離心壓氣機匣壁成形分析及試驗研究

文/徐念·湖南南方通用航空發動機有限公司

本文分析了兩種不同材料的離心壓氣機匣壁成形的工藝方法，并結合生產過程做出相應的改進。結合兩零件不同的最佳成形方案：“由扇形料經鉗工卷成圓錐筒、焊接后由成形模沖壓成形”和“拉深整體成形”，進行材料的成形分析及對兩個零件采用同種工藝方法、同套工裝的可行性進行計算分析。從降低成本的角度考慮，最終大膽決定兩個零件采用同種成形方案。其中一個零件改變其最佳成形方案后，成形風險大大增加。通過改進，最終解決了此零件的成形及尺寸超差問題。

零件分析

我司接到兩種不同材料的機匣壁訂單，零件尺寸一樣(圖1)，但焊縫要求不同，參數對比如表1 所示。

表1 零件參數對比

圖1 零件尺寸

一般說來，金屬材料的沖壓性能是通過對各種材料的力學指數的比較進行分析的，包括強度指數和塑性指數兩類。強度指數是指材料的屈服點σs、抗拉強度σb、屈強比σs／σb。當σs、σb的值越大，材料的變形抗力也越大；σs／σb的值越小，則材料許可加工的區間越大，成形過程中斷裂的危險越小，表明材料具有良好的沖壓性能。因此，對兩種零件進行比較，零件B(材料AMS5599)變形抗力較大，且沖壓性能也遠不及零件A(材料AMS5512)。最終工藝方案選擇如下：

(1)機匣壁零件B，設計圖允許存在焊縫，依據“成形時盡可能使材料變形程度小”的原則，初步判斷此零件可以采取“由扇形料經鉗工卷成圓錐筒，焊接后由成形模沖壓成形”的成形方案，如圖2 所示。

圖2 焊接后由成形模沖壓成形

(2)機匣壁零件A，材料是高溫耐蝕不銹鋼，相當于國產牌號0Cr18Ni11Nb，冷應變塑性及可切削性均良好。因其不允許有焊縫，確定采取“拉深整體成形”的成形方案，如圖3 所示。

圖3 拉深整體成形

成形工藝方案及參數確定

在保證零件質量的前提下，盡量使這兩個零件采用同種工藝方法(拉深整體成形)，且使用同種工裝，從而降低成本。

當采取拉深整體成形的方法時，零件不會出現焊縫，從而確保兩個零件均符合圖紙要求。但采取此種方法，零件B 的成形存在較大風險。

工藝計算

(1)分析零件的材料性能、結構特點，初步確定拉深的圓角半徑R凸＝R凹＝10mm，即工件底端及口部的圓角半徑均為10mm。同時，根據經驗留取0.3mm的漲型量。由于材料的各向異性和拉深時金屬流動條件的差異，為了保證零件的尺寸，必須留出修邊的余量。通過計算，零件沖工工序尺寸要求，如圖4 所示。

圖4 零件沖工工序尺寸要求

(2)按毛坯面積等于拉深件表面積的原則來確定毛坯的直徑，按圖5 中的方法反復計算，最終將毛坯的直徑定為520mm。

圖5 毛坯直徑計算

(3)進行特征分析并通過公式計算，查閱資料取P=3.7，零件B 的壓邊力為482353N，而我司現有設備為315t(頂出公稱壓力630kN)，能滿足此件的拉深成形。因此最終確定兩零件可采取同種拉深整體成形的方法。

(4)分析此類零件拉深整體成形的常規工藝流程：先拉深成錐形，車內孔，然后翻邊，需兩套模具和兩套車工夾具，中間還需消除應力。常規拉深成形方案如圖6 所示。

圖6 常規拉深成形

(5)通過分析零件的材料性能、結構特點，查閱資料取其拉深系數m=d/D=0.52。分析此零件材料為鎳基合金，查閱資料其第一次拉深系數為0.54 ～0.59。按照在保證零件質量的前提下盡量減小拉深次數的原則，最終決定兩個零件采用同種成形方案：一次拉深成形。

(6)計算毛坯相對厚度t/D×100=198/520=0.38，經查表應采用壓邊圈；因此，拉深模結構如圖7 所示。

圖7 拉深模結構

(7)工藝流程：10 激光切割→20 鉗工→30 噴漆→40 沖工→50 清洗→60 消除應力→70 沖工→80車工→90 鉗工→100 漲型→110 車工→120 鉗工→130 檢驗→140 清洗→150 檢驗。

工藝改進

“沖壓改進”方法

(1)零件A 成形時，為避免零件開裂，首次拉深時涂抹潤滑油，零件經拉深后起皺嚴重。

(2)不加潤滑油，一次拉到底。零件A 成形良好，而零件B 嚴重開裂。因此壓邊圈的壓力必須適當。如果過大，就要增加拉深力，會使工件拉裂。若壓力過低就會使工件的邊壁或凸緣起皺。而為了消除零件B 的皺紋，采取分段拉深的方法，同時調整壓邊力。

(3)經過多次試驗，在沖工工序，采用分工步拉深成形的方式，具體操作為先不加潤滑油，壓邊力調到25MPa，拉深高度為90mm；然后把壓邊力調至20MPa，加潤滑油拉深至最終尺寸。零件起皺現象明顯減輕，但質量不穩定，偶有開裂或起皺現象。

(4)為保證成形的穩定性，最終決定由兩道沖工完成成形，兩次拉深成形方案如圖8 所示。先拉深至高度92mm，然后消除應力，再拉深至最終尺寸。經此方法成形，零件成形質量穩定，再未出現開裂或起皺現象。

圖8 兩次拉深成形方案

“工藝流程改進”方法

(1)增加兩道標印工序(噴漆前和鉗工后)，對兩種零件加以區分。

(2)沖工成形由一道工序變為兩道，并增加所需的相應工序。零件A 工藝流程不需更改，而零件B改進后工藝流程為：10 激光切割→20 鉗工→30 標印(增)→40 噴漆(增)→50 沖工(增)→60 清洗(增)→70 消除應力(增)→80 噴漆→90 沖工→100 清洗→110 消除應力→120 沖工→130 車工→140 鉗工→150 標印(增)→160 漲型→170 車工→180 鉗工→190 檢驗→200 清洗→210 檢驗。

“漲型改進”方法

(1)采用漲型模和內撐式車工夾具，模擬組合狀態同時加工與上下安裝邊相配的部位，確保組合時滿足焊接要求(①同軸度。②對接處錯位不大于0.1mm)。

(2)經沖工成形及校正后，3827532-2-3 尺寸合格，但零件B 尺寸超差，如表2 所示。

表2 兩零件成形后尺寸對比

漲型時，可采用先將零件大頭漲到尺寸φ(334±0.1)mm，再將零件翻過來漲小頭，保證尺寸φ(272 ±0.1)mm 的方法。通過此方法漲型，零件尺寸及輪廓度均符合圖紙要求。

改進效果

改進效果如表3 所示。

表3 改進效果對比

結束語

本文分析了兩種離心壓氣機匣壁的材料特性、成形參數及根據現場實際情況做出相應改進的辦法。通過材料分析、參數計算及持續改進，解決了零件沖壓成形及漲型工序的多種質量問題。經實踐論證，采用改變加工路徑及改變工藝的方法生產，質量穩定且大大節約了成本。保證了新品按客戶要求完成試制，提升了公司形象。