某航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整流葉片鍛造工藝研究

余繼華， 黃艷松， 余三山

（1.海軍駐株洲某軍代室，湖南 株洲412002；2.中航工業(yè)南方公司，湖南 株洲412002）

0 引言

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整流葉片的材料為1Cr13Ni，葉片型面復(fù)雜，扭曲大且無(wú)序，各截面面積大小相差大（如圖1所示），因此毛坯鍛造模具設(shè)計(jì)難度大，葉片變形難以控制，易出現(xiàn)模鍛成形困難以及后續(xù)切邊開裂等問(wèn)題。為保證產(chǎn)品毛坯質(zhì)量，結(jié)合該葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了工藝分析，針對(duì)加工難點(diǎn)提出了相應(yīng)的解決方案，并開展了試制驗(yàn)證。

圖1 產(chǎn)品外觀三維示意圖

1 工藝分析

一般的葉片是通過(guò)葉身型面和榫頭內(nèi)側(cè)面來(lái)確定基準(zhǔn)，以便于葉片的鍛造成形、測(cè)量以及加工，而該葉片只有葉身，缺少榫頭進(jìn)行縱向定位，因此在鍛造過(guò)程中葉片縱向尺寸誤差較大，且測(cè)量不便，后續(xù)加工困難。該葉片葉身型面復(fù)雜，橫截面面積分布不均勻，其中最大截面的面積與最小截面的面積相差近1倍，且葉身型面無(wú)序扭轉(zhuǎn)，在鍛造過(guò)程中易因金屬流動(dòng)過(guò)快而導(dǎo)致折疊問(wèn)題。葉片葉身縱向存在曲線波動(dòng)，且波動(dòng)幅度較大，在鍛造過(guò)程中圓形坯料易因振動(dòng)而產(chǎn)生滾動(dòng)，從而導(dǎo)致局部未充滿的問(wèn)題發(fā)生。該葉片的另一特點(diǎn)就是葉身邊緣處較薄，鍛造過(guò)程冷卻速度較快，在切毛邊時(shí)易出現(xiàn)切裂。

2 工藝方案

由于該葉片葉型無(wú)序扭轉(zhuǎn)，可采用多段折線分模，將進(jìn)氣邊緣和排氣邊緣按分布趨勢(shì)調(diào)整成3～4段折線連接，兩端榫頭部分采用3折線分模，以解決分模難的問(wèn)題。為避免定位難題，在葉片兩頭沿理論基準(zhǔn)Z軸上分別設(shè)計(jì)一個(gè)橫截面積一致、長(zhǎng)短不一的小方榫頭，通過(guò)這兩個(gè)不同的榫頭，可以實(shí)現(xiàn)葉片快速定位，同時(shí)便于后續(xù)葉型尺寸檢測(cè)。為解決葉身厚度不均勻易產(chǎn)生折疊的問(wèn)題可采用預(yù)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ谌~型厚度較薄處相應(yīng)增加0.5 mm厚的余量，并將葉身兩端按趨勢(shì)延伸6 mm，減少整個(gè)葉身的厚度差異。在鍛造時(shí)可先將坯料鐓扁，能夠防止圓形坯料在模具型腔中出現(xiàn)滾動(dòng)，以保證鍛造成型過(guò)程坯料分料均勻，避免局部未充滿。根據(jù)上述方案分析結(jié)果確定的鍛件外觀如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品鍛件外觀示意圖

鍛模毛邊槽一般由橋部和倉(cāng)部組成。為了在毛邊槽內(nèi)產(chǎn)生足夠大的徑向阻力，并容下所有的多余金屬，以及便于切除毛邊，毛邊槽的橋部高度應(yīng)小些，寬度大些，同時(shí)橋部高度減小或?qū)挾仍龃螅K鍛成形時(shí)型槽內(nèi)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)更為強(qiáng)烈，更有助于鍛件充滿成形［1］。因此，可將模具橋部寬度適當(dāng)延長(zhǎng)，以利于鍛件的切邊和充型，最終制作的鍛造模具如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品鍛造模具

3 試制驗(yàn)證

試制坯料為規(guī)格φ20 mm的棒材1Cr13Ni。

依據(jù)上述分析結(jié)論，編制了該葉片毛坯鍛造工藝路線：下料→打磨→加熱→模鍛→切邊→加熱→校正→拋丸→檢驗(yàn)→淬火+回火→拋丸→檢驗(yàn)，其中加熱工序工藝參數(shù)如表1所示。

模鍛工序采用1000 T壓力機(jī)鍛造，坯料加溫后轉(zhuǎn)移時(shí)間要求控制在10 s以內(nèi)，鍛造前先將坯料在模具平臺(tái)處稍微壓扁（厚度約15 mm），然后放入型腔，以剛好放置在兩榫頭之間為宜，再打擊一錘成形，終鍛溫度不低于900℃。鍛造完畢后，趁余熱切邊。淬火采用RJX電爐，850℃以下入爐，隨爐升溫到950℃±10℃，保溫70～100min，散開空冷；回火溫度570℃±20℃，保溫2.5～3 h，空冷。

按上述工藝路線和工藝參數(shù)鍛造3個(gè)鍛件，鍛件實(shí)物如圖4，對(duì)所有鍛件進(jìn)行外觀尺寸質(zhì)量、低倍組織、高倍組織以及力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，所有鍛件尺寸符合鍛件圖樣規(guī)定，表面無(wú)折疊、開裂等缺陷，低倍組織流線正常、無(wú)冶金缺陷、組織均勻，高倍金相組織晶粒度均勻、晶粒度6～7級(jí)（如圖5所示）、自由鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1%，力學(xué)性能見(jiàn)表2，均符合該葉片冶金技術(shù)文件要求。

圖4 鍛件實(shí)物外觀

圖5 鍛件高倍金相組織

表2 試件室溫拉伸力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取多段折線分模、設(shè)置小方榫頭、預(yù)補(bǔ)償葉型厚度、延長(zhǎng)模具橋部寬度等措施，有效解決了該葉片鍛造成形困難、切邊開裂等問(wèn)題，為扭轉(zhuǎn)復(fù)雜型面葉片毛坯的鍛造積累了經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)試制驗(yàn)證，本文所確定的工藝路線及參數(shù)可加工出合格的鍛件，能用于指導(dǎo)該葉片鍛件的批量鍛造。

［1］ 張應(yīng)龍.鍛造加工技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.