燃機5M過渡段型面質量改進

楊海鋼

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

引言

燃機5M過渡段是為GE能源公司加工制造的地面燃機燃燒室部分的一個零件，用于地面燃機燃燒室后部高溫燃氣整流，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葉前的扇形截面，截面積收斂到一定程度而達到渦輪進口截面要求的軸向流速，因此，設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，能夠改善出口流場均勻性[1]。圖1是燃機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。因為零件的形狀構造復雜，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失穩，如起皺、減薄、撕裂、起波楞等。本文從燃機5M過渡段零件

圖1 燃機5M零件的UG數模

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

1 燃機5M過度段成形工藝研制

1.1 成形工藝性分析

燃機5M設計圖將零件沿結合線構成的分型面分為上、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，結構如圖2中的UG數模（A）所示。按過渡段零件的傳統成形工藝，分別對上、下半部進行彎曲拉深成形試制發現，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”位置產生疊料，若增加壓邊力，則在零件的局部位置嚴重減薄；下半部在成形過程中在圖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，毛料變形區的材料完全處于塑性變形狀態，可能產生起皺、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，將會出現縮頸；若以壓縮為主，材料變形區的抗失穩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力，隨拉深發展，當該徑向壓應力達到金屬板料的抗失穩極限時，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系、板料拉深系數、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。

圖2 燃機5M零件成形用UG數模示意圖

圖3 燃機5M增加焊縫的UG數模圖形

圖4 燃機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5M過渡段零件成功開發，為解決成形困難，經過分析，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5M增加焊縫的UG數模示意圖。

1.2 燃機5M-2過渡段成形工藝

根據UG數模，將5M-2過渡段上半部進行展料計算，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，中部兩側邊緣橫向拉裂，方口端兩側面撕裂，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，應降低壓邊力，消除方口端撕裂；在圓口端焊接工藝板，增強板料的橫向強度，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，零件圓口端的一側從工藝板焊縫處撕掉一斜角，圓口端波楞轉移至工藝板上，零件主體型面輪廓質量良好。為防止成形時圓口端從焊縫處撕裂，將毛料加長至930mm，在264噸壓邊力下進行拉深成形后，型面輪廓質量良好，圓口端的褶皺約束在零件的后續加工余量中。

利用UG數模展料計算，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，主體板料兩側拉裂，圓口邊緣出現多個裂口，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，故將毛料尺寸調整至810～820mm。為防止零件成形時兩側面橫向撕裂，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壓邊力下進行拉深成形，零件型面輪廓質量良好，中上部有輕微波楞，經去應力熱處理后模具校正和鉗工修整可以消除。毛料側面切割的“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，零件減薄區的最小壁厚為2.8mm。

按上述成形工藝加工的燃機5M零件獲得了較好的輪廓型面質量。圖5給出5M過渡段零件終檢時三坐標測量機（CMM）檢測的型面截面掃描數據，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。

圖5 燃機5M零件型面截面掃描數據

1.3 燃機5M-2過渡段成形質量改進

提高5M-2過渡段上、下半部的成形質量，關鍵是設計新的成形模具，只有提高零件的成形型面輪廓質量才能最終提高零件交付質量。根據零件成形生產中存在的問題，改進了零件的成形工藝，提出了理想的成形模具結構，盡可能消除零件成形中產生的不可消除的輪廓質量缺陷。

5M-2過渡段上、下半部成形以拉深彎曲為主，Hast“X”合金板料經彈性彎曲、彈塑性彎曲進入純塑性彎曲，成形后去除外載荷，零件型面彈性回復，當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。新設計制造的模具克服了前期5M零件成形生產中的困難，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量；三是增加壓延筋結構，有目的限制成形過程材料的流動速度[10-12]。

圖6 燃機5M-2過渡段上、下半部改進模具成形毛料尺寸

改進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、下半部成形后發現，過渡段上半部零件的型面質量非常理想，表面光滑；下半部零件型面中部有輕微起伏波楞，經過去應力熱處理、激光切飛邊后校形，波紋校平，中部型面圓滑轉接。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、圓口端產生的疊料和波楞等缺陷。改進模具的兩個側面壓延筋結構，消除了老模具成形后在零件側面產生肋狀波棱及在板料側面邊緣產生撕裂等現象。因此，新成形模具不僅提高了零件成形的輪廓型面質量，而且為其他過渡段零件上、下半部成形模具的設計提供了參考。

圖7 燃機5M零件型面截面掃描數據（改進模具）

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

2 結論

2.1 將燃機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焊縫連接成過渡段組件。結構調整后零件型面輪廓質量更符合設計輪廓度要求。

2.2 5M成形模具改進后，顯著改善了零件的成形質量及交付質量，因此，高質量的、結構合理的模具是加工優質鈑金成形零件的關鍵。

2.3 本論文內容來自生產實踐，對類似形狀及材料的零件具有指導意義。

[1]姜偉，趙士杭.燃氣輪機原理結構與應用[M]，科學出版社

[2]李奇涵，王科飛，王立威.基于數值模擬技術的板料沖壓成形模具開發[J]，新技術新工藝，2005年第8期，6-8

[3]周玉輝，吳衛，黃清民.板料成形的數值模擬及其在U形法蘭件中的應用[J]，模具技術，2005年第4期

[4]潘藝國，謝世坤.壓邊力在板料成形中的控制研究[J]，機械工程師，2004，（1）：61-64

[5]郭華英，金淼.板料在半圓形拉深筋中的變形研究[J]，鍛壓技術，2006年第6期

[6]孫成智，羅思東等.拉深過程中壓邊力分布實驗測量方法與數值模擬 [J]，鍛壓技術，2005年第6期

[7]李成武.減少燃燒室轉接段（101E2575P00 2）上半部成型過程中型面缺陷的工藝措施

[8]李小強，曹增強，王俊彪，王永軍.型材拉彎工藝研究進展[J]，航空制造技術，2004年第四期

[9]張曉靜，周賢賓.板料成形回彈模擬[J]，塑性工程學報，1999，6(3)：56-62

[10]王東哲，何丹農，婁臻亮等.壓邊力優化控制研究[J]，模具技術，2000(2)47-51

[11]羅亞軍，鄭靜風，張永清，何丹農.板料拉深成形過程中的變壓邊力技術[J]，鍛壓技術,2003年第2期

[12]王東哲，呂東，何丹農等.板料成形中壓邊力的控制理論研究[J]，鍛壓技術，2000，25(4)