重型燃機(jī)燃燒室過渡段制造技術(shù)及應(yīng)用

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 110043）劉春偉 吳會萍 楊樹余

燃機(jī)燃燒室過渡段是引導(dǎo)燃?xì)饬黧w轉(zhuǎn)接過渡零件，是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，通過改變截面形狀，使氣流通道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，進(jìn)行燃機(jī)燃燒室后部高溫燃?xì)庹鳎ぷ鳒囟燃s為900～1100 ℃。因此，過渡段零件設(shè)計上既要保證零件截面由圓形到扇形盡可能平滑過渡，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。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計上看，燃燒室過渡段是由一組按固定角度排列的截面輪廓線被一條貫穿所有輪廓中心的順滑斜中心線串連成的異形筒體。零件是由圓形截面的進(jìn)氣口和扇形方口截面的出氣口組成，中間由過渡截面按照各自固定的角度在斜中線上排列，最終形成一個完整的燃?xì)饬魍ǖ馈Ｒ蛐螤睢⒔Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，型面變化劇烈，厚度變化大，難以保證剛度及熱強(qiáng)度，在高溫?zé)釠_擊條件下易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，成為燃燒室結(jié)構(gòu)中降低使用壽命的薄弱環(huán)節(jié)。而且，燃機(jī)功率不同，燃燒室尺寸亦不相同。這就導(dǎo)致過渡段零組件的加工工藝較為復(fù)雜，技術(shù)難度高，型別間差異也較大。

1.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

過渡段組件是形狀復(fù)雜焊接殼體的零件，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由4個主要零件和6個小零件焊接而成。這些零件有鈑金件、機(jī)加件及精密鑄件，零件材料有N263、FSX-414、L605及HAST X，焊接所需焊絲有B50A783和B21B111，在組合件上焊接的焊縫有13條，焊縫總長約3.2 m，每條焊縫都需分3層焊接。焊縫密度大、變形大，這就導(dǎo)致過渡段零組件的加工工藝較為復(fù)雜、技術(shù)難度高、型別間差異也較大。過渡段基體材料為N263，厚度為4.78 mm，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件型面變化劇烈，型面的輪廓度為2.0 mm，沖壓成形困難，容易出現(xiàn)褶皺和減薄的現(xiàn)象。過渡段的外套材料為不銹鋼，零件型面復(fù)雜且型面上要求加工474孔，孔的位置度1.5 mm。由于零件型面復(fù)雜，且孔內(nèi)不允許有重熔層，因此，孔加工方案確定及加工成為難點(diǎn)。

圖1 過渡段組合件UG模型

2.盒型沖壓拉伸技術(shù)的應(yīng)用

采用“上下分型沖壓成形上下半部、再組合焊接”的總體工藝方案，工藝設(shè)計接近國際先進(jìn)水平。圖2所示為過渡段的分型UG模型。通過對不同型別過渡段特性尺寸的分析研究，建立了沖壓成形模具結(jié)構(gòu)選型預(yù)案，以毛料受力分析為基礎(chǔ)，預(yù)設(shè)3種結(jié)構(gòu)方案：自由彎曲結(jié)構(gòu)、帶壓邊彎曲結(jié)構(gòu)和拉深結(jié)構(gòu)。與產(chǎn)品分型特點(diǎn)相適應(yīng)，設(shè)計出行程限位裝置、壓料限位塊等部件，突破了半部沖壓成形技術(shù)。

如果過渡段脊線的起伏較大，“波谷”進(jìn)一步加深，即使采用帶壓邊的彎曲結(jié)構(gòu)，也不能完全消除堆積褶皺。此時需采用盒形拉深校正結(jié)構(gòu)，使毛坯在雙向拉應(yīng)力作用下變形、流動，最后“鐓死”貼模。比較而言，此結(jié)構(gòu)更容易控制毛料流動變形，可以獲得較理想的沖壓件，但因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和變形工藝的需要，毛料四周均需較大的工藝余量，材料利用率顯著降低。對過渡段而言，“拉深工藝”與“帶壓邊的彎曲校正工藝”在模具結(jié)構(gòu)上無實質(zhì)區(qū)別，差別僅在于毛料縱向尺寸的大小——毛料足夠長，沖壓后能夠在方、圓口兩側(cè)形成側(cè)壁便是“拉深”，否則就是“彎曲”。

圖2 過渡段上下分型UG模型

圖3所示是過渡段上半部的典型成形模具，其壓邊圈的結(jié)構(gòu)采用的是曲面結(jié)構(gòu)，與焊接結(jié)合線的形狀類似，此種結(jié)構(gòu)可較好地解決成形過程中的毛坯“懸空”問題，因其分型面的形狀基本與過渡段的“脊線”一致，成形前，在減振力的作用下首先對坯料進(jìn)行了預(yù)彎，這樣可實現(xiàn)縱向全型面同步進(jìn)行變形，避免懸空區(qū)聚料現(xiàn)象。

3.空間型面檢測技術(shù)

過渡段半部成形后的零件為中空零件，且形狀復(fù)雜，無法經(jīng)簡單測量進(jìn)行評定。設(shè)計制造專用的測量支架（見圖4），以零件兩端內(nèi)型面做間斷式線接觸支撐，消除因零件型面局部異形可能產(chǎn)生的偏差，同時以工藝孔做零件定位（成形時產(chǎn)生工藝窩，經(jīng)加工后形成工藝孔）。以測量支架圓口支板上的定位銷及方口支板為基準(zhǔn)，將定位銷軸線與零件型面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖4所示的坐標(biāo)系。如此建立的三坐標(biāo)測量用坐標(biāo)系，與設(shè)計基準(zhǔn)對應(yīng)一致。

對零件21個截面進(jìn)行逐一掃描。進(jìn)行每個截面掃描前需按設(shè)計圖標(biāo)定的截面位置、角度進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即將三坐標(biāo)掃描原點(diǎn)移至被測截面的幾何中心。三坐標(biāo)測量機(jī)掃描獲得的點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)不能直接進(jìn)行零件輪廓評定。需使用記事本、Excel、AutoCAD等應(yīng)用軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，生成截面的掃描圖形，將其與相應(yīng)的理論截面圖粘貼在一起進(jìn)行尺寸比較、判定（見圖5）。圖5中白色線條為零件截面理論輪廓，綠色線條為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成的實測截面形狀。

4.空間結(jié)合面的激光加工技術(shù)

過渡段焊接結(jié)合面為空間曲面，且零件為鈑金薄壁件。由于零件特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此加工中無法對零件進(jìn)行壓緊。零件在成形過程中，由于“回彈”而造成零件兩側(cè)的型面與理論的型面有很大的差異，因此，在加工結(jié)合線過程中會造成加工工具與零件出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象。在結(jié)合線加工過程中，由于零件自身的應(yīng)力，加工后零件會出現(xiàn)不同程度的變形（每批有變化），因此，為了上下半部更好地配合到一起，加工中上下半部要同時加工，然后根據(jù)裝配情況，進(jìn)行程序上的微調(diào)。綜上所述，采用五軸聯(lián)動激光設(shè)備加工結(jié)合面為最佳方案。

使用UG軟件，用point set功能在分型線上每3 mm生成一個點(diǎn)，根據(jù)弧長共產(chǎn)生256個點(diǎn)，將當(dāng)前坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成工作狀態(tài)的坐標(biāo)系。圖6所示為激光編程用UG模型。通過object→type→point對每個點(diǎn)進(jìn)行分析并生成文件，在word文件中編輯用于處理機(jī)器識別語言的宏程序，將其變成機(jī)器語言，編制出設(shè)備能識別的代碼。加工過程中通過激光設(shè)備五軸聯(lián)動實現(xiàn)空間型面切割。激光切割技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用極大地縮短了過渡段系列產(chǎn)品的開發(fā)研制進(jìn)度，并使之得以迅速轉(zhuǎn)入大批量生產(chǎn)。

圖3 過渡段上半部盒型拉深、校正模具簡圖

圖4 三坐標(biāo)測量支架及坐標(biāo)系示意圖

圖5 掃描圖形與理論輪廓對比圖

5.空間曲線機(jī)械手焊接技術(shù)

按照圖樣要求，過渡段分型面的焊接要求采用鎢極氬氣保護(hù)焊，單面焊雙面成型。開始時我們采用手工氬弧焊，但工作效率低且零件焊透效果不好，焊縫寬度不均勻。通過引進(jìn)德國Cloos公司Robert450機(jī)械手焊接系統(tǒng)，采用人工智能新技術(shù)，對焊接部位進(jìn)行激光跟蹤，解決焊縫寬度均勻性及焊接合格率等問題，同時通過調(diào)整焊接參數(shù)，在提高生產(chǎn)效率的同時，還實現(xiàn)了單面焊雙面成型。目前已完全掌握了空間曲面機(jī)械手自動化焊接新技術(shù)，并已經(jīng)有能力加工所有型別的過渡段和過渡段外套及襯套組件，以及部分型別火焰筒及其外套等產(chǎn)品。

6.安裝邊整體鍛件加工技術(shù)

該技術(shù)產(chǎn)生的自由鍛成形方法是一種優(yōu)化的鍛造方法，能夠在普通鍛壓設(shè)備上立式成形，填補(bǔ)了鍛造行業(yè)的空白。利用此技術(shù)制造的整體鍛件，其金屬流線處于理想的連續(xù)且均勻分布狀態(tài)，零件的組織性較好，所實現(xiàn)的鍛件周廓均勻分布的完整流線是其他工藝方法不可比擬的。

安裝邊整體鍛件自由鍛成形工藝流程為：棒料→鐓粗、沖孔→擴(kuò)孔→單邊拔長→扣角→整形→校型→預(yù)鍛→終鍛→去除毛邊、校正。

此技術(shù)與同類產(chǎn)品制造技術(shù)相比，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約原材料及減少加工費(fèi)用等方面都有大幅度改善，其產(chǎn)品與原始產(chǎn)品相比，能夠節(jié)約原材料40%～60%，成本價降低50%以上。此項技術(shù)成果已獲得國家專利。

7.安裝邊斜孔電火花加工技術(shù)

電火花高速小孔加工除了要遵循電火花加工的基本機(jī)理外，還有別于一般的電火花加工方法，其主要特點(diǎn)是：①采用中空的管狀電極。②管狀電極中通有高壓工作液，以強(qiáng)制沖走加工蝕除產(chǎn)物。③加工過程中電極要作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，可以使管狀電極的端面損耗均勻，不致受到電火花的反作用力而產(chǎn)生振動傾斜。由于高壓工作液能夠迅速強(qiáng)制將放電蝕除產(chǎn)物排出，因此，這種電火花加工的特點(diǎn)就是加工速度很高，一般電火花小孔的加工速度可以達(dá)到30～60 mm/min，比機(jī)械加工鉆小孔的速度要快。電火花高速小孔加工最適合加工直徑為0.3～3 mm左右的小孔，而且理論上深徑比可以超過200∶1。

通過研究電火花加工特性，結(jié)合安裝邊斜孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見圖7），經(jīng)試驗、反復(fù)摸索加工參數(shù)，建立了一整套適應(yīng)各型別安裝邊斜孔加工的數(shù)據(jù)庫，如電極制造公差、導(dǎo)向器導(dǎo)向孔徑的磨損量、冷卻液電導(dǎo)率、內(nèi)冷卻水的壓力及電加工參數(shù)等，解決了小徑斜孔加工技術(shù)難題。

8.高壓水切割氣膜孔技術(shù)

水切割又稱水刀、磨料水射流，是最近20年發(fā)展起來的加工技術(shù)，它可加工的材料范圍十分廣泛，能切割各種硬質(zhì)合金、金屬、硅酸鹽玻璃、陶瓷和大理石等材料。水切割的加工原理是：磨料與高壓水（水的壓力為380 MPa）首先進(jìn)行混合，形成高速水射流，以極高的速度經(jīng)聚焦管噴出，以一定的沖蝕動能沖擊工件表面，由此引起材料局部表面形成高度應(yīng)力集中，產(chǎn)生沖蝕、剪切作用，直至材料失效而被去除。

圖6 編制激光切割程序用UG模型

圖7 安裝邊斜孔示意圖

燃燒室過渡段各型別過渡段外罩型面上有478～574個孔不等，從方口到圓口孔徑從φ（5.22±0.10）～φ（12.70±0.12）mm不等，所有孔位置度均為φ1.52 mm，表面粗糙度值為Ra=3.2 μm。如果采用機(jī)械加工方法加工，由于零件型面復(fù)雜、輪廓度較大，易造成零件與刀具碰撞而損傷設(shè)備，且加工時間較長，機(jī)加工留下毛刺也很難去除。如采用特種加工方法加工，會造成零件帶有重熔層，這也是設(shè)計不能允許的。高壓水切割加工切削力小，且與激光切割設(shè)備相比，它屬于冷加工范疇，在加工過程中產(chǎn)生很少的熱量，不會影響加工區(qū)金屬的金相組織（即加工后沒有重熔層），加工表面沒有毛刺，表面粗糙度值可以達(dá)到Ra=3.2 μm，加工效率是機(jī)械加工效率的10倍。加工時使用的軟件為Surface Cam專用軟件，通過設(shè)備的五軸聯(lián)動實現(xiàn)零件的加工。圖8所示為其加工軌跡模擬示意圖。

圖8 水切割加工軌跡模擬示意圖

9.結(jié)語

通過重型燃機(jī)過渡段的研制生產(chǎn)，建立了一套燃燒室過渡段加工工藝流程，掌握了過渡段加工的各項先進(jìn)技術(shù)，解決了重型燃機(jī)燃燒室過渡段加工的國產(chǎn)化問題，并實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

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專家點(diǎn)評

文中所述重型燃機(jī)燃燒室過渡段為大型異形筒件，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度較大，在加工過程中使用了復(fù)雜型面沖壓拉伸成形、空間曲面檢測、激光切割、機(jī)械手空間曲線焊接、整體鍛件加工、斜孔電火花加工以及高壓水切割等多項加工技術(shù)，形成了一套完整的異形筒體加工制造方案，解決了大型異形筒體的加工難題，并積累了豐富的經(jīng)驗，為其他類似零件的研制生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。