CN103639649A - 一种发动机进气道的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种发动机进气道的制造方法，采用开盖分段铸造→铸件焊前机加→真空电子束组焊→校形去应力真空退火→整体机加→水压试验→整体精加工的工艺方法，加工制造出型面轮廓度≤0.1mm、表面粗糙度≤Ra3.2、尺寸精度≤0.2mm、形位公差满足设计要求的发动机薄壁钛合金零件，克服了现有技术中存在的缺陷，并满足所有设计要求的发动机进气道，解决了其他加工方法无法克服的变形、表面质量差、尺寸精度差的问题，工艺流程先进合理，工艺生产路线顺畅，特别适合于各种发动机薄壁钛合金零件的研制生产。

Description

一种发动机进气道的制造方法

技术领域

本发明涉及发动机制造领域，具体是一种发动机进气道的制造方法。 

背景技术

某发动机进气道是该发动机的重要部件，为发动机提供所需的空气流量，保证输出气流的品质。该发动机进气道是采用钛合金加工而成的壳体件，其内腔结构复杂，壳体壁厚小于2mm，并且该发动机进气道的制造精度将直接影响到发动机工作性能指标。上述特点和要求，给发动机进气道的加工制造带来许多问题，因此在发动机的研制过程中，该类薄壁钛合金零件一直是重点研究对象，许多国家为此开展了大量的研究工作，技术比较先进的有美国、俄罗斯、法国等国。但由于保密的原因，无从得到上述国家的研究结果。 

目前，国内外研制的发动机进气道一般采用整体铸造成形或钣金焊接成型或铸造与钣金焊接相结合的方式。由于发动机进气道本身为复杂薄壁结构，采用整体铸造的加工方案，进气通道的内型面铸造的型面轮廓精度、尺寸精度、表面质量均较差，无法满足设计使用要求；采用钣金成形加工方案发动机进气道内型面的表面质量虽可以达到Ra3.2，但由于焊接变形，特别是薄壁钛合金的焊接变形更为突出，因此钣金焊接加工方案的型面轮廓度，尺寸精度，无法达到设计要求；采用铸造与钣金焊接相结合的加工方案，虽结合了两种加工方案的优点，但同时也带来了两种加工方案的缺点。该薄壁钛合金零件的变形均不可避免，型面质量均无法保证，该薄壁钛合金零件的变形将大大降低其使用性能，尤其是零件入口部位、压缩型面和整体直线度的变形将严重影响该薄壁钛合金零件气动性能，变形严重时可直接导致零件失效，发动机报废。 

发明内容

为克服现有薄壁钛合金零件制造方法普遍存在的加工变形、型面轮廓精度偏差大、尺寸精度差、表面质量低、形位公差无法达到设计要求的缺点，本发明提出一种发动机进气道的制造方法。 

本发明的具体过程是： 

第一步，拆分发动机进气道。将上述发动机进气道拆分成三部分进行加工，具体 拆分方法是：从发动机进气道内型腔最窄处向进气道的入口方向，沿型腔的中线分成进气道上盖和进气道主体。上述进气道主体包括直段和转角段。 

第二步，开盖分段铸造。对拆分后的发动机进气道逐件进行铸造。采用常规的钛合金熔模精密铸造工艺分别铸造进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段。所述铸造过程包括制造蜡模－制作形壳－焙烧－浇注－修整，得到上述进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段的铸造毛坯。 

第二步，焊接前的机加。按照设计要求及电子束焊接工艺要求对得到的进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段的铸造毛坯逐件进行机加工。上述的机加工包括上述各铸造毛坯的内型面、各装配部位和对焊部位。 

第三步，真空电子束焊接。按设计图纸对清洗后的各零件进行焊前装配。装配后的各对接焊缝的间隙≤0.03mm，错边≤0.05mm、装配后进行定位焊，在真空电子束焊机中进行焊接。焊接时真空电子束焊接的真空室真空度小于5×10^-5Pa,焊接电压为70KV以内，焊接加热电流小于50mA，焊接速度为60～80mm/min，电子束焦点直径为0.1～0.3mm，工作距离为80～100mm。 

第四步，校形去应力真空退火。使用热校形工装对焊接后已变形的发动机进气道半成品进行校形，装配工装后入真空热处理炉进行热校形和去应力退火，真空炉的真空度小于10^-3bar，炉温均匀度小于5℃，退火温度为680℃～750℃，保温时间≤180min，退火结束后出炉温度≤300℃。经过退火后可获得底面平面度≤0.3mm，入口宽度偏差≤0.1mm，型面精度满足设计要求的发动机进气道半成品。 

第五步，整体机加。对已校形的发动机进气道入口水压工装装配部位和连接法兰装配部位进行整体机械加工。 

第六步，水压试验。按照用户设计水压试验任务书要求，装配水压工装、贴应变片，进行常规的水压试验，以验证所加工发动机进气道的承压能力和密封性。 

第七步，整体精加工。按照设计文件要求，对发动机进气道的外部、装配、连接部位等进行最终精加工，获得满足设计图纸要求的发动机进气道。 

制造蜡模－制作形壳－焙烧－浇注－修整， 

在分别铸造进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段时： 

制造蜡模时：模料温度应控制在60～80℃，注蜡压力为3500KPa,保压时间为300～ 500S,蜡模制作好后需停放8h。 

制作形壳时：采用常规的耐火材料与胶粘剂制作形壳。制作好形壳后需对形壳通风阴干5～15天。对阴干后的形壳还进行焙烧，焙烧温度800～1200℃，焙烧时间需根据形壳的具体材料和工艺确定。 

浇注时：对焙烧后的形壳进行真空离心浇注，浇注时的温度为1400～1650℃以上，浇注离心转速为300～320转/分，浇注后的冷却时间＞2h。 

所述修整是对铸造后的铸件的冒口和缺陷进行清理修补后便可得到进气道上盖铸件毛坯。 

本发明采用开盖分段铸造→铸件焊前机加→真空电子束组焊→校形去应力真空退火→整体机加→水压试验→整体精加工的工艺方法，加工出各项指标符合设计要求的发动机进气道。 

本发明将通用设备和常规工艺组合，工艺流程简单，能够连续操作，生产效率高。本发明所采用的工艺方法与以往的整体铸造工艺方法相比的优点在于，整体铸造后进气道的内形面无法加工，形面的轮廓度与理论形面偏离约在1mm左右，且形面上存在凹坑，凹坑深度在0.3～1mm，铸造的形面表面粗糙度最高只能达到Ra6.3。整体铸造后的上述缺陷导致进气道内形面严重偏离设计要求，影响进气道的进气性能，无法满足进气道设计对内形面的形状、尺寸和表面质量要求。另外，采用整体铸造工艺因为内腔形面铸造后无法加工，因此为了尽量接近设计指标要求，会给精密铸造提出更高的要求，增加了毛坯铸造难度，毛坯成品率和成本。采用了本发明所用的开盖分段工艺后，进气道的内形面铸造时被打开，实现了内形面的铸造后机加工，经过加工后的内形面轮廓度与设计理论轮廓的偏差可以控制在0.01mm以内，尺寸精度可以达到0.02mm，内形面表面粗糙度达到了Ra0.8，经过机加工后的进气道内形面完全达到甚至高于设计指标要求。同时采用本发明后，进气道毛坯铸造的难度、成品率和成本大为降低，采用整体铸造工艺时进气道的铸造周期为2个月，成品率为30%，每件毛坯的铸造成本约30万元，采用本发明后进气道的铸造周期缩短到了1个月，成品率达到98%，本件进气道的铸造成本降低至7万元。本发明所采用的工艺方法与以往的钣金焊接工艺方法相比的优点在于，采用钛合金钣金焊接工艺后，虽然解决了内形面表面质量差的问题，但由于钛合金冲压时的回弹现象严重，要想将板材钛合金冲压成所需 的形面需要制作大量的冲压，定型，校形工装，工艺过程复杂，而且每次定型、校形都必须采用真空炉加热，尽管采用多次热校形但钛合金冲压件的内应力依然无法彻底消除，后续再经过焊接工序时由于残余应力的释放会导致进气道内形面严重偏离设计指标要求，另外，由于钛合金在200℃以上与氧、氢、氮的亲和力非常活跃，尽管采用了真空热处理炉对冲压后的零件进行处理，但由于热处理次数过多，进气道氧化严重，性能降低约50%，更严重的问题是材料出现了严重的脆化现象，所加工的进气道成品率在30%以下。同时采用钣金焊接工艺后，进气道上的焊缝长度大为增加，钛合金焊接工艺的难度大，成本高，同时焊接变形严重，过多的焊缝导致进气道严重变形，又大大削弱了前期的冲压、定型、校形工序的效果。采用钣金焊接工艺进气道的加工周期约为3个月，成品率约为30%，成本约为每件35万元。采用本发明的工艺方法后，与钣金焊接工艺相比进气道毛坯不需要采用真空热处理定型和校形，保证了钛合金材料的性能要求，焊缝长度只有钣金焊接工艺的20%，另外，由于本工艺采用的进气道毛坯是铸件，零件刚性好，焊接长度小，因此焊接变形大为降低，焊接后只需要一次热校形即可完全达到设计指标要求。最后以往采用钣金焊接与铸造相结合的方法更是将两种工艺的缺地集合在一起，与本发明相比工艺学更差。解决了其他加工方法无法克服的变形、表面质量差、尺寸精度差的问题，工艺流程先进合理，工艺生产路线顺畅，特别适合于各种发动机薄壁钛合金零件的研制生产。 

本发明利用开盖分段铸造、机械加工、真空电子束焊接、真空热处理等加工手段制造出型面轮廓度≤0.1mm、表面粗糙度≤Ra3.2、尺寸精度≤0.2mm、形位公差满足设计要求的发动机薄壁钛合金零件，克服了现有技术中存在的缺陷，并满足所有设计要求。 

具体实施方式

实施例一 

本实施例是某发动机进气道的制造方法。 

本实施例以开盖分段铸造加工焊接的方法制造出进气型面轮廓度≤0.1mm，表面粗糙度Ra3.2，尺寸精度≤0.2mm、形位公差满足设计要求的薄壁钛合金零件，具体实施过程是： 

第一步，拆分发动机进气道。将上述发动机进气道拆分成三部分进行加工，具体 拆分方法是：从发动机进气道内型腔最窄处向进气道的入口方向，沿型腔的中线分成进气道上盖和进气道主体。上述进气道主体包括直段和转角段。 

第二步，开盖分段铸造。对拆分后的发动机进气道逐件进行铸造。分别采用常规的钛合金熔模精密铸造工艺进行铸造，得到上述进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段的铸造毛坯。 

铸造进气道上盖。 

上盖铸造时先制造蜡模，制造蜡模时的模料温度应控制在60～80℃，注蜡压力为3500KPa,保压时间为300～500S,蜡模制作好后需停放8h。制作好蜡模后制作形壳，形壳采用常用的耐火材料与胶粘剂配制，如硅酸铝和硅酸乙酯水解液。制作好形壳后需对形壳进行阴干，一般阴干时间为5～15天，阴干时需保持阴干室通风。阴干后的形壳还需焙烧，焙烧温度800～1200℃，焙烧时间需根据形壳的具体材料和工艺确定。对焙烧后的形壳进行真空离心浇注，浇注时的温度须控制在1400℃以上，浇注离心转速要控制在300转/分左右，浇注后的冷却时间控制在2h以上。对铸造后的铸件的冒口和缺陷进行清理修补后便可得到进气道上盖铸件毛坯。 

铸造进气道主体的直线段和进气道主体的转角段。 

进气道主体的直线段和进气道主体的转角段的铸造工艺流程和工艺参数均与进气道上盖的铸造工艺流程和工艺参数相同。 

第二步，焊接前的机加。按照设计要求及电子束焊接工艺要求对得到的进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段的铸造毛坯逐件进行机加工。上述的机加工包括上述各铸造毛坯的内型面、各装配部位和对焊部位。 

第三步，真空电子束焊接。根据真空电子束焊接要求，对所有焊接部位两侧30mm范围内使用5％的氢氟酸和45％的硝酸配50%水的酸洗液进行酸洗、清理。按设计图纸对清洗后的各零件进行焊前装配，得到发动机进气道半成品。 

装配后的各对接焊缝的间隙≤0.03mm，错边≤0.05mm、装配后进行定位焊，在真空电子束焊机中进行焊接。焊接时真空电子束焊接的真空室真空度必须小于5×10^-5Pa,焊接电压为70KV以内，焊接加热电流小于50mA，焊接速度为60～80mm/min，电子束焦点直径为0.1～0.3mm，工作距离为80～100mm。 

第四步，校形去应力真空退火。使用热校形工装对焊接后已变形的发动机进气道 半成品进行校形，装配工装后入真空热处理炉进行热校形和去应力退火，真空炉的真空度小于10^-3bar，炉温均匀度小于5℃，退火温度为680℃～750℃，保温时间≤180min，退火结束后出炉温度≤300℃。经过退火后可获得底面平面度≤0.3mm，入口宽度偏差≤0.1mm，型面精度满足设计要求的发动机进气道半成品。 

第五步，整体机加。对已校形的发动机进气道入口水压工装装配部位和连接法兰装配部位进行整体机械加工，保证水压工装装配的密封、定位、装夹可靠。 

第六步，水压试验。按照用户设计水压试验任务书要求，装配水压工装、贴应变片，进行常规的水压试验，以验证所加工发动机进气道的承压能力和密封性。 

第七步，整体精加工。按照设计文件要求，对发动机进气道的外部、装配、连接部位等进行最终精加工，获得满足设计图纸要求的发动机进气道。 

Claims (2)

1.一种发动机进气道的制造方法，其特征在于，具体过程是：

第一步，拆分发动机进气道；将上述发动机进气道拆分成三部分进行加工，具体拆分方法是：从发动机进气道内型腔最窄处向进气道的入口方向，沿型腔的中线分成进气道上盖和进气道主体；上述进气道主体包括直段和转角段；

第二步，开盖分段铸造；对拆分后的发动机进气道逐件进行铸造；采用常规的钛合金熔模精密铸造工艺分别铸造进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段；所述铸造过程包括制造蜡模－制作形壳－焙烧－浇注－修整，得到上述进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段的铸造毛坯；

第三步，焊接前的机加；按照设计要求及电子束焊接工艺要求对得到的进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段的铸造毛坯逐件进行机加工；上述的机加工包括上述各铸造毛坯的内型面、各装配部位和对焊部位；

第四步，真空电子束焊接；按设计图纸对清洗后的各零件进行焊前装配；装配后的各对接焊缝的间隙≤0.03mm，错边≤0.05mm；装配后进行真空电子束焊接；焊接时真空电子束焊接的真空室真空度小于5×10^-5Pa，焊接电压为70KV以内，焊接加热电流小于50mA，焊接速度为60～80mm/min，电子束焦点直径为0.1～0.3mm，工作距离为80～100mm；

第五步，校形去应力真空退火；使用热校形工装对焊接后已变形的发动机进气道半成品进行校形，装配工装后入真空热处理炉进行热校形和去应力退火，真空炉的真空度小于10^-3bar，炉温均匀度小于5℃，退火温度为680℃～750℃，保温时间≤180min，退火结束后出炉温度≤300℃；经过退火后可获得底面平面度≤0.3mm，入口宽度偏差≤0.1mm，型面精度满足设计要求的发动机进气道半成品；

第六步，整体机加；对已校形的发动机进气道入口水压工装装配部位和连接法兰装配部位进行整体机械加工；

第七步，水压试验；按照用户设计水压试验任务书要求，装配水压工装、贴应变片，进行常规的水压试验，以验证所加工发动机进气道的承压能力和密封性；

第八步，整体精加工；按照设计文件要求，对发动机进气道的外部、装配、连接部位等进行最终精加工，获得满足设计图纸要求的发动机进气道。

2.如权利要求1所述发动机进气道的制造方法，其特征在于，在分别铸造进气道上盖、进气道主体直段和进气道主体转角段时：

制造蜡模时：模料温度应控制在60～80℃，注蜡压力为3500KPa,保压时间为300～500S,蜡模制作好后需停放8h；

制作形壳时：采用常规的耐火材料与胶粘剂制作形壳；制作好形壳后需对形壳通风阴干5～15天；对阴干后的形壳还进行焙烧，焙烧温度800～1200℃，焙烧时间需根据形壳的具体材料和工艺确定；

浇注时：对焙烧后的形壳进行真空离心浇注，浇注时的温度为1400～1650℃以上，浇注离心转速为300～320转/分，浇注后的冷却时间＞2h；

所述修整是对铸造后的铸件的冒口和缺陷进行清理修补后便可得到进气道上盖铸件毛坯。