混合器波瓣液壓成形工藝研究

孫培秋 闞田田 王立成 崔澤君 胡東清

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

加力燃燒室位于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后，噴油利用渦輪后和外涵氣流中剩余的氧氣燃燒，在短時(shí)間內(nèi)可提高噴管進(jìn)口氣流的溫度和速度，大幅度增加發(fā)動(dòng)機(jī)的推力[1]。混合進(jìn)氣結(jié)構(gòu)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室設(shè)置內(nèi)、外涵氣流混合器，在工作中先將內(nèi)涵高溫氣流與外涵的冷氣流混合后再噴油燃燒。混合器采用波瓣結(jié)構(gòu)，混合效率高，有利于提高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性，但波瓣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)件的制造精度要求很高。

帶支撐環(huán)的混合器是加力燃燒室的重要部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，在研制中受工藝方法等因素影響，成形尺寸不穩(wěn)定。由于在試車中多次出現(xiàn)加力筒體隔熱屏裂紋故障，該文分析認(rèn)為帶支撐環(huán)的混合器波瓣型面和位置度可能會(huì)對(duì)冷、熱空氣的摻混比產(chǎn)生影響[2]，最終影響加力燃燒室的溫度場，進(jìn)而加劇隔熱屏試車裂紋的趨勢(shì)。而混合器波瓣的制造質(zhì)量是影響帶支撐環(huán)的混合器最終尺寸精度的重要因素，因此需要對(duì)該件進(jìn)行成形工藝方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善零件拉伸成形質(zhì)量并提高成形的合格率。

該文結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提出了一種新型混合器波瓣成形工藝，采用單個(gè)零件不對(duì)稱成形的方式，將零件的成形方式從拉伸-脹形改進(jìn)為彎曲脹形，進(jìn)而減小板料的變形程度和內(nèi)應(yīng)力，分析解決了制件成形過程中由于塑性失穩(wěn)而出現(xiàn)的裂紋和褶皺等問題。

1 工藝難點(diǎn)分析及解決措施

1.1 材料性能

混合器波瓣的材料為GH3128，是以鎢、鉬固溶強(qiáng)化并以硼、鈰和鋯強(qiáng)化晶界的鎳基高溫合金，具有較高的塑性、較好的持久蠕變強(qiáng)度、良好的抗氧化性和沖壓、焊接等性能，其綜合性能優(yōu)于GH3044和GH3536等同類鎳基固溶合金。適合制造在950℃以下長期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室火焰筒、加力燃燒室殼體、調(diào)節(jié)片及其他高溫零部件。GH3128材料的化學(xué)成分[3]見表1。

表1 GH3128合金化學(xué)成分

GH3128材料在常溫下塑性較好，屈服強(qiáng)度363MPa，抗拉強(qiáng)度735MPa，延伸率40%，為制件成形奠定了良好的性能基礎(chǔ)。

1.2 拉伸成形工藝難點(diǎn)分析

混合器波瓣是一種截面突變的波形成形件，材料為GH3128，材料厚度1.5mm。零件形狀如圖1所示。該零件型面復(fù)雜，截面變形比較大。成形時(shí)，前緣處變形量小，材料無伸長變形；后緣處變形量極大，材料伸長變形為原坯料的2.42倍，成形困難。

1.3 解決技術(shù)方案

1.3.1 工藝方案選取

針對(duì)此零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步確定兩種工藝方案加工。

方案1：采用兩件對(duì)稱拉伸成形來成形該類零件，該方案為常規(guī)成形方案。

具體方式是沿制件后緣對(duì)接，將兩個(gè)制件合成1件，采用與外沿型面一致的壓邊圈，通過拉伸工藝成形出零件。拉伸模具采用具有上模板、下模板、凸模、凹模、壓邊圈等的典型結(jié)構(gòu)。因截面拉伸變形量不一致，為控制拉伸時(shí)材料走料量[4]，避免因進(jìn)料過多產(chǎn)生皺褶或因進(jìn)料過少產(chǎn)生破裂，需要在壓邊圈上布置壓延筋，通過調(diào)整模具上拉延筋的形狀、位置以及壓邊力，限制拉伸變形較小部位的進(jìn)料速度，制件拉伸到最后壓緊坯料，通過脹形成形出最終型面。

方案2：采用單個(gè)零件獨(dú)立成形的方式，成形方式為彎曲-脹形方式成形。

彎曲-脹形成形的工藝方法的主要原理是通過調(diào)整毛料尺寸和模具結(jié)構(gòu)，將后緣處的變形過程由壓邊拉伸改為自曲彎曲，由于自由彎曲時(shí)只有圓角R處存在材料流動(dòng)，變形量遠(yuǎn)低于材料的成形極限，因此避免了拉伸裂紋問題，同時(shí)變形量小，減小了制件的殘余內(nèi)應(yīng)力，有利于保持零件的形狀尺寸。但由于截面變化急劇，此方法成形時(shí)會(huì)使褶皺增加，為將褶皺控制在允許的范圍內(nèi)，需要增加成形后的模具校正過程[5]。將耦合模具在液壓機(jī)上對(duì)成形后的制件校形，使褶皺減小直到消除，最終得到符合要求的制件。

1.3.2 成形工藝方案數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證上述兩種成形工藝方案的合理性，以選擇最優(yōu)方案進(jìn)行研制，提高零件成形的成功率，該文對(duì)此兩種方案進(jìn)行拉伸成形數(shù)值模擬分析，在過程中采用PAM-STAMP 2G鈑金成形仿真軟件。對(duì)方案1建立零件拉伸工序模型，經(jīng)仿真軟件分析計(jì)算，拉伸厚度在1.259265mm至2.164554mm之間，零件在波瓣的轉(zhuǎn)折處變形劇烈，有2處厚度減薄明顯，拉裂的危險(xiǎn)性較大。同時(shí)，法蘭邊處起皺趨勢(shì)明顯，需要較大的壓邊力才能克服起皺，增大了零件拉裂的風(fēng)險(xiǎn)（如圖2所示）。

對(duì)方案2建立零件拉伸工序模型，經(jīng)仿真軟件分析計(jì)算，拉伸厚度在1.344134mm～1.685029mm，零件在波瓣底部仍存在變薄危險(xiǎn)區(qū)，但區(qū)域范圍和變形程度明顯減小，同時(shí)法蘭邊處起皺的趨勢(shì)不明顯（如圖3所示）。

根據(jù)仿真結(jié)果分析，方案1制件的成形受成形方法影響較大，因該工藝方法拉伸和脹形量大，超出材料的塑性成形極限，而且制件成形受壓邊力、壓延筋位置及形狀、潤滑條件等因素的影響較大，成形時(shí)調(diào)試?yán)щy，制件因拉裂導(dǎo)致的報(bào)廢率較高。方案2采用單件獨(dú)立成形，將制件的拉伸-脹形成形模式改進(jìn)為彎曲-脹形成形，從工藝方法上減小了制件的拉伸比，可避免制件拉裂，并通過增加校正模具減小了制件的褶皺，可以順利完成制件的冷壓成形，獲得較為理想的制件型面。

綜上所述，該文決定采用方案2的拉伸工藝進(jìn)行研制。該工藝方案將拉伸成形的復(fù)雜變形過程改為簡單的彎曲變形過程，降低了成形難度，便于批量生產(chǎn)。

1.3.3 模具設(shè)計(jì)

選定的工藝方案成形模具分為兩套，分別為成形模具和校正模具。

成形工序模具如圖4所示，模具由上模板、下模板、凸模、凹模和壓邊圈等部件組成，模具采用成形單個(gè)制件的凸、凹模結(jié)構(gòu)，并取消壓邊圈上的壓延筋。校正模具由上模板、下模板、凸模和凹模等部件組成，采用校正單個(gè)制件的凸、凹模，型面與零件最終形狀完全相符。

2 實(shí)際應(yīng)用介紹

2.1 拉伸成形應(yīng)用設(shè)備

在實(shí)際加工中，設(shè)備選用4000kN油壓機(jī)，模具頂桿孔4根按6處均布。

2.2 拉伸試驗(yàn)過程

先進(jìn)行成形加工。成形過程中，壓邊圈不頂出，液壓機(jī)的上床頭帶動(dòng)凹模向下運(yùn)動(dòng)，坯料與凸模在后緣處接觸。隨著凹模的不斷下行，坯料進(jìn)入凹、凸模間隙形成彎曲成形，變形區(qū)域逐漸由后緣向前緣擴(kuò)展。在上床頭下壓行程的最后部分，坯料轉(zhuǎn)接圓角處脹形貼模，完成成形過程，得到預(yù)期的制件形狀。成形后，壓邊圈頂出，將制件從凸模上頂出，方便取件。成形后，前緣處因型面變化劇烈會(huì)產(chǎn)生一定的褶皺。為消除褶皺，增加熱處理去除應(yīng)力和模具校正工序[6]。校正模具將成形后的制件安放在凸模上，液壓機(jī)的上床頭帶動(dòng)凹模向下運(yùn)動(dòng)，直到合模并加壓保持，開模后制件褶皺消除，型面符合圖紙要求。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

該文在實(shí)際加工中，通過計(jì)算不斷優(yōu)化下料尺寸，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，增加輔助定位，保證零件成形的一致性，最終成形出了零件。經(jīng)檢測，制件表面光滑無皺褶，材料最小減薄到1.35 mm，符合設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定。試制合格后，經(jīng)過多個(gè)批次零件的加工，零件成形過程順利，合格率達(dá)到99%以上，未出現(xiàn)因成形而產(chǎn)生的超差品及廢品。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用單件成形，其成形過程已轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢?脹形的成形模式，其中彎曲過程無塑性走料，未占用材料的延伸塑性指標(biāo)。最終脹形時(shí)變形程度僅為拉伸脹形的1/10左右，變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的延伸率，避免了拉裂的風(fēng)險(xiǎn)，改善了制件的變形條件。雖然局部產(chǎn)生一定的皺褶，但通過后續(xù)熱處理去應(yīng)力和校正工序，會(huì)將零件皺褶校正光滑，最終制件合格。

3 結(jié)論

該文利用GH3128合金優(yōu)良的塑性，通過選擇合理的工藝方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)并將成形方式由拉伸脹形改進(jìn)為彎曲-脹形模式，減小了零件變形程度，在成形后增加熱處理消除成形應(yīng)力，再通過模具對(duì)型面進(jìn)行校正，最終成形出合格的混合器波瓣，解決了混合器波瓣這種截面突變波形件難以拉伸成形的問題，滿足了制件精密成形的要求，為此類制件的加工提供了有效的成形方法，具有一定的推廣使用價(jià)值。