度控制差、穩(wěn)定性差和組織均勻性差等問題，最終影響著葉片鍛件制備的成本和整體性能。

楔橫軋，原用于階梯軸類零件的生產(chǎn)，可在一道工序中以連續(xù)、局部的方式對(duì)不同部位進(jìn)行壓縮與延伸。因其具有精確成形、工藝可控性好的特點(diǎn)，本項(xiàng)目創(chuàng)新性的提出采用楔橫軋工藝替代原來鍛造葉片所采用的自由鍛、擠壓+鐓粗或平鍛等制坯工藝。通過將楔橫軋工藝應(yīng)用在葉片制坯上，在一道工序中將葉片棒料軋制為異形變截面形狀，實(shí)現(xiàn)葉片榫頭、葉尖、阻尼凸臺(tái)和葉身等多部位的預(yù)成形，精確成形出小余量鈦合金葉片異形變截面預(yù)制坯，以期提高鍛造葉片預(yù)成形制坯的制坯效率、尺寸精度、材料利用率和組織穩(wěn)定性，降低鍛造葉片的制備成本。

因此，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)高效率低成本制造技術(shù)的需求，探索基于楔橫軋技術(shù)的異形變截面葉片預(yù)制坯高效率低成本精密制造，通過技術(shù)創(chuàng)新，解決葉片制坯尺寸精度差、效率低和成本高等問題，實(shí)現(xiàn)葉片制造過程的降本增效，對(duì)發(fā)展我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)既有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義，又是當(dāng)前亟待攻克的重要課題。

成形工藝流程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)鍛造葉片是具有榫頭、葉身薄且?guī)そ?、甚至兩?cè)有高而薄阻尼凸臺(tái)特征的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件。國(guó)外對(duì)于鍛造葉片也是采用制坯和模鍛方法成形。圓柱形的棒料先通過制坯環(huán)節(jié)發(fā)生形狀上的改變，由原先的統(tǒng)一截面演變成變截面，實(shí)現(xiàn)葉片葉尖、葉身、榫頭和阻尼凸臺(tái)等異形結(jié)構(gòu)的預(yù)成形。然后，通過模鍛環(huán)節(jié)，已經(jīng)具有異形變截面特征的葉片預(yù)制坯各部位進(jìn)一步成形，從而完成最終成形，獲得加工余量1 ～1.5mm 的葉片模鍛件。

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)外鈦合金葉片鍛件傳統(tǒng)的制坯方法有三種：一是擠壓+鐓粗技術(shù)；二是局部聚集鐓粗技術(shù)(圖1)；三是楔橫軋技術(shù)(圖2)。前兩種技術(shù)是通用技術(shù)，第三種楔橫軋技術(shù)處于研究階段，是國(guó)外探索發(fā)展的方向，暫未見工程應(yīng)用。

圖1 國(guó)外主要的兩種葉片制坯技術(shù)示意圖

擠壓+鐓粗技術(shù)，如圖1(а)所示，設(shè)備通常為普通壓力機(jī)，雖然單個(gè)工序成本較低，但是由于工序數(shù)量的增多，鈦合金葉片坯料每加熱一次，大部分只能完成一個(gè)工序，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)葉片葉尖、葉身、榫頭和阻尼凸臺(tái)的同時(shí)預(yù)成形。并且，鈦合金坯料每加熱一次，都需要進(jìn)行一次吹砂-腐蝕-涂潤(rùn)滑劑等一系列輔助工序，增加了工藝的不確定性和整個(gè)工藝流程的成本。此外，在擠壓工序中，處理內(nèi)部形變產(chǎn)生熱量的技術(shù)難度大，容易導(dǎo)致局部溫升，會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件的微觀結(jié)構(gòu)。而且，坯料與模具長(zhǎng)時(shí)間接觸，在摩擦作用下，坯料容易粘附，模具容易損壞。

局部聚集鐓粗技術(shù)，如圖1(b)所示，設(shè)備(平鍛機(jī))及模具都是專用的，造成設(shè)備及工藝成本高，而且，微觀組織由于工藝特點(diǎn)而不夠均勻。但與擠壓+鐓粗技術(shù)相比，局部聚集鐓粗技術(shù)提高了效率，降低了成本。

目前，俄羅斯、美國(guó)、日本等國(guó)家主要采用臥式鍛造機(jī)對(duì)葉片坯料頭部或冠部進(jìn)行局部聚集鐓粗，而英國(guó)、德國(guó)等歐洲國(guó)家主要采用多組模具配合的擠壓+鐓粗聯(lián)合制坯獲得預(yù)制坯。

近些年，短流程、低成本制造高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件，逐漸成為國(guó)外制造技術(shù)的發(fā)展方向。據(jù)2008年公開發(fā)表的研究成果顯示，德國(guó)科研人員率先將楔橫軋工藝加入到了葉片預(yù)制坯制備過程中。圖2 是基于楔橫軋工藝優(yōu)化后的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金葉片鍛件制備工藝，楔橫軋工序代替了原先的擠壓工序和鐓粗工序。

圖2 優(yōu)化后的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金葉片制備工藝

楔橫軋技術(shù)作為傳統(tǒng)的階梯軸制備技術(shù)，將其應(yīng)用到同樣具有階梯狀的異形變截面葉片預(yù)制坯的制備，從工藝可行性和設(shè)備、工藝成本上優(yōu)勢(shì)非常明顯。第一，通過楔橫軋，原材料棒材改變了原先的幾何形狀，中間細(xì)，兩頭粗，即葉片鍛件的榫頭、葉尖和葉身實(shí)現(xiàn)了預(yù)成形，因此，楔橫軋工藝可以達(dá)到葉片預(yù)制坯異形的要求及效果；第二，借助楔橫軋工藝，葉片棒料沿軸向的截面積不再是一致不變的，原始材料棒材經(jīng)過軋制后，呈現(xiàn)階梯狀分布，即類“階梯軸”形，可見，楔橫軋工藝也可以實(shí)現(xiàn)葉片預(yù)制坯變截面的要求；第三，楔橫軋工藝在一道工序內(nèi)可以同時(shí)完成兩件甚至更多鈦合金葉片的預(yù)制坯制備工作，提高了生產(chǎn)效率，降低了制備工藝成本；第四，楔橫軋工藝所用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重點(diǎn)在于軋輥輥型的設(shè)計(jì)，以相同軋制力(工作載荷)計(jì)算，相比于平鍛機(jī)，楔橫軋?jiān)O(shè)備成本可以降低70 ～80%；第五，通過工序的簡(jiǎn)化，擠壓＋鐓粗工藝帶來的坯料反復(fù)加熱、校正和潤(rùn)滑的問題也不存在了，提高了工藝的穩(wěn)定性，降低了預(yù)制坯的尺寸余量，提高了材料的利用率。

圖3 鈦合金葉片坯料及鍛件

成形工藝驗(yàn)證

通過上述分析，利用TC6 鈦合金材料對(duì)成形工藝進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，制備出了鈦合金葉片坯料及鍛件，如圖3 所示，鍛件表面完整性、組織及性能滿足技術(shù)要求。

表1 國(guó)內(nèi)葉片制坯技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

成形工藝分析

采用楔橫軋工藝實(shí)現(xiàn)鈦合金葉片小余量制坯，以替代傳統(tǒng)制坯工藝，通過鈦合金葉片異形變截面預(yù)制坯與模鍛的匹配精密成形，達(dá)到鈦合金葉片的低成本制造目的。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片鍛件為例，本項(xiàng)目在技術(shù)上具有經(jīng)濟(jì)性，對(duì)比分析見表1。

結(jié)論

⑴楔橫軋技術(shù)作為傳統(tǒng)的階梯軸制備技術(shù)，將其應(yīng)用到同樣具有階梯狀的異形變截面葉片預(yù)制坯的制備，從工藝可行性和設(shè)備、工藝成本上優(yōu)勢(shì)非常明顯。

⑵利用TC6 鈦合金材料，制備出了鈦合金葉片坯料及鍛件，鍛件表面完整性、組織及性能滿足技術(shù)要求。

⑶采用楔橫軋工藝實(shí)現(xiàn)鈦合金葉片小余量制坯，以替代傳統(tǒng)制坯工藝，通過鈦合金葉片異形變截面預(yù)制坯與模鍛的匹配精密成形，達(dá)到鈦合金葉片的低成本制造目的。

隋唐時(shí)期，由于政治和經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定和繁榮，使其能上承歷史服飾之源頭，下啟后世服飾制度之經(jīng)道，所以，這一時(shí)期成為中國(guó)古代服飾制度發(fā)展的重要?dú)v史時(shí)期。男子的常服為幞頭、袍衫、穿長(zhǎng)靿靴。但此時(shí)的袍衫與前朝略有不同，式樣為圓領(lǐng)、右衽、窄袖、領(lǐng)袖裾無緣邊。此外，還有襕袍衫和缺胯袍衫等式樣。這種袍衫主要是受胡服影響，并且與漢族的生活習(xí)慣和禮儀特點(diǎn)相結(jié)合，形成了這時(shí)期袍衫的風(fēng)格。

隋唐五代時(shí)期的女子服飾，是中國(guó)服裝史中最為精彩的篇章，其冠服之豐美華麗，妝飾之奇異紛繁，都令人目不暇接。

大唐三百余年中的女子服飾形象，主要分為襦裙服、男裝、胡服三種配套服飾。