某型號渦輪機匣的工藝試制與改進方案研究

周 輝 孔祥水 宋碧秋

(中航動力株洲航空零部件制造有限公司 湖南·株洲 412002)

1 零件結構特點

渦輪機匣是航空發動機上的關鍵部位，它與壓氣機機匣和中介機匣，內置燃燒室、火焰筒、燃氣渦輪導向器等部件相連接，工作溫度約為320℃。

某型號渦輪機匣是其中最具代表性的一個零件。其外觀如下：

該機匣最小壁厚為0.8mm，由前安裝邊、后安裝邊和機匣壁焊接組成的，屬于典型的薄壁焊接件，焊接技術是關鍵，同時零件剛性差，加工過程中極易產生變形，尺寸及位置精度很難保證。尤其是小頭安裝邊上3個7H7的孔相對于基準A、B、C的位置度誤差要求不大于0.05，其中基準A為大安裝邊安裝面，基準B為大安裝邊上的3個7H7的孔，基準C為3個7H7中的角度為0°的孔。這一要素成了我們零件試制的攔路虎，久攻不下。

2 零件材料特性及加工特點

2.1 零件材料特性

前安裝邊的材料為Z5CNU17-04，是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，它具有較高的強度、耐腐蝕，抗氧化和可焊性，適用于制造 400℃以下的高強度耐蝕零件。相當于國產牌號0Cr17Ni4Cu4Nb。

后安裝邊的材料EZ3NCT25是Fe-25Ni-15C基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼綜合強化。相當于國產牌號GH2132。在650℃以下具有高的屈服強度和持久蠕變強度，并且具有很好的加工塑性和滿意的焊接性能，適合制造在650℃以下長時間工作的航空發動機高溫承力部件。

機匣壁和凸臺的材料為NC22DNb，是以鉬、鈮為主要強化元素的固溶強化型鎳基高溫合金，相當于國產牌號GH625。具有優良的耐腐蝕和抗氧化性能，從低溫到980℃均具有良好的拉伸性能和疲勞性能，并且耐鹽霧氣氛下的應力腐蝕。

2.2 高溫合金與不銹鋼的切削加工特點

（1）刀具磨損劇烈，刀具壽命下降。

（2）加工硬化現象十分嚴重，已加工表面硬化程度可達基體硬度的1.5～2倍。

（3）切削時容易粘刀，增加切削加工難度。

（4）切屑硬而韌，不容易被折斷，造成切削過程中切屑處理很麻煩。

（5）切削力大。

（6）切削溫度高，車削GH2132時，在一樣的切削條件下，切削溫度大約為45鋼的1.5～2倍。

3 渦輪機匣加工過程簡介

工藝流程：配套-鉗工-超聲波清洗-鉗工-自動氬弧焊-X光-時效處理-鉗工-超聲波清洗-自動氬弧焊-X光-穩定處理-滾壓兩焊縫-校正-車端面-車安裝邊-鉆定位孔-沖孔去毛刺-配套-修配-超聲波清洗-手工氬弧焊-校正-X 光-檢驗-配套-打磨-手工氬弧焊-吹砂-檢驗-熒光檢查-檢驗-車工-數車小頭-數車大端外圓及端面-數銑凸臺-數銑各孔-攻螺紋-數銑孔定位-攻絲-數銑孔定位-攻螺紋-磨削小安裝邊-數銑孔小頭-數銑大頭-去毛刺-熒光-檢驗-配套-安裝襯套-終檢-超聲波清洗。

4 零件試制中出現的問題

工序名稱 出現的問題 原因分析自動氬弧焊 反面焊縫超寬，有未熔合和氧化現象1.焊接規范不當2.反面氬氣未保護好數銑代替鉗工鉆孔 4.1孔徑超差，由于在斜面上加工孔，刀具容易漂移手工氬弧焊1.一個凸臺整圈氧化 反面氬氣未保護好2.焊工操作不方便，操作空間不夠 焊接夾具設計不夠合理鉗工1.凸臺的位置校正困難2.凸臺位置度測具只能測量孔的位置度，計量工作量大1.焊接變形大2.測具設計不合理X光檢驗 發現凸臺焊縫內部裂紋 1.焊前零件清理得不干凈2.焊接參數選用不當熒光檢查 發現凸臺焊縫表面微裂紋 焊接參數選用不當數車 內孔 260+0.081 0圓度超差 零件裝夾變形數銑 13+0.2 0孔離大端面的距離偏小 零件沒有裝到位數銑 3－ 6+0.15 0的位置度超差 1.零件定位面不平2.零件裝夾變形數銑3孔 7H7相對于小頭三孔的位置度超差，要求為 0.05，實際為0.058 1.夾具設計不夠合理2.零件裝夾變形數銑3孔 7H7相對于大端3孔 7H7的位置度超差，要求為 0.05，實際為0.062 1.夾具設計不夠合理2.零件裝夾變形

通過質量檢驗發現，影響渦輪機匣加工質量的主要因素是凸臺焊接和精密小孔的加工。

5 影響凸臺焊接和精密小孔加工質量的原因分析與工藝改進

X光與熒光檢查發現渦輪機匣最多的焊接缺陷是裂紋。裂紋是最嚴重的一種缺陷，它不但減少接頭的有效工作面積，降低接頭強度，還由于裂縫有一個尖銳缺口、將引起較大的應力集中，因而能引起裂縫的繼續擴展，由此導致整個構件的突然斷裂。特別是承受動載時，這種缺陷是很危險的。所以焊接接頭中如有裂縫，必須鏟除補焊。產生裂紋的原因很復雜，下面是它的原因分析魚刺圖。

將凸臺焊接產生裂紋的主要原因確定為焊前零件清理不干凈和焊接參數選用不夠合理。影響精密孔的加工精度的主要措施是消除裝夾變形，提高零件剛度，決定從以下幾方面進行工藝改進。

5.1 焊接方面的工藝改進

針對焊縫裂紋的問題，采取措施一、重新調整焊接規范；措施二、嚴格要求鉗工工序將零件基體打光并清理干凈。采取以下措施：

（1）從工藝規程上改進，將定位焊與連續焊分成兩步進行；

（2）申請連續焊接夾具，原焊接夾具只作為定位焊接用；

（3）定位焊接以后、連續焊接之前增加一道鉗工工序，利用位置度測具校正凸臺的位置；

（4）改進凸臺位置度測具，增加測量凸臺端面位置度及傾斜度的測量面；

（5）要求定位點焊的焊點不能太大，一定要能被連續焊縫所覆蓋。

5.2 為消除零件裝夾變形采取的措施

由于渦輪機匣是薄壁零件，加工過程中很容易產生變形，采取措施如下：

（1）提高零件定位面的平面度，增加鉗工研磨大端面；

（2）因為零件定位圓有橢圓，加大夾具定位孔的尺寸，保證零件能自如地放進夾具，不致引起裝夾變形；

（3）修整夾具的支靠面，不平度小于0.01mm；

（4）操作者在壓緊零件時，沿圓周對稱均勻壓緊作用力盡量保持一致。

5.3 為提高精密孔的位置度而采取的措施

加工零件前后安裝邊上3圈精密孔。為了保證位置度，達到設計要求，采取過定位提高定位精度，防止零件變形，同時提高夾具的制造精度，合理選擇切削用量的措施。

（1）工件的六點定位原理以及過定位。一般情況下，應該避免使用過定位，然而對于渦輪機匣這種剛性差而精度要求比較高的零件來說，為了提高定位精度，則必須使用過定位。

此外，由于渦輪機匣是薄壁件，剛性差，零件的變形容易使孔的位置度發生變化，采用三個定位孔過定位的方法有利于防止零件因變形而造成的位置度偏移。這種具有一定概率特性的綜合效應，就是多孔定位能獲得高定位精度的根據。但是為了防止過定位出現問題，對定位件的尺寸、形狀和位置精度必須嚴格要求。而工件定位基準也必須具備足夠的精度。當定位可能出現緊度時，其局部接觸應力和工件結構上的變形，都必須在允許的范圍內進行。而且裝卸工件時的作用力應適當。

（2）通過夾具定位精度提升并選擇合理的切削用量，裝夾時注意作用力一致，能夠加工出合格零件。

6 結束語

某型號渦輪機匣的試制現已取得了階段性的進展，已經通過了客戶的首件認證，并已拿到了批生產訂單。為新機研制打下了基礎，也為以后加工類似薄壁焊接件積累了經驗。