CN110125214A - 一种航空发动机w型封严环制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种航空发动机W型封严环制造方法，包括：步骤一、根据所需要成形的W型封严环的结构形式，计算成形所需道次数；步骤二、设计每一道次的轧辊，加工生成所有的辊子对；步骤三、W型封严环的工艺加工；本发明通过辊弯‑弯圆成形，能保证公差范围内连续性工艺制造方法，能降低生产成本，工艺自动化程度高，技术风险低，有助于提高成形质量；且利用橡皮或充满液体的橡皮囊做模具，可以在压力作用下将板料包贴在与其对应的刚性模具上成形，使零件成形时橡皮接触材料表面，没有机械损伤，保护工件表面质量，还可吸收能量，延长冲击作用时间，使金属薄板产生更多塑性变形，成形出符合生产要求的零件，节能高效。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种航空发动机W型封严环制造方法，属于密封环技术领域，具体是一种基于辊弯-弯圆-校形-对焊的某航空发动机W型封严环制造方法。
背景技术
随着航空、航天等制造领域零部件结构的整体化和轻量化发展，难变形材料和复杂形状结构的零部件被广泛采用，给成形制造技术带来了挑战。复杂薄壁钣金件在航空发动机上占有相当的比重，在减轻质量、改善和提高性能等方面发挥着日益重要的作用。异形封严环安装于航空发动机的关键部位，是一类具有新型密封形式和更好密封效果的静子封严结构，在高温燃气状态下用于高温、高压气体的端面封严和发动机的气道密封，截面一般呈“W”、“M”或更复杂的波纹形状，相比结构简单的C形环或U形环可提供更高的弹性变形量，近年来得到国内外的广泛认同和快速发展。该类构件兼具壁厚超薄(一般为0.2～0.3mm)、大变形、精密等特点，研制难度大，目前只有美国、加拿大等少数发达国家掌握其核心的设计、加工技术，国内尚未具备成熟、系统的设计分析和制造体系。
经对现有技术的文献检索发现，中航空天发动机研究院有限公司的朱宇和北京航空航天大学的万敏等人基于液压成形，提出动模外压成形方法，并建立了有限元模型，做了数值模拟和工艺试验，探讨了成形过程中环向失稳起皱等失效形式，提出了优化工艺参数。南昌航空大学的陈希等提出了一种新型航空发动机用W型封严环多道弯封严环的设计方案，并将其各项性能指标与传统W型封严环进行对比，对封严环的外形结构进行初步的优化设计，然后进行结构强度的分析计算，得到符合实际工况强度的封严环外形结构及其尺寸。但是仅局限于有限元模拟，没有在实际的工艺生产中应用实践，真正的封严环研制过程还需要考虑它的弹塑性等诸多因素的影响，所以仍需要探究不同的因素对封严环的影响，通过具体的实验来验证理论。
发明内容
本发明的目的在于针对W型封严环研制目前仅局限于有限元模拟，没有在实际的工艺生产中应用实践，技术加工的不足，提供一种航空发动机W型封严环制造方法。
本发明能够实现在一条生产线上多个连续工位的制造工艺，采用辊弯成形的制造方法，但是“W”型封严环的截面微小复杂，形状变化剧烈，由不同曲率圆弧及直线段光滑连接，弯曲程度大，极易产生局部不均匀减薄乃至破裂，成形圆角半径小，轧辊加工难度大，且轧辊安装困难，容易折断和磨损，而且板料很薄，板料进出刚性轧辊易出现划痕等表面损伤，采用传统工艺极易造成成形裂纹或起皱而导致失效。故其中的上模利用橡皮或充满液体的橡皮囊制造，在压力(液体压力)作用下将板料包贴在刚性下模上成形，使得零件成形时，橡皮接触材料表面，在高压和摩擦力的作用下，材料的塑性可得到充分的发挥，零件的回弹变小，贴模精度和形状冻结度显著提高，后期校形量也会减小，成形过程中没有机械损伤，厚度变化均匀，材料内部的损伤率也会降低，零件表面由于橡皮贴紧，无擦伤痕迹，会显著提高工件的表面质量，还可以吸收能量，延长冲击作用时间，大大提高了零件的成形质量和结构的可靠性。节能高效，能够降低技术风险，显著提高成形性和成形精度。
本发明一种航空发动机W型封严环制造方法是通过以下技术方案实现，本发明首先根据所需要成形的W型封严环的结构形式，计算成形所需道次数，然后设计每一道次的轧辊，加工生成所有的辊子对，进行实际的工艺试验。本发明详细步骤如下：
步骤一、根据所需要成形的W型封严环的结构形式，计算成形所需道次数；
步骤二、设计每一道次的轧辊，加工生成所有的辊子对；
辊压辊子对的圆周表面轮廓由每一道次成形的截面形状决定，每一道次上都有上下放置的共轭的辊子对，分为W型板辊压上模和辊压下模，辊子对中辊子的安装间距由板料厚度决定。其中上模利用橡皮或充满液体的橡皮囊制造，这样可以在压力(液体压力)作用下将板料包贴在刚性下模上成形。
步骤三、W型封严环的工艺加工；
在同一条生产线上进行W型封严环的加工，生产线加工包括四个阶段，第一阶段为开卷校平，第二阶段为辊弯成形，第三阶段为在线弯圆，第四阶段为校形对焊。在第一阶段，将钢卷板材进行开卷，送入矫平机进行校平，在第二阶段，通过多道次辊压，成形出直线型的W形截面的零件，在第三阶段，对直线型零件进行弯圆，成形出圆形的环之后，将其切割剪裁下来，在第四阶段，对其进行校形，用离子束焊接将其连接起来，最终成形出一个完整的W型封严环。
其中，所述的开卷校平，是将钢卷板材装到开卷机上，通过涨紧钢卷内孔来撑住钢卷，然后通过旋转将钢带头部送入矫平机，对不平整的板材进行校平。
其中，所述的辊弯成形，是对直线型板材的辊压，每一道次上都有上下放置的共轭的辊压辊子对，分为W型板辊压上模和辊压下模，辊子对中辊子的安装调整根据实际生产的W型板决定，两个辊子的安装间距由板料厚度决定。其中，所述的辊压上模或者辊压下模为橡皮或充满液体的橡皮囊制造的软模，可以在压力(液体压力)作用下将板料包贴在对应的刚性下模或上模上成形(即若辊压上模为软模，则辊压下模为刚性模；若辊压下模为软模，则辊压上模为刚性模)，这样使得零件成形时，橡皮接触材料表面，没有机械损伤，从而提高零件的成形质量。
其中，所述的在线弯圆，是将第二阶段辊压出来的直线W型板，送入弯圆机，弯圆机上辊轮和左右辊轮的安装生产根据W型板的截面形状确定，辊轮之间的安装间距根据最终成形的零件直径大小以及宽度、厚度来调节。通过电动机驱动，使左右辊轮同向转动，而上辊轮相对左右辊轮反向转动，在弯圆机上进行折弯，从而把直线W型板弯成一整圆圈，然后将其切割剪裁下来，上升上辊轮即可取出环形零件。其中，所述的弯圆机上辊轮或者左右辊轮为橡皮或充满液体的橡皮囊制造的软模，可以在压力(液体压力)作用下将板料包贴在对应的刚性辊轮山弯圆成形(即若上辊轮为软模，则左右辊轮为刚性模；若左右辊轮为软模，则上辊轮为刚性模)。
其中，所述的校形对焊，是对剪裁下来的环状零件进行校形修整，使零件达到工程应用所要求的尺寸形状精度然后用离子束焊接将其连接成形。
本发明为一种航空发动机W型封严环制造方法，与现有的技术相比，通过辊弯-弯圆的成形，能够保证公差范围内的连续性工艺制造方法，能够降低生产成本，工艺自动化程度高，技术风险低，有助于提高其成形质量，为实现大批量生产用于W型封严环提供一种可行的方法。
附图说明
图1为本发明制造W型封严环的截面形状图。
图2为本发明制造工艺轧辊部分示意图；其中图2a为辊花图；图2b为所有道次轧辊装配图；图2c为第5至第8道次结构说明图。
图3为本发明制造工艺生产线总体布局示意图。
图4为本发明制造弯圆机结构说明示意图。
图2a、2b中1-16分别为辊弯成形过程中的第1至第16道次，图2c中17为辊压上模(软性轧辊)，18为辊压下模(刚性轧辊)，图4中19为左辊轮，20为上辊轮，21为右辊轮。
具体实施方式
本发明所针对的W型封严环零件在“W”的两边有水平凸缘，在实际成形过程中并未参与变形，主要变形区为中间的“W”，因此仅针对中间的“W”部分进行分析。使用材料为时效硬化镍基变形高温合金GH4169。下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明一种航空发动机W型封严环制造方法，具体步骤如下：
步骤一、根据所需要成形的W型封严环的结构形式，如图1所示，计算成形所需道次数；
(1)、计算板宽
该零件截面由直线实体和圆弧实体组成。板料宽度＝全部直线段长度+全部圆弧段长度，其中的圆弧段长度指各圆弧的中性层长度。用于计算圆弧单元板宽L的公式是：
其中Ri+kt为中性层半径；Ri为圆弧内半径，单位为mm；k为弯曲系数，由公式(2)确定；t为板料厚度，单位为mm；α为圆弧单元对应的圆心角(以°表示)。
其中，Y为屈服强度，单位为MPa，U为抗拉强度，单位为MPa。
由式(1)和式(2)计算可得总板宽为16.56mm(在误差允许范围内)。
(2)、弯曲方法
有多种方法将最初的直线弯曲为曲线。可以用定长度法、定半径法或两种方法混合使用。从原理上讲，定半径弯曲仅用于上下辊都接触弯角线时，建议在所有的自由弯曲工况用定长度法，在圆弧展开(弯曲)的过程中，其中性层长度不发生改变。本发明所采用的方法为定长度法。
(3)、确定成型道次数及展开角度
该零件的截面形状为对称截面，可依据“形状因子法”或经验公式(3)来确定总成形道次数。
式中，h为截面最大高度，单位为mm；β为成形基准一侧(较大边)成型的总角度数；
z为预冲孔或冲切和板料连续系数，本发明中没有冲孔或冲切，z＝0；s为形状系数；e为额外增加道次数；f为公差系数。
在成型的最初1～2道次可采用小角度，便于板带的变形、入料以及确定准确的弯曲线位置；在成型的中间过程中，可采用较大一些、几乎均匀的变形角；在成型的最后1～2道采用更小的角度，可以达到精确成型、减小回弹及张口的目的。利用公式(4)来确定每一道次的弯曲角度。
其中，i为第i道次，θi为第i道次的弯曲角度，θ0为最终成型的弯曲角度。
计算所得值仅为参考，然后依据经验来调整道次数和每个道次的弯曲角度，最终确定总道次数为16，第1道次为辊平道次，第2至第7道次为中间成形，第8至第15道次为两侧成形，第14道次为过弯道次，以减少零件的回弹对最终零件成形形状的影响，第15道次为校准道次，第16道次为弯圆道次，且第16道次在弯圆机上。
画出辊花图，如图2a所示。
步骤二、设计每一道次的轧辊，加工生成所有的辊子对；
辊压辊子对的圆周表面轮廓由每一道次成形的截面形状决定，按照辊花图中每一道次形状来配初步的轧辊轮廓，进行圆角、辊缝的处理，将所有的尖角倒圆角，便于安全操作及减少边部损坏。每一道次上都有上下放置的共轭的辊子对，分为W型板辊压上模和辊压下模，辊子对中辊子的安装间距，即辊缝等于板料厚度。所设计的所有道次的轧辊图如图2b所示，部分结构示意图如图2c所示。
步骤三、W型封严环的工艺加工；
如图3所示，为所采用的生产线总体布局示意图，为一条连续的生产线，生产线分为四个阶段，第一阶段为开卷校平，第二阶段为辊弯成形，第三阶段为在线弯圆，第四阶段为校形对焊。依据安装工程图将该生产线安装完成。
其中，所述的开卷校平，是将钢卷板材装到开卷机上，通过张紧钢卷内孔来撑住钢卷，然后通过旋转将钢带头部送入矫平机，对不平整的板材进行校平，并将板料输送至辊弯成形生产线中。
其中，所述的辊弯成形，是对直线型板材的辊压，对应于图2b中的第1至第15道次，辊压辊子对的圆周表面轮廓由每一道次成形的截面形状决定，每一道次上都有上下放置的共轭的辊压辊子对，分为W型板辊压上模和辊压下模，辊子对中辊子的安装调整根据实际生产的W型板决定，两个辊子的安装间距，即辊缝等于板料厚度。其中，本实施例中的辊压上模利用橡皮或充满液体的橡皮囊制造，这样可以在压力(液体压力)作用下将板料包贴在刚性下模上成形，这样使得零件成形时，橡皮接触材料表面，没有机械损伤，从而提高零件的成形质量。辊压上模顺时针旋转，辊压下模逆时针旋转，如图2c所示，将板料向前运输，依次经过第1至第15道次，成形出截面形状为“W”的零件。
其中，所述的在线弯圆，是将第二阶段辊压出来的直线W型板，送入弯圆机，对应于图2b中的第16道次，上辊轮20、左辊轮19和右辊轮21的安装生产根据W型板的截面形状确定，该道次中的上辊轮20依然利用橡皮或充满液体的橡皮囊制造，辊轮之间的安装间距等于最终成形的零件厚度。通过电动机驱动，使左右辊轮同向转动，而上辊轮反向转动，在弯圆机上进行折弯，如图4所示，从而把直线型W板弯成一整圆圈，然后将其切割剪裁下来，上升上辊轮即可取出零件。
其中，所述的校形对焊，是对剪裁下来的环状零件进行校形修整，使零件达到工程应用所要求的尺寸形状精度然后用离子束焊接将其连接成形。
Claims (3)
1.一种航空发动机W型封严环制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一、根据所需要成形的W型封严环的结构形式，计算成形所需道次数；
步骤二、设计每一道次的轧辊，加工生成所有的辊子对；
辊压辊子对的圆周表面轮廓由每一道次成形的截面形状决定，每一道次上都有上下放置的共轭的辊子对，分为W型板辊压上模和辊压下模，辊子对中辊子的安装间距由板料厚度决定；
步骤三、W型封严环的工艺加工；
在同一条生产线上进行W型封严环的加工，生产线加工包括四个阶段，第一阶段为开卷校平，第二阶段为辊弯成形，第三阶段为在线弯圆，第四阶段为校形对焊；在第一阶段，将钢卷板材进行开卷，送入矫平机进行校平，在第二阶段，通过多道次辊压，成形出直线型的W形截面的零件，在第三阶段，对直线型零件进行弯圆，成形出圆形的环之后，将其切割剪裁下来，在第四阶段，对其进行校形，用离子束焊接将其连接起来，最终成形出一个完整的W型封严环；
其中，所述的开卷校平，是将钢卷板材装到开卷机上，通过涨紧钢卷内孔来撑住钢卷，然后通过旋转将钢带头部送入矫平机，对不平整的板材进行校平；
其中，所述的辊弯成形，是对直线型板材的辊压，每一道次上都有上下放置的共轭的辊压辊子对，分为W型板辊压上模和辊压下模，辊子对中辊子的安装调整根据实际生产的W型板决定，两个辊子的安装间距由板料厚度决定；
其中，所述的在线弯圆，是将第二阶段辊压出来的直线W型板，送入弯圆机，弯圆机上辊轮和左右辊轮的安装生产根据W型板的截面形状确定，辊轮之间的安装间距根据最终成形的零件直径大小以及宽度、厚度来调节；通过电动机驱动，使左右辊轮同向转动，而上辊轮相对左右辊轮反向转动，在弯圆机上进行折弯，从而把直线W型板弯成一整圆圈，然后将其切割剪裁下来，上升上辊轮即可取出环形零件；
其中，所述的校形对焊，是对剪裁下来的环状零件进行校形修整，使零件达到工程应用所要求的尺寸形状精度然后用离子束焊接将其连接成形。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机W型封严环制造方法，其特征在于：所述的辊压上模或者辊压下模为橡皮或充满液体的橡皮囊制造的软模，可以在压力作用下将板料包贴在对应的刚性下模或上模上成形，即若辊压上模为软模，则辊压下模为刚性模；若辊压下模为软模，则辊压上模为刚性模。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机W型封严环制造方法，其特征在于：所述的弯圆机上辊轮或者左右辊轮为橡皮或充满液体的橡皮囊制造的软模，可以在压力作用下将板料包贴在对应的刚性辊轮山弯圆成形，即若上辊轮为软模，则左右辊轮为刚性模；若左右辊轮为软模，则上辊轮为刚性模。
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