CN103586647B - 一种航空发动机空心导流叶片的成型方法 - Google Patents

一种航空发动机空心导流叶片的成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，首先分别锻造叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯，其次对叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯的镶配面进行加工，最后采用搅拌摩擦焊工艺将叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯连接成型。本发明解决了大型空心结构导流叶片在现有锻造技术无法形成空心结构的问题，与背景技术相比具有明显的先进性。采用新技术双面对称搅拌摩擦焊方法，大幅提高了空心叶片成型过程中的一次合格率，提高了生产效率，降低了生产成本。试验证明采用本发明后焊缝组织致密，无气孔、夹杂等明显缺陷，生产过程容易实现机械化；一次焊接合格率由25.54%提高至92.25%，焊缝强度提高50%以上。

Description

一种航空发动机空心导流叶片的成型方法
技术领域
本发明属于大型空心导流叶片的复合制造技术，具体为一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，涉及航空发动机空心结构导流叶片进气部分与叶身主体部分的分体精锻成型，内腔的加工以及两部分的连接成型方法。
背景技术
随着航空发动机的发展，压气机导流叶片的结构由带阻尼台的实心向空心结构发展。空心结构的大型导流叶片通过精锻技术成型的难度极大的增加，甚至在现有的精锻技术条件下无法实现。为了解决该问题，结合精密锻造技术、加工成型技术、焊接成型技术形成复合制造技术制造该大型空心导流叶片。叶片主体和叶片排气边镶块由精密锻造制成，开始采用火焰钎焊进行密封连接。火焰钎焊过程采用人工手工操作，劳动强度大，生产成本高。焊接铝合金材料时液态铝吸氢导致焊缝部位存在大量气孔、未熔合等焊接缺陷造成大量的报废，焊接合格率仅有30%～40%。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种航空发动机空心导流叶片的成型方法。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，其特征在于：采用以下步骤：
步骤1：分别锻造叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯；其中叶片主体与排气边镶体的理论分隔面为叶片内腔靠近排气边的端面再向排气边方向延伸5mm所得到的平面，且叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯均各自有从理论分隔面向外延伸2.5mm的加工余量；
步骤2：对叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯的镶配面进行加工：
步骤2.1：按照航空发动机空心导流叶片的内腔尺寸，在叶片主体毛坯的厚度截面中心加工内腔槽，在排气边镶体毛坯的厚度截面中心加工凸台，且凸台端面为航空发动机空心导流叶片的空腔型面；
步骤2.2：将经过步骤2.1加工处理后的叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯依次进行碱洗和酸洗；所述碱洗过程为将待洗部件浸入温度为65℃的浓度为5%的NaOH溶液中至少30秒，然后用水冲洗；所述酸洗过程为将待洗部件浸入浓硝酸中至少1分钟，然后用水冲洗，并烘干；
步骤2.3：用酒精将叶片主体毛坯内腔槽和排气边镶体毛坯凸台的装配面擦拭干净，并将内腔槽与凸台装配，其中内腔槽与凸台为过盈配合，内腔槽与凸台对接缝配合面的配合间隙不大于0.05mm；
步骤3：采用搅拌摩擦焊工艺将叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯连接成型。
所述一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，其特征在于：步骤3中的用搅拌摩擦焊工艺采用龙门式搅拌摩擦焊机，先进行叶片叶盆面的搅拌摩擦焊，后进行叶片叶背面的搅拌摩擦焊；搅拌摩擦焊加工的工艺参数：搅拌头旋转速度n=1000r/min；焊接速度V=（90～110）mm/min；主轴倾斜角度：（1.5～2.5）°；搅拌针向进气边偏移，距镶配面0.7mm。
所述一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，其特征在于：步骤1中锻造叶片主体毛坯时，在叶片主体毛坯的一端锻造有工艺叶冠，同时叶片主体毛坯中叶身内的空腔、通气孔、叶片主体两端头的孔全部以实体锻造。
所述一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，其特征在于：步骤1中排气边镶体毛坯在精锻模具中锻造成型，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：200℃～250℃，锻造温度：440℃～460℃，保温时间：（1.3～1.7）min/mm，润滑剂选择：石墨；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：230℃～250℃，锻造温度：440℃～460℃，保温时间：（1.3～1.7）min/mm，润滑剂选择：石墨；叶片主体毛坯在精锻模具中锻造成型，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：200℃～250℃，锻造温度：440℃～460℃，保温时间：（1.3～1.7）min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：200℃～250℃，锻造温度440℃～460℃，保温时间：（1.3～1.7）min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液。
有益效果
本发明解决了大型空心结构导流叶片在现有锻造技术无法形成空心结构的问题，与背景技术相比具有明显的先进性。采用新技术双面对称搅拌摩擦焊方法，大幅提高了空心叶片成型过程中的一次合格率，提高了生产效率，降低了生产成本。试验证明采用本发明后焊缝组织致密，无气孔、夹杂等明显缺陷，生产过程容易实现机械化；一次焊接合格率由25.54%提高至92.25%，焊缝强度提高50%以上。
附图说明
图1：典型空心导流叶片结构示意图；
图2：需要形成的锻造毛坯图；
图3：空心导流叶片毛坯分割示意图；
图4：空心导流叶片毛坯分割剖视图；
图5：排气边镶体分割示意图；
图6：叶片主体毛坯分割示意图；
图7：叶片主体毛坯、排气边镶体毛坯装配前示意图；
图8：叶片主体毛坯、排气边镶体毛坯装配后示意图；
其中：尺寸①②③④⑤⑥⑦⑧为空心导流叶片毛坯锻造工艺相关尺寸，尺寸⑨⑩为增加加工余量后的毛坯尺寸，a’面、a面、b’、b面为空心导流叶片毛坯结构面；1.排气边镶体毛坯；2.叶片主体毛坯。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
实施例1：
本实施例锻造的航空发动机空心导流叶片内腔厚度为1.3mm，具体的成型方法采用以下步骤：
步骤1：分别锻造叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯；其中叶片主体与排气边镶体的理论分隔面为叶片内腔靠近排气边的端面再向排气边方向延伸5mm所得到的平面，且叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯均各自有从理论分隔面向外延伸2.5mm的加工余量；叶片主体与排气边镶体分割示意图如图5和图6所示。
如图2所示，锻造叶片主体毛坯时，在叶片主体毛坯的一端b面锻造有工艺叶冠，工艺叶冠尺寸为66mm×36mm×12mm的长方形结构，66mm尺寸沿中心线对称。加放起焊、收焊工艺匙孔型面：如图2所示，a’面的进气边叶型延伸到a面，b’面的进气边叶型延伸到b面。叶身内的空腔、通气孔、两端头的孔全部以实体锻造。对比图1和图2，加放毛坯余量：直径尺寸①沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸⑨；直径尺寸④沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸⑩；直径尺寸⑥沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸长度尺寸②、③、⑤则保持不变；尺寸⑦因型面延伸而消失。
排气边镶体毛坯在精锻模具中锻造成型，通过挤杆、墩头后进行预锻，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：200℃，锻造温度：440℃，保温时间：1.3min/mm，润滑剂选择：石墨；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：230℃，锻造温度：440℃，保温时间：1.3min/mm，润滑剂选择：石墨。叶片主体毛坯在精锻模具中锻造成型，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：200℃，锻造温度：440℃，保温时间：1.3min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：200℃，锻造温度440℃，保温时间：1.3min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液。
步骤2：对叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯的镶配面进行加工：
步骤2.1：按照航空发动机空心导流叶片的设计图纸尺寸要求，利用铣床在叶片主体毛坯的厚度截面中心加工1.3mm厚内腔槽，内腔槽厚度为1.3+0.3mm，内腔的粗糙度为配合面的粗糙度为利用铣床在排气边镶体毛坯的厚度截面中心加工凸台，凸台端面进行0.3×45度斜倒角，凸台长度设计图纸尺寸、凸台厚度为1.3-0.3mm，凸台端面为航空发动机空心导流叶片的空腔型面，其光洁度为配合面的粗糙度为
步骤2.2：将经过步骤2.1加工处理后的叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯依次进行碱洗和酸洗；所述碱洗过程为将待洗部件浸入温度为65℃的浓度为5%的NaOH溶液中至少30秒，然后用水冲洗；所述酸洗过程为将待洗部件浸入浓硝酸中至少1分钟，然后用水冲洗，并烘干；
步骤2.3：用酒精将叶片主体毛坯内腔槽和排气边镶体毛坯凸台的装配面擦拭干净，并将内腔槽与凸台装配，其中内腔槽与凸台为过盈配合，装配时可用橡皮锤进行敲击。内腔槽与凸台对接缝配合面的配合间隙不大于0.05mm；
步骤3：采用搅拌摩擦焊工艺将叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯连接成型。搅拌摩擦焊工艺采用龙门式搅拌摩擦焊机，先进行叶片叶盆面的搅拌摩擦焊，后进行叶片叶背面的搅拌摩擦焊；搅拌摩擦焊加工的工艺参数：搅拌头旋转速度n=1000r/min；焊接速度V=90mm/min；主轴倾斜角度：1.5°；搅拌针向进气边偏移，距镶配面0.7mm。
实施例2：
本实施例锻造的航空发动机空心导流叶片内腔厚度为1.4mm，具体的成型方法采用以下步骤：
步骤1：分别锻造叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯；其中叶片主体与排气边镶体的理论分隔面为叶片内腔靠近排气边的端面再向排气边方向延伸5mm所得到的平面，且叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯均各自有从理论分隔面向外延伸2.5mm的加工余量；叶片主体与排气边镶体分割示意图如图5和图6所示。
如图2所示，锻造叶片主体毛坯时，在叶片主体毛坯的一端b面锻造有工艺叶冠，工艺叶冠尺寸为66mm×36mm×12mm的长方形结构，66mm尺寸沿中心线对称。加放起焊、收焊工艺匙孔型面：如图2所示，a’面的进气边叶型延伸到a面，b’面的进气边叶型延伸到b面。叶身内的空腔、通气孔、两端头的孔全部以实体锻造。对比图1和图2，加放毛坯余量：直径尺寸①沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸⑨；直径尺寸④沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸⑩；直径尺寸⑥沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸长度尺寸②、③、⑤则保持不变；尺寸⑦因型面延伸而消失。
排气边镶体毛坯在精锻模具中锻造成型，通过挤杆、墩头后进行预锻，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：230℃，锻造温度：450℃，保温时间：1.5min/mm，润滑剂选择：石墨；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：240℃，锻造温度：450℃，保温时间：1.5min/mm，润滑剂选择：石墨。叶片主体毛坯在精锻模具中锻造成型，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：230℃，锻造温度：450℃，保温时间：1.5min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：240℃，锻造温度450℃，保温时间：1.5min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液。
步骤2：对叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯的镶配面进行加工：
步骤2.1：按照航空发动机空心导流叶片的设计图纸尺寸要求，利用铣床在叶片主体毛坯的厚度截面中心加工内腔槽，内腔槽厚度为1.4+0.3mm，内腔的粗糙度为配合面的粗糙度为利用铣床在排气边镶体毛坯的厚度截面中心加工凸台，凸台端面进行0.3×45度斜倒角，凸台长度设计图纸尺寸、凸台厚度为1.4-0.3mm，凸台端面为航空发动机空心导流叶片的空腔型面，其光洁度为配合面的粗糙度为
步骤2.2：将经过步骤2.1加工处理后的叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯依次进行碱洗和酸洗；所述碱洗过程为将待洗部件浸入温度为65℃的浓度为5%的NaOH溶液中至少30秒，然后用水冲洗；所述酸洗过程为将待洗部件浸入浓硝酸中至少1分钟，然后用水冲洗，并烘干；
步骤2.3：用酒精将叶片主体毛坯内腔槽和排气边镶体毛坯凸台的装配面擦拭干净，并将内腔槽与凸台装配，其中内腔槽与凸台为过盈配合，装配时可用橡皮锤进行敲击。内腔槽与凸台对接缝配合面的配合间隙不大于0.05mm；
步骤3：采用搅拌摩擦焊工艺将叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯连接成型。搅拌摩擦焊工艺采用龙门式搅拌摩擦焊机，先进行叶片叶盆面的搅拌摩擦焊，后进行叶片叶背面的搅拌摩擦焊；搅拌摩擦焊加工的工艺参数：搅拌头旋转速度n=1000r/min；焊接速度V=100mm/min；主轴倾斜角度：2.0°；搅拌针向进气边偏移，距镶配面0.7mm。
实施例3：
本实施例锻造的航空发动机空心导流叶片内腔厚度为1.5mm，具体的成型方法采用以下步骤：
步骤1：分别锻造叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯；其中叶片主体与排气边镶体的理论分隔面为叶片内腔靠近排气边的端面再向排气边方向延伸5mm所得到的平面，且叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯均各自有从理论分隔面向外延伸2.5mm的加工余量；叶片主体与排气边镶体分割示意图如图5和图6所示。
如图2所示，锻造叶片主体毛坯时，在叶片主体毛坯的一端b面锻造有工艺叶冠，工艺叶冠尺寸为66mm×36mm×12mm的长方形结构，66mm尺寸沿中心线对称。加放起焊、收焊工艺匙孔型面：如图2所示，a’面的进气边叶型延伸到a面，b’面的进气边叶型延伸到b面。叶身内的空腔、通气孔、两端头的孔全部以实体锻造。对比图1和图2，加放毛坯余量：直径尺寸①沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸⑨；直径尺寸④沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸⑩；直径尺寸⑥沿周增加5mm加工余量变成图2的直径尺寸长度尺寸②、③、⑤则保持不变；尺寸⑦因型面延伸而消失。
排气边镶体毛坯在精锻模具中锻造成型，通过挤杆、墩头后进行预锻，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：250℃，锻造温度：460℃，保温时间：1.7min/mm，润滑剂选择：石墨；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：250℃，锻造温度：460℃，保温时间：1.7min/mm，润滑剂选择：石墨。叶片主体毛坯在精锻模具中锻造成型，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：250℃，锻造温度：460℃，保温时间：1.7min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：250℃，锻造温度460℃，保温时间：1.7min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液。
步骤2：对叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯的镶配面进行加工：
步骤2.1：按照航空发动机空心导流叶片的设计图纸尺寸要求，利用铣床在叶片主体毛坯的厚度截面中心加工内腔槽，内腔槽厚度为1.5+0.3mm，内腔的粗糙度为配合面的粗糙度为利用铣床在排气边镶体毛坯的厚度截面中心加工凸台，凸台端面进行0.3×45度斜倒角，凸台长度设计图纸尺寸、凸台厚度为1.5-0.3mm，凸台端面为航空发动机空心导流叶片的空腔型面，其光洁度为配合面的粗糙度为
步骤2.2：将经过步骤2.1加工处理后的叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯依次进行碱洗和酸洗；所述碱洗过程为将待洗部件浸入温度为65℃的浓度为5%的NaOH溶液中至少30秒，然后用水冲洗；所述酸洗过程为将待洗部件浸入浓硝酸中至少1分钟，然后用水冲洗，并烘干；
步骤2.3：用酒精将叶片主体毛坯内腔槽和排气边镶体毛坯凸台的装配面擦拭干净，并将内腔槽与凸台装配，其中内腔槽与凸台为过盈配合，装配时可用橡皮锤进行敲击。内腔槽与凸台对接缝配合面的配合间隙不大于0.05mm；
步骤3：采用搅拌摩擦焊工艺将叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯连接成型。搅拌摩擦焊工艺采用龙门式搅拌摩擦焊机，先进行叶片叶盆面的搅拌摩擦焊，后进行叶片叶背面的搅拌摩擦焊；搅拌摩擦焊加工的工艺参数：搅拌头旋转速度n=1000r/min；焊接速度V=110mm/min；主轴倾斜角度：2.5°；搅拌针向进气边偏移，距镶配面0.7mm。

Claims (4)

1.一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，步骤1：分别锻造叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯；叶片主体与排气边镶体的理论分隔面为叶片内腔靠近排气边的端面再向排气边方向延伸5mm所得到的平面，且叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯均各自有从理论分隔面向外延伸2.5mm的加工余量；其特征在于：其次采用以下步骤：
步骤2：对叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯的镶配面进行加工：
步骤2.1：按照航空发动机空心导流叶片的内腔尺寸，在叶片主体毛坯的厚度截面中心加工内腔槽，在排气边镶体毛坯的厚度截面中心加工凸台，且凸台端面为航空发动机空心导流叶片的空腔型面；
步骤2.2：将经过步骤2.1加工处理后的叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯依次进行碱洗和酸洗；所述碱洗过程为将待洗部件浸入温度为65℃的浓度为5％的NaOH溶液中至少30秒，然后用水冲洗；所述酸洗过程为将待洗部件浸入浓硝酸中至少1分钟，然后用水冲洗，并烘干；
步骤2.3：用酒精将叶片主体毛坯内腔槽和排气边镶体毛坯凸台的装配面擦拭干净，并将内腔槽与凸台装配，其中内腔槽与凸台为过盈配合，内腔槽与凸台对接缝配合面的配合间隙不大于0.05mm；
步骤3：采用搅拌摩擦焊工艺将叶片主体毛坯和排气边镶体毛坯连接成型。
2.根据权利要求1所述一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，其特征在于：步骤3中的用搅拌摩擦焊工艺采用龙门式搅拌摩擦焊机，先进行叶片叶盆面的搅拌摩擦焊，后进行叶片叶背面的搅拌摩擦焊；搅拌摩擦焊加工的工艺参数：搅拌头旋转速度n＝1000r/min；焊接速度V＝(90～110)mm/min；主轴倾斜角度：(1.5～2.5)°；搅拌针向进气边偏移，距镶配面0.7mm。
3.根据权利要求1或2所述一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，其特征在于：步骤1中锻造叶片主体毛坯时，在叶片主体毛坯的一端锻造有工艺叶冠，同时叶片主体毛坯中叶身内的空腔、通气孔、叶片主体两端头的孔全部以实体锻造。
4.根据权利要求3所述一种航空发动机空心导流叶片的成型方法，其特征在于：步骤1中排气边镶体毛坯在精锻模具中锻造成型，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：200℃～250℃，锻造温度：440℃～460℃，保温时间：(1.3～1.7)min/mm，润滑剂选择：石墨；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：230℃～250℃，锻造温度：440℃～460℃，保温时间：(1.3～1.7)min/mm，润滑剂选择：石墨；叶片主体毛坯在精锻模具中锻造成型，其中预锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，模具温度：200℃～250℃，锻造温度：440℃～460℃，保温时间：(1.3～1.7)min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液；终锻采用2500吨螺旋压力锻压设备，终锻模具温度：200℃～250℃，锻造温度440℃～460℃，保温时间：(1.3～1.7)min/mm，润滑剂选择：石墨与水的胶质悬浮液。
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