楊秀娟+++韓曉東+++任萍+++段新民+++靳文

摘 要：增壓級(jí)靜子內(nèi)環(huán)是大直徑、內(nèi)“U”型截面、鈦合金板料高精度成形件。針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性和精度要求，引入新的應(yīng)力松弛熱定型工藝，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)巧妙的應(yīng)力松弛熱定型胎具，微細(xì)調(diào)整工藝參數(shù)和熱定型胎具尺寸，從而實(shí)現(xiàn)了靜子內(nèi)環(huán)這種特殊難成形結(jié)構(gòu)鈦合金零件的精密成形。

關(guān)鍵詞：增壓級(jí)靜子內(nèi)環(huán)；內(nèi)“U”型截面；鈦合金板料成形件；應(yīng)力松弛熱定型；熱定型胎具

引言

增壓級(jí)靜子內(nèi)環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇增壓級(jí)上的關(guān)鍵零件，與外環(huán)、葉片形成整流進(jìn)氣的流道窗口，裝配位置。增壓級(jí)零～三級(jí)靜子內(nèi)環(huán)由1.0mm厚的鈦合金TA1板料制成，但對(duì)型面尺寸及形狀精度要求非常高：在組件狀態(tài)下，要求型面測(cè)量點(diǎn)直徑公差為±0.2mm，即單件的型面輪廓度不大于0.2mm，型面對(duì)外環(huán)基準(zhǔn)的跳動(dòng)量不大于0.2，與外環(huán)形成的流道寬度S值的公差不大于0.3mm，下端面到軸向基準(zhǔn)的尺寸公差為±0.2mm，即下端面的平面度不能大于0.2mm。精度等級(jí)已高于機(jī)械加工件，而該零件自研制以來(lái)，按傳統(tǒng)的工藝和工藝裝置加工，從未合格過(guò)，嚴(yán)重制約發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)。

1 靜子內(nèi)環(huán)工藝措施和試驗(yàn)

增壓級(jí)零～三級(jí)靜子內(nèi)環(huán)由1.0mm厚的鈦合金TA1板料制成，因鈦合金室溫狀態(tài)下材料延展率低、彈性模量大、屈強(qiáng)比高，無(wú)法冷成型，必須采用550℃以上的熱成形或熱定型。而其截面為槽口向內(nèi)的“U”型，直徑Φ700～900mm，上、下端口直徑小于中間型面直徑，通常的整環(huán)成型模具無(wú)法取出，所以采用通常的整環(huán)模具成型無(wú)法實(shí)現(xiàn)此類(lèi)零件的加工，須使用脹瓣模進(jìn)行熱定型。但該靜子內(nèi)環(huán)的型面尺寸及形狀精度要求非常高，精度等級(jí)已高于機(jī)械加工件，而普通熱定型的精度一般在φ1000±1.0mm，無(wú)法滿(mǎn)足靜子內(nèi)環(huán)的精度要求，需要在工藝方法上進(jìn)行突破和創(chuàng)新，引入新的應(yīng)力松弛熱定型工藝方法。

1.1 應(yīng)力松弛精密熱定形工藝

所謂熱定型就是利用線(xiàn)膨脹系數(shù)較大的材料制作成熱定型胎具，在冷態(tài)下將鈦合金零件裝到定型胎具上，并一起真空加熱至定型溫度，保溫，依靠胎具的熱膨脹量大于零件的熱膨脹量，將零件脹至與胎具貼合，并與胎具型面一致的鈦合金成形工藝方法。普通的熱定型工藝，由于冷態(tài)下零件尺寸大于胎具尺寸，零件與胎具之間存在間隙，熱膨脹過(guò)程中，胎具對(duì)零件的脹大在各個(gè)方向上不均勻，所以定型出的零件精度不高，尤其是圓度、跳動(dòng)量、直徑尺寸誤差都較大。

為提高零件熱定形后的型面輪廓和尺寸精度，針對(duì)靜子內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)精度要求和特殊結(jié)構(gòu)，嘗試了新的應(yīng)力松弛精密熱定型工藝方法：即對(duì)零件在冷態(tài)下給予一定的預(yù)脹緊應(yīng)力，隨著加熱溫度的上升，預(yù)應(yīng)力緩釋?zhuān)?qū)動(dòng)零件與熱定型胎具的型面完全緊密貼合，從而將定型后零件的精度提高至定型胎具型面的精度。該方法的原理是：在冷態(tài)下用液壓機(jī)通過(guò)可調(diào)整直徑大小的脹型胎具將零件脹緊，使零件產(chǎn)生一定的彈塑性變形，并承受一定的拉伸力預(yù)脹緊應(yīng)力，保證零件內(nèi)型面與胎具型面完全貼合，脹緊力均勻；然后將其置于真空熱處理爐中加熱；因脹胎材料的熱膨脹系數(shù)大于零件材料的熱膨脹系數(shù)，隨著溫度的升高零件塑性大幅提高屈服強(qiáng)度大幅降低，脹緊彈塑性應(yīng)力逐漸松弛，脹胎就將零件逐漸脹大至與胎具型面完全吻合；冷卻之后，零件的型面和尺寸就被精確固化下來(lái)。通過(guò)精確計(jì)算、實(shí)驗(yàn)修正和高精度的脹型裝置，保證熱成型后的零件尺寸和型面精度達(dá)到精密程度。

1.2 工藝流程設(shè)計(jì)

靜子內(nèi)環(huán)的成形精度是影響組件質(zhì)量和性能的關(guān)鍵因素，而靜子內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)雖然很簡(jiǎn)單，但這種大直徑、內(nèi)“U”型結(jié)構(gòu)卻很難成型，因有上下扣邊，所以不能用模具拉深成型，只能用脹瓣模脹形；但該零件材料為鈦合金，彈性模量高、冷塑性差，冷脹形效果不好。所以經(jīng)過(guò)反復(fù)分析比較，決定采取分四段熱成形，拼焊成整環(huán)后，再進(jìn)行熱應(yīng)力松弛精密熱定型。按應(yīng)力松弛精密熱成型原理設(shè)計(jì)零件的加工工藝流程如下：激光下四段扇環(huán)形毛料——滾彎——涂石墨——用熱成型機(jī)熱成型出1/4弧段——洗滌——除石墨——腐蝕——線(xiàn)切割——將4個(gè)1/4弧段拼焊成整環(huán)——精細(xì)修磨焊縫——應(yīng)力松弛熱定型——車(chē)加工零件上、下止口——激光切型面上的葉型孔——去重熔層——熒光檢查——最終檢驗(yàn)。

1.3 工序尺寸設(shè)計(jì)

影響應(yīng)力松弛熱定型精度的關(guān)鍵因素主要有：熱定型脹量的精確度、熱定型前零件的尺寸一致性和熱定型脹胎的制造精度。而熱定型脹量又細(xì)分為冷態(tài)下的預(yù)應(yīng)力脹量和熱態(tài)下的膨脹脹量。熱定型前零件尺寸一致性取決于每道工序尺寸設(shè)計(jì)的精度要求。所以工序尺寸的精確設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。采用逆向建模法設(shè)計(jì)各個(gè)關(guān)鍵工序的尺寸，即由終檢尺寸反推各個(gè)工序的尺寸：

根據(jù)設(shè)計(jì)圖給定的零件最終冷態(tài)尺寸，反算零件在定型溫度時(shí)的熱態(tài)尺寸；零件定型溫度時(shí)的熱態(tài)尺寸就是定型胎的熱態(tài)尺寸；再反推算定型胎的冷態(tài)尺寸；定型胎的冷態(tài)尺寸減去一定的冷態(tài)彈塑性應(yīng)變脹量，就是零件定型前整環(huán)的冷態(tài)尺寸；再根據(jù)零件定型前整環(huán)的冷態(tài)尺寸確定零件1/4弧段熱成形尺寸和熱成形模具尺寸。

1.4 應(yīng)力松弛熱定型夾具設(shè)計(jì)

因零件結(jié)構(gòu)為內(nèi)“U”型截面，上、下端口直徑小于型面直徑，所以定型胎必須能收縮和脹大，即定型面應(yīng)能沿徑向移動(dòng)，直徑可變，裝夾和拆卸時(shí)，定型胎的直徑要小于上端口直徑值，保證零件能夠取下；工作時(shí)，定型胎的直徑要與零件型面的直徑值接近。所以將定型胎的工作部分設(shè)計(jì)成8個(gè)扇形塊，其中4個(gè)優(yōu)弧塊，4個(gè)劣弧塊，相間排列，并保證在定型直徑尺寸下，塊與塊間隙不大于0.2mm。

為保證定型塊沿周向不能串動(dòng)動(dòng)，沿徑向移動(dòng)時(shí)嚴(yán)格向心，在每塊定型塊的下表面設(shè)計(jì)出定位鍵，在胎具的定位底板上設(shè)計(jì)出8條向心的鍵槽，定位塊與底板之間靠鍵槽配合。

定型胎的收縮和脹大依靠脹型錐環(huán)的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，定型塊與脹型錐環(huán)之間為錐面配合，錐度為莫氏錐度，保證壓緊后錐面能自鎖。用液壓機(jī)壓定位錐環(huán)向下移動(dòng)時(shí)，定型塊沿徑向向外移動(dòng)，定型塊直徑變大，抬起定位錐環(huán)后，定型塊可沿徑向向里滑移。

在定位底板上設(shè)置限位銷(xiāo)釘，用來(lái)限制定位錐環(huán)的軸向移動(dòng)量，從而限制定型塊的最大直徑。限位銷(xiāo)釘?shù)牧硪粋€(gè)作用是尺寸微調(diào)機(jī)構(gòu)，如果實(shí)驗(yàn)后需要調(diào)大定型塊直徑，則可向下修磨限位銷(xiāo)釘，使定位錐環(huán)能多向下移動(dòng)微量距離。

因理論計(jì)算時(shí)都會(huì)簡(jiǎn)化一些次要的邊界限制條件，所以計(jì)算出的尺寸與實(shí)際加工出的零件尺寸都會(huì)有微小的差距，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行微細(xì)修正，修正后再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至保證零件設(shè)計(jì)圖要求的尺寸和型面精度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

按應(yīng)力松弛熱定型原理設(shè)計(jì)了零～三級(jí)靜子內(nèi)環(huán)的加工工藝，計(jì)算關(guān)鍵工序尺寸，設(shè)計(jì)制造了四套脹瓣式熱定型胎具，并進(jìn)行了大量試驗(yàn)，對(duì)胎具型面進(jìn)行了微細(xì)調(diào)整。調(diào)整后加工了共計(jì)15臺(tái)份60件靜子內(nèi)環(huán)，其中直徑尺寸和型面精度合格的有42件。采用應(yīng)力釋放熱定型工藝加工制造的三級(jí)靜子內(nèi)環(huán)檢測(cè)尺寸如下表1，其精度已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

增壓級(jí)靜子內(nèi)環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零件，為大直徑、內(nèi)“U”型截面、鈦合金板料成形環(huán)的形件，設(shè)計(jì)精度要求非常高。針對(duì)靜子內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性和設(shè)計(jì)精度要求，引入一種新的應(yīng)力松弛熱定型工藝方法，并按該工藝方法原理開(kāi)發(fā)新的應(yīng)力松弛熱定型工藝，設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)巧妙的應(yīng)力松弛熱定型胎具，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)，微細(xì)調(diào)整零件工藝參數(shù)和熱定型胎具的精確尺寸，消除因簡(jiǎn)化邊界條件的理論計(jì)算值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)值之間的誤差，從而實(shí)現(xiàn)了靜子內(nèi)環(huán)這種特殊難成形結(jié)構(gòu)鈦合金零件的精密成形，滿(mǎn)足了研制要求，后續(xù)還需嚴(yán)格工藝過(guò)程控制，繼續(xù)提高靜子內(nèi)環(huán)熱定型的合格率。