中介機匣曲面流道尺寸符合性的新型耦合設計方法

■ 史成龍 錢巍 郄喜望 南海 / 中國航發(fā)航材院

為滿足中介機匣的設計和使用要求，同時提高產(chǎn)品合格率、縮短研制周期，傳統(tǒng)的曲面流道尺寸符合性設計方法已力有未逮，融合仿真模擬、數(shù)字化采集、智能化分析和多變量精確應用的新型耦合設計方法成為了攻克難題的關鍵技術。

鈦合金中介機匣位于航空發(fā)動機中段，連接高壓壓氣機和低壓壓氣機，是航空發(fā)動機的重要構件。作為發(fā)動機主承力框架，鈦合金中介機匣除了承受發(fā)動機整機質(zhì)量、振動和機動過載外，還起著對整個發(fā)動機氣流分流的作用，如圖1所示。中介機匣曲面流道尺寸的偏差會直接影響內(nèi)外涵道的氣流量，進而影響涵道比，而涵道比的偏差最終會影響發(fā)動機的推力大小。因此，中介機匣曲面流道尺寸作為關鍵設計點，對流道輪廓度和粗糙度均提出了非常高的要求。

近年來，熔模精密鑄造鈦合金ZTC4以其近凈成形（指僅需少量加工或不再加工，就可用作機械構件的零件成形技術）優(yōu)勢和優(yōu)異的綜合性能，在航空航天領域得到廣泛應用。熔模精密鈦合金技術日趨成熟，對鈦合金鑄件也提出了尺寸100%符合設計要求的目標。但對于中介機匣實現(xiàn)尺寸100%符合設計的要求，采用傳統(tǒng)方法存在難度大且成本過高的弊端。在此背景下，創(chuàng)新團隊提出一種新型耦合設計方法，來降低中介機匣的研制風險、縮短研制時間和降低成本。

圖1 中介機匣內(nèi)涵流道和外涵流道示意

尺寸符合性關鍵因素分析

在制造中，對尺寸產(chǎn)生影響的因素主要包括模具、澆注系統(tǒng)、冷熱變形等。其中，澆注系統(tǒng)可以通過模擬和調(diào)整設計方案來降低影響，冷熱變形可以通過校型降低影響，但模具對鑄件尺寸的影響卻很難通過以上的措施來降低，因為優(yōu)化工藝及決定鑄件尺寸的主要因素是蠟模尺寸，以及鑄件澆鑄成形過程中自由收縮率和結構受阻收縮率。這兩種收縮率在澆鑄過程中較難實現(xiàn)有效的控制，尤其是對鈦合金鑄造來說，傳統(tǒng)意義上的局部加冷鐵等方法改變收縮率的效果不佳，所以需要建立尺寸的網(wǎng)絡關系，調(diào)整不符合圖紙要求的模具尺寸，來滿足鑄件尺寸要求并完成產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)。

針對上述關鍵影響因素，創(chuàng)新團隊首先從鈦合金復雜結構中介機匣的熔模精密鑄造研制全流程（如圖2所示）開始分析，整理出所涉及的幾十個工序，每個工序包含的操作過程擴展為5 ～10個步驟。從眾多的流程步驟中按照對曲面流道輪廓產(chǎn)生影響的大小程度分析排序，進而梳理出對曲面流道輪廓影響最為重大的5個工序，包括模具設計與制造、蠟模制備、型殼制備、熔煉澆注和冷熱加工等，如圖2中紅框所示。

圖2 鈦合金復雜結構機匣研制主要流程

創(chuàng)新團隊把對曲面流道輪廓尺寸影響最大的5個工序單獨列出，并借助“魚骨分析法”梳理出各工序影響曲面流道輪廓的數(shù)十項細節(jié)因素（如圖3所示），并總結出3項關鍵技術，包括復雜結構機匣模具內(nèi)腔模型設計技術、異形薄壁機匣曲面流道輪廓尺寸形狀控制（全輪廓度1mm）和大尺寸大質(zhì)量機匣流道表面完整性控制技術（粗糙度≤1.6μm）。由圖3可以看出，每個工序中對曲面流道輪廓尺寸的影響因素很多，同時這些影響因素所涉及的專業(yè)和領域眾多，而且不同工序的因素存在相互影響甚至交錯影響。例如，設備問題、車間溫度、車間濕度、爐內(nèi)真空度等屬于裝備類因素；出模人員因素、型殼磕碰破損、澆注人為因素等屬于人為因素；模具設計錯誤、工藝設計不合理、熱工藝設計不合理等為設計因素。

圖3 影響因素魚骨圖分析

尺寸符合性設計總體思路與實踐

針對上述影響因素和關鍵技術，創(chuàng)新團隊首先借助鈦合金熔模精密鑄造平臺的自動化水平的提升，包括不斷提升型殼制備、復雜結構內(nèi)部缺陷數(shù)字化檢測、熒光檢測、模具結構自動化和機器人自動打磨設備的自動化水平，處理了圖3中的36個影響因素；其次充分利用計算機模擬仿真技術對正向設計的促進作用，通過蠟模充型模擬、金屬液充型模擬、缺陷模擬等技術處理了圖3中的10個因素；然后對剩余的因素采用具體問題具體分析解決的方案處理了其中的12個因素；最后還剩以上方案均無法處理的5個因素，包括蠟模和鑄件的冷卻受阻收縮和自由收縮，以及鑄件熱自由收縮等。針對最后5個因素，團隊調(diào)整思路，將這5個因素看成固定規(guī)律，由此找出中間隱藏的一致規(guī)律性，繼而依據(jù)收縮規(guī)律將整個流道的變化按物理特性分為兩個獨立且可定量評價的部分，將這些數(shù)據(jù)規(guī)律收入數(shù)據(jù)庫中。隨著數(shù)據(jù)的豐富，可以用整體收縮率來設計新機匣的模具內(nèi)腔模型，用分階段收縮率制作合格蠟模模型，用以驗收模具蠟模或輸出3D打印快速成形蠟模的制作要求。

此外，創(chuàng)新團隊在實踐中還引入了藍光非接觸數(shù)字化檢測設備及分析技術，廣泛應用于研制全流程的數(shù)據(jù)收集和處理，實現(xiàn)對隱藏在表面現(xiàn)象背后規(guī)律的梳理、驗證和推廣。創(chuàng)新團隊通過對1000多萬個數(shù)據(jù)點的自動采集和智能化處理，實現(xiàn)了高效輸出偏差數(shù)據(jù)的目標。通過對數(shù)據(jù)的梳理發(fā)現(xiàn)，單一參數(shù)設計理念無法滿足三環(huán)曲面流道輪廓的設計要求，只有多參數(shù)耦合設計才能突破目前曲面流道輪廓偏差大的技術瓶頸。

圖4 中介機匣實際掃描數(shù)據(jù)示例

設計方法驗證

通過本項目的實施，創(chuàng)新團隊將中介機匣的三環(huán)流道輪廓偏差由3mm波動范圍控制到了1mm的范圍內(nèi)（如圖4所示），并且提供了良好的原始流道基底。經(jīng)過表面處理后，流道粗糙度實現(xiàn)了小于1.6μm的目標，同時減少了大量的流道補焊、打磨等返工過程，周期縮短了1/3。經(jīng)過進一步的分析還發(fā)現(xiàn)，借助數(shù)據(jù)庫中分階段收縮率制作的合格蠟模模型可以把對鑄件曲面流道合格與否的判斷結果提前到對蠟模流道合格與否的判斷上，將判斷里程碑提前了30天。此外，根據(jù)蠟模流道輪廓偏差數(shù)值可以及時報廢不合格的蠟模，成本降低了20%，成品率也得到提升。

本項目的方法目前已經(jīng)在國內(nèi)所有型號的中介機匣上得到應用，并應用在LEAP發(fā)動機上。此外，團隊與GE航空集團、羅羅公司和俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機制造集團（UEC）開展了關于新一代發(fā)動機中介機匣的研制合作，并將本方法應用到新一代GE9X、PD-35和羅羅公司的發(fā)動機機匣的研制中。

結束語

基于仿真模擬與數(shù)字智能化全流程尺寸檢測，創(chuàng)新性地建立了航空發(fā)動機用關鍵結構件曲面流道尺寸符合性耦合設計方法，使流道輪廓尺寸波動范圍由3mm縮小到1mm的范圍，極大地縮短了研制周期，并且降低了鑄件報廢率，近凈成形能力大幅提升。此外，團隊進一步制訂了項目的后續(xù)目標：隨著所收集數(shù)據(jù)的增多，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫資源的不斷豐富，并結合計算機模擬收縮率數(shù)值的補充，最終形成一個足夠豐富連續(xù)的數(shù)據(jù)庫平臺，當有新機匣的研制任務時，可實現(xiàn)在智能分析后輸出新機匣的曲面流道設計參數(shù)。