楊海鋼

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

引言

燃機(jī)5M過渡段是為GE能源公司加工制造的地面燃機(jī)燃燒室部分的一個零件，用于地面燃機(jī)燃燒室后部高溫燃?xì)庹?，工作溫度約為900℃~1100℃。過渡段零件通過零件截面形狀改變，將燃燒室火焰筒出口的圓形截面過渡為透平導(dǎo)葉前的扇形截面，截面積收斂到一定程度而達(dá)到渦輪進(jìn)口截面要求的軸向流速，因此，設(shè)計上既要保證過渡段零件截面由圓形到扇形的型線盡可能平滑過渡，降低阻流損失，還要保證零件型面截面積收斂速度適當(dāng)，能夠改善出口流場均勻性[1]。圖1是燃機(jī)5M過渡段的UG模型，零件軸向總長865.5mm，前端是截面直徑Φ281.4mm、長210mm的圓筒，圓度2.0；然后是截面形狀由圓形向扇形方口逐漸過渡的過渡段部分，從圓口端向方口端平滑過渡，整體零件的型面輪廓度為2.0。因為零件的形狀構(gòu)造復(fù)雜，由圓口端面向方口端面過渡的型面截面變化劇烈，圓口直徑尺寸小，軸向長，成形過程中零件容易出現(xiàn)失穩(wěn)，如起皺、減薄、撕裂、起波楞等。本文從燃機(jī)5M過渡段零件

圖1 燃機(jī)5M零件的UG數(shù)模

成形工藝研制和型面輪廓質(zhì)量改進(jìn)等方面出發(fā)，分析了上、下半部零件成形的影響因素，制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施，實現(xiàn)提高零件的輪廓型面質(zhì)量的目的。

1 燃機(jī)5M過度段成形工藝研制

1.1 成形工藝性分析

燃機(jī)5M設(shè)計圖將零件沿結(jié)合線構(gòu)成的分型面分為上、下兩部分，再通過兩條貫穿圓口端和方口端的焊縫連成整體，結(jié)構(gòu)如圖2中的UG數(shù)模（A）所示。按過渡段零件的傳統(tǒng)成形工藝，分別對上、下半部進(jìn)行彎曲拉深成形試制發(fā)現(xiàn)，上半部零件成形后在圖2（B）中的“2”位置因堆料形成凸凹波楞，在“1”位置產(chǎn)生疊料，若增加壓邊力，則在零件的局部位置嚴(yán)重減?。幌掳氩吭诔尚芜^程中在圖2（C）中“3”位置因大量聚料而形成“鼓包”，合模后形成大面積褶皺，若增加壓邊力，在圖2（C）中的“4”位置附近撕裂。5M上、下半部成形過程是一個純塑性彎曲過程，成形時，毛料變形區(qū)的材料完全處于塑性變形狀態(tài)，可能產(chǎn)生起皺、撕裂和回彈等問題[2]。若塑性變形以拉伸為主，變形不均勻或局部變形，將會出現(xiàn)縮頸；若以壓縮為主，材料變形區(qū)的抗失穩(wěn)起皺能力決定變形程度的大小[3]。5M上、下半部在拉深成形時毛料外緣受徑向壓應(yīng)力，隨拉深發(fā)展，當(dāng)該徑向壓應(yīng)力達(dá)到金屬板料的抗失穩(wěn)極限時，板料表面開始起皺。起皺是拉深成形的突出問題[4-7]，主要與板料厚度和毛料尺寸比例關(guān)系、板料拉深系數(shù)、成形模具凹模工作部分的幾何形狀、模具間隙的大小和均勻性有關(guān)。

圖2 燃機(jī)5M零件成形用UG數(shù)模示意圖

圖3 燃機(jī)5M增加焊縫的UG數(shù)模圖形

圖4 燃機(jī)5M-2下半部成形毛料尺寸

上述成形缺陷的問題影響了燃機(jī)5M過渡段零件成功開發(fā)，為解決成形困難，經(jīng)過分析，在保證零件使用功能的條件下，減小零件的軸向長度，能夠改善零件的成形質(zhì)量，因此，將零件分成兩部分，5M-1直段圓筒（長180mm）和 5M-2過渡段（長 685.5mm），即增加一條縱向焊縫和一條環(huán)焊縫。5M-1圓筒直段上的縱向焊縫與5M-2過渡段上的兩條縱向焊縫相對角度約為90°，如圖3所示的燃機(jī)5M增加焊縫的UG數(shù)模示意圖。

1.2 燃機(jī)5M-2過渡段成形工藝

根據(jù)UG數(shù)模，將5M-2過渡段上半部進(jìn)行展料計算，確定成形毛料尺寸為600×880mm。選用3840kN壓邊力拉深成形后，零件圓口端存在兩條縱向波楞，中部兩側(cè)邊緣橫向拉裂，方口端兩側(cè)面撕裂，在零件近方口端凹陷處有兩條縱向壓痕。要消除上述成形缺陷，應(yīng)降低壓邊力，消除方口端撕裂；在圓口端焊接工藝板，增強(qiáng)板料的橫向強(qiáng)度，消除成形后零件圓口端的縱向波楞。將成形毛料的圓口端焊接440×50mm的工藝板后，用2640kN的壓邊力拉深成形，零件圓口端的一側(cè)從工藝板焊縫處撕掉一斜角，圓口端波楞轉(zhuǎn)移至工藝板上，零件主體型面輪廓質(zhì)量良好。為防止成形時圓口端從焊縫處撕裂，將毛料加長至930mm，在264噸壓邊力下進(jìn)行拉深成形后，型面輪廓質(zhì)量良好，圓口端的褶皺約束在零件的后續(xù)加工余量中。

利用UG數(shù)模展料計算，5M-2過渡段下半部的毛料形狀為梯形，尺寸為500×600×770mm，在方口端焊接梯形工藝板，尺寸為320×400×180mm。用1200kN壓邊力成形后，主體板料兩側(cè)拉裂，圓口邊緣出現(xiàn)多個裂口，零件中部凹陷處稍微帶有波楞。但是成形后的零件軸向尺寸無加工余量，故將毛料尺寸調(diào)整至810～820mm。為防止零件成形時兩側(cè)面橫向撕裂，在成形板料的撕裂位置切割“月牙槽”，增加板料塑性變形的邊緣周長，提高板料拉伸性能。成形前的毛料尺寸如圖4所示。板料方口端焊接工藝板后，在1200kN壓邊力下進(jìn)行拉深成形，零件型面輪廓質(zhì)量良好，中上部有輕微波楞，經(jīng)去應(yīng)力熱處理后模具校正和鉗工修整可以消除。毛料側(cè)面切割的“月牙槽”被拉長，從圓口至方口，月牙槽由原弦長50mm、70mm及50mm分別被拉長至60.6mm、89.8mm及57.3mm，零件減薄區(qū)的最小壁厚為2.8mm。

按上述成形工藝加工的燃機(jī)5M零件獲得了較好的輪廓型面質(zhì)量。圖5給出5M過渡段零件終檢時三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）檢測的型面截面掃描數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，除ABAB和M-M截面，所有的截面型面輪廓尺寸都超差，除B-B截面和C-C截面焊縫處超差大于3.5mm外，其余都在客戶可接受的3.5mm的范圍內(nèi)。

圖5 燃機(jī)5M零件型面截面掃描數(shù)據(jù)

1.3 燃機(jī)5M-2過渡段成形質(zhì)量改進(jìn)

提高5M-2過渡段上、下半部的成形質(zhì)量，關(guān)鍵是設(shè)計新的成形模具，只有提高零件的成形型面輪廓質(zhì)量才能最終提高零件交付質(zhì)量。根據(jù)零件成形生產(chǎn)中存在的問題，改進(jìn)了零件的成形工藝，提出了理想的成形模具結(jié)構(gòu)，盡可能消除零件成形中產(chǎn)生的不可消除的輪廓質(zhì)量缺陷。

5M-2過渡段上、下半部成形以拉深彎曲為主，Hast“X”合金板料經(jīng)彈性彎曲、彈塑性彎曲進(jìn)入純塑性彎曲，成形后去除外載荷，零件型面彈性回復(fù)，當(dāng)回彈量超過允許容差后，零件型面輪廓尺寸偏離理論值。因此，回彈是模具設(shè)計中要考慮的重要因素，一定程度上影響零件的最終形狀和幾何精度[8,9]。過渡段零件成形的回彈有兩種形式：一是沿截面徑向回彈，成形后零件開口尺寸增大；二是沿過渡段零件縱向型面的軸向回彈，成形后零件型面與縱向樣板間隙過大。新設(shè)計制造的模具克服了前期5M零件成形生產(chǎn)中的困難，新模具使5M-2上、下半部成形后降低兩種回彈量：一是新模具的凸、凹模時考慮材料的彎曲回彈量[8,9]，加深凹模直邊部分，使零件直邊充分立直，毛料在成形過程中受到擠壓；二是新模具使零件方口和圓口端帶有包頭，增加約束，提高零件成形型面輪廓質(zhì)量；三是增加壓延筋結(jié)構(gòu)，有目的限制成形過程材料的流動速度[10-12]。

圖6 燃機(jī)5M-2過渡段上、下半部改進(jìn)模具成形毛料尺寸

改進(jìn)模具所需成形毛料形狀及尺寸如圖6所示。上半部的成形壓邊力1200kN，下半部的成形壓邊力1440kN。5M-2過渡段上、下半部成形后發(fā)現(xiàn)，過渡段上半部零件的型面質(zhì)量非常理想，表面光滑；下半部零件型面中部有輕微起伏波楞，經(jīng)過去應(yīng)力熱處理、激光切飛邊后校形，波紋校平，中部型面圓滑轉(zhuǎn)接。這說明5M-2過渡段零件圓口和方口的工藝包頭，增加了零件成形過程中毛料邊緣的壓邊力，消除了老模具成形后在過渡段零件上、下半部的方口端、圓口端產(chǎn)生的疊料和波楞等缺陷。改進(jìn)模具的兩個側(cè)面壓延筋結(jié)構(gòu)，消除了老模具成形后在零件側(cè)面產(chǎn)生肋狀波棱及在板料側(cè)面邊緣產(chǎn)生撕裂等現(xiàn)象。因此，新成形模具不僅提高了零件成形的輪廓型面質(zhì)量，而且為其他過渡段零件上、下半部成形模具的設(shè)計提供了參考。

圖7 燃機(jī)5M零件型面截面掃描數(shù)據(jù)（改進(jìn)模具）

按照上述燃機(jī)5M零件的加工制造工藝，利用改進(jìn)模具成形的5M-2過渡段零件上、下半部的型面輪廓質(zhì)量非常完美。圖7給出了5M零件終檢時三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）檢測的型面截面掃描數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，僅有A-A、B-B、C-C、D-D 和J-J截面在焊縫及轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)部分超差，超差最大值為1.61mm，而其他截面均在零件設(shè)計圖紙規(guī)定的型面輪廓尺寸范圍內(nèi)。

2 結(jié)論

2.1 將燃機(jī)5M過渡段零件分成5M-1直段圓筒和5M-2過渡段兩個單件，并行加工后再通過一條環(huán)焊縫連接成過渡段組件。結(jié)構(gòu)調(diào)整后零件型面輪廓質(zhì)量更符合設(shè)計輪廓度要求。

2.2 5M成形模具改進(jìn)后，顯著改善了零件的成形質(zhì)量及交付質(zhì)量，因此，高質(zhì)量的、結(jié)構(gòu)合理的模具是加工優(yōu)質(zhì)鈑金成形零件的關(guān)鍵。

2.3 本論文內(nèi)容來自生產(chǎn)實踐，對類似形狀及材料的零件具有指導(dǎo)意義。

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