航空发动机叶片制造技术是透平机械制造业中最复杂的技术之一,也是机械制造业中涉及专业领域非常广泛的一种制造技术 [1]。因此,叶片制造技术的水平在一定程度上反映了发动机制造技术的水平。
叶片制造采用无余量精密辊轧及其毛料精密成形技术,由于其制造成本低、生产效率高以及可实现产品的组织性能较常规制造工艺更为优异等特点,作为叶片制造的先进技术倍受发达国家的重视 [2]。
20 世纪俄罗斯“萨留特”、“彼尔姆”等企业最早改装了辊轧机床并进行了钢和铝合金叶片的冷轧研究,随后所实现的辊轧技术使叶片轧制工艺得到了广泛的工程应用;美国通用电气和“阿夫克”公司,都有在专用设备上由冷轧工艺制取叶片的报道 [3]。目前,俄罗斯“萨留特”、“彼尔姆”等企业采用无余量精密技术进行高温合金高压压气机叶片生产,型面轧制后满足精度要求。
国内沈阳黎明公司采用无余量精密辊轧工艺对压气机不锈钢叶片、高温合金叶片生产的工程应用至今已有几十年的历史。该公司从 20 世纪 70 年代一直采用“挤压毛料 – 精密辊轧 – 形变处理”工艺生产不锈钢叶片至今,保证了发动机服役条件下的长寿命与高可靠性要求 [4]。为满足叶片无余量精密轧制工艺需要,黎明公司所拥有的高刚性窄台面轧机,使轧辊、辊轧模具、叶片具有运动同步性,并具备预载过盈轧制的调整功能,保证了叶片精密辊轧工艺过程的适用性。
叶片的原材料为 GH4169 合金的冷轧板材,根据整个叶型截面中最大的截面厚度,再增加相应的变形系数确定冷轧板材的厚度规格。叶片加工的主要工艺流程为板料毛坯—外轮廓加工—粗轧叶身型面—软化热处理—精轧叶身型面—去除边缘余量—数控砂带磨—白光测量。
精轧坯料的设计
设计粗轧坯料的目的是保证叶片精轧过程中叶片的各部位有较均匀的轧制变形量,避免在轧制过程出现欠压、开裂、侧弯等现象,同时降低精轧坯料制备的难度。
精轧坯料的设计采用全截面等比例变形余量的平板状坯料,其设计方法包括如下步骤:
(1)在叶身选择计算截面,其截面间距通常取 5~10mm,将全部截面的进排气边缘 R 中心的连线转成平行状态,如图 1 所示。
(2)绘 制 叶 型 截 面 中 弧 线,获取 叶 型 法 向 厚 度 [5]。绘 制 计 算 截面 叶 型 的 中 弧 线 如 图 2 所 示,将中 弧 线 l 进 行 定 距 等 分 并 确 定 等分 点 O1,O2,…,On,等 分 点 间 距S=1.5~3.0mm。通过每个等分点绘制中弧线的法向线,获取叶型法向厚度(图 3)。
(3)平直叶型盆面。在等分叶型中弧线之后的叶型截面内,逐点绕等分点将中弧线近似于展平,如图 4所示。
基于上述中弧线展平后,再将纺锤形转换成盆面平板状叶型,如图 5所示。
(4)截面余量的设计。对叶片截面以等比余量加放方式进行余量设计,形成精轧坯料的截面,将所有计算截面完成后,将原有截面距按等比例余量的压缩系数进行缩短计算,根据截面数据与截面距,构建完成精轧坯料。精轧坯料同样采用辊轧工艺进行加工,即粗轧叶身型面工序,该方法可以较好地降低制坯难度,提高坯料精度。
辊轧模具的设计
叶片的辊轧过程在 JQ71 型轧机上进行,如图 6 所示,其辊轧模具的外轮廓按照轧机的安装要求设计,其轧模型面的设计过程大致分为以下5 步 [6]。
在叶片轧制的过程中,叶型最大厚度处是轧制过程中流动阻力最小的部位,也是金属最易流动的方向,因此依据叶型厚度最大值的分布来确定辊轧叶片的轧制方向。在选择旋转中心时,要考虑到叶片型面上各点在轧制过程中盆、背两侧面相对于旋转中心的平衡。
叶片瘦腰型的边缘增大了辊轧模进排气边缘的处理难度。开式辊轧在辊轧过程中叶片展长的同时也伴随着展宽发生。因此,辊轧模具的边缘就需要进行型面的延伸处理。在满足叶片辊轧变形量、型面尺寸的同时,重要的是要保证边缘的光顺以及与叶身型面良好的衔接。