增压级静子内环精密热成形技术研究

1、    增压级静子内环精密热成形技术研究    杨秀娟+韩晓东+任萍+段新民+靳文摘 要：增压级静子内环是大直径、内“u”型截面、钛合金板料高精度成形件。针对其结构特点、材料特性和精度要求，引入新的应力松弛热定型工艺，设计结构巧妙的应力松弛热定型胎具，微细调整工艺参数和热定型胎具尺寸，从而实现了静子内环这种特殊难成形结构钛合金零件的精密成形。关键词：增压级静子内环；内“u”型截面；钛合金板料成形件；应力松弛热定型；热定型胎具引言增压级静子内环是发动机风扇增压级上的关键零件，与外环、叶片形成整流进气的流道窗口，装配位置。增压级零三级静子内环由1.0mm厚的

2、钛合金ta1板料制成，但对型面尺寸及形状精度要求非常高：在组件状态下，要求型面测量点直径公差为±0.2mm，即单件的型面轮廓度不大于0.2mm，型面对外环基准的跳动量不大于0.2，与外环形成的流道宽度s值的公差不大于0.3mm，下端面到轴向基准的尺寸公差为±0.2mm，即下端面的平面度不能大于0.2mm。精度等级已高于机械加工件，而该零件自研制以来，按传统的工艺和工艺装置加工，从未合格过，严重制约发动机的研制和生产。1 静子内环工艺措施和试验增压级零三级静子内环由1.0mm厚的钛合金ta1板料制成，因钛合金室温状态下材料延展率低、弹性模量大、屈强比高，无法冷成型，必须采用5

3、50以上的热成形或热定型。而其截面为槽口向内的“u”型，直径700900mm，上、下端口直径小于中间型面直径，通常的整环成型模具无法取出，所以采用通常的整环模具成型无法实现此类零件的加工，须使用胀瓣模进行热定型。但该静子内环的型面尺寸及形状精度要求非常高，精度等级已高于机械加工件，而普通热定型的精度一般在1000±1.0mm，无法满足静子内环的精度要求，需要在工艺方法上进行突破和创新，引入新的应力松弛热定型工艺方法。1.1 应力松弛精密热定形工艺所谓热定型就是利用线膨胀系数较大的材料制作成热定型胎具，在冷态下将钛合金零件装到定型胎具上，并一起真空加热至定型温度，保温，依靠胎具的热膨胀

4、量大于零件的热膨胀量，将零件胀至与胎具贴合，并与胎具型面一致的钛合金成形工艺方法。普通的热定型工艺，由于冷态下零件尺寸大于胎具尺寸，零件与胎具之间存在间隙，热膨胀过程中，胎具对零件的胀大在各个方向上不均匀，所以定型出的零件精度不高，尤其是圆度、跳动量、直径尺寸误差都较大。为提高零件热定形后的型面轮廓和尺寸精度，针对静子内环的设计精度要求和特殊結构，尝试了新的应力松弛精密热定型工艺方法：即对零件在冷态下给予一定的预胀紧应力，随着加热温度的上升，预应力缓释，驱动零件与热定型胎具的型面完全紧密贴合，从而将定型后零件的精度提高至定型胎具型面的精度。该方法的原理是：在冷态下用液压机通过可调整直径大小的胀

5、型胎具将零件胀紧，使零件产生一定的弹塑性变形，并承受一定的拉伸力预胀紧应力，保证零件内型面与胎具型面完全贴合，胀紧力均匀；然后将其置于真空热处理炉中加热；因胀胎材料的热膨胀系数大于零件材料的热膨胀系数，随着温度的升高零件塑性大幅提高屈服强度大幅降低，胀紧弹塑性应力逐渐松弛，胀胎就将零件逐渐胀大至与胎具型面完全吻合；冷却之后，零件的型面和尺寸就被精确固化下来。通过精确计算、实验修正和高精度的胀型装置，保证热成型后的零件尺寸和型面精度达到精密程度。1.2 工艺流程设计静子内环的成形精度是影响组件质量和性能的关键因素，而静子内环结构虽然很简单，但这种大直径、内“u”型结构却很难成型，因有上下扣边，所

6、以不能用模具拉深成型，只能用胀瓣模胀形；但该零件材料为钛合金，弹性模量高、冷塑性差，冷胀形效果不好。所以经过反复分析比较，决定采取分四段热成形，拼焊成整环后，再进行热应力松弛精密热定型。按应力松弛精密热成型原理设计零件的加工工艺流程如下：激光下四段扇环形毛料滚弯涂石墨用热成型机热成型出1/4弧段洗涤除石墨腐蚀线切割将4个1/4弧段拼焊成整环精细修磨焊缝应力松弛热定型车加工零件上、下止口激光切型面上的叶型孔去重熔层荧光检查最终检验。1.3 工序尺寸设计影响应力松弛热定型精度的关键因素主要有：热定型胀量的精确度、热定型前零件的尺寸一致性和热定型胀胎的制造精度。而热定型胀量又细分为冷态下的预应力胀量

7、和热态下的膨胀胀量。热定型前零件尺寸一致性取决于每道工序尺寸设计的精度要求。所以工序尺寸的精确设计是关键。采用逆向建模法设计各个关键工序的尺寸，即由终检尺寸反推各个工序的尺寸：根据设计图给定的零件最终冷态尺寸，反算零件在定型温度时的热态尺寸；零件定型温度时的热态尺寸就是定型胎的热态尺寸；再反推算定型胎的冷态尺寸；定型胎的冷态尺寸减去一定的冷态弹塑性应变胀量，就是零件定型前整环的冷态尺寸；再根据零件定型前整环的冷态尺寸确定零件1/4弧段热成形尺寸和热成形模具尺寸。1.4 应力松弛热定型夹具设计因零件结构为内“u”型截面，上、下端口直径小于型面直径，所以定型胎必须能收缩和胀大，即定型面应能沿径向移

8、动，直径可变，装夹和拆卸时，定型胎的直径要小于上端口直径值，保证零件能够取下；工作时，定型胎的直径要与零件型面的直径值接近。所以将定型胎的工作部分设计成8个扇形块，其中4个优弧块，4个劣弧块，相间排列，并保证在定型直径尺寸下，块与块间隙不大于0.2mm。为保证定型块沿周向不能串动动，沿径向移动时严格向心，在每块定型块的下表面设计出定位键，在胎具的定位底板上设计出8条向心的键槽，定位块与底板之间靠键槽配合。定型胎的收缩和胀大依靠胀型锥环的上下运动实现，定型块与胀型锥环之间为锥面配合，锥度为莫氏锥度，保证压紧后锥面能自锁。用液压机压定位锥环向下移动时，定型块沿径向向外移动，定型块直径变大，抬起定位

9、锥环后，定型块可沿径向向里滑移。在定位底板上设置限位销钉，用来限制定位锥环的轴向移动量，从而限制定型块的最大直径。限位销钉的另一个作用是尺寸微调机构，如果实验后需要调大定型块直径，则可向下修磨限位销钉，使定位锥环能多向下移动微量距离。因理论计算时都会简化一些次要的边界限制条件，所以计算出的尺寸与实际加工出的零件尺寸都会有微小的差距，通过实验，对理论数据进行微细修正，修正后再次进行实验，直至保证零件设计图要求的尺寸和型面精度。2 试验结果分析和讨论按应力松弛热定型原理设计了零三级静子内环的加工工艺，计算关键工序尺寸，设计制造了四套胀瓣式热定型胎具，并进行了大量试验，对胎具型面进行了微细调整。调整

10、后加工了共计15台份60件静子内环，其中直径尺寸和型面精度合格的有42件。采用应力释放热定型工艺加工制造的三级静子内环检测尺寸如下表1，其精度已达到设计要求。3 结束语增压级静子内环是发动机上的关键零件，为大直径、内“u”型截面、钛合金板料成形环的形件，设计精度要求非常高。针对静子内环的结构特点、材料特性和设计精度要求，引入一种新的应力松弛热定型工艺方法，并按该工艺方法原理开发新的应力松弛热定型工艺，设计制造结构巧妙的应力松弛热定型胎具，再通过实验，微细调整零件工艺参数和热定型胎具的精确尺寸，消除因简化边界条件的理论计算值与实际实验值之间的误差，从而实现了静子内环这种特殊难成形结构钛合金零件的精密成形，满足了研制要求，后续还需严