CN111001700B - 一种航空发动机异形封严环3d液压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机异形封严环3D液压成形方法，包括设计毛坯送料方式，设计成形装置的密封结构，设计毛坯尺寸，设计加载路径与开模高度，异形封严环3D液压成形。通过本发明的技术方案，为“M”、“W”或者双波纹等航空发动机异形封严环等带来更好的成形效果，可以显著提高封严环的精度及良品率。

Description

一种航空发动机异形封严环3D液压成形方法

技术领域

本发明属于封严环制造技术领域，尤其涉及一种针对航空发动机异形封严环的3D液压成形方法。

背景技术

封严环是航空航天中高温高压、振动、强腐蚀工况下气路密封中的关键零件，在航空发动机中应用广泛，其截面一般呈“M”、“W”或者双波纹等形状，截面变形路径复杂。液压成形是成形异形封严环的主流技术之一，其使用液体介质配合模具来使坯料变形来成形零件，具有成本低、极限高等特点。

现有液压成形现有用上模下压、模具合模的方式保证模具进给，只能保证两个方向的加载，无法保证前模、后模、液压三个方向的准确同步加载，导致成形零件尺寸精度差，壁厚均匀性差，模具磨损严重，甚至发生异常变形，良品率低，少有通过实现三个方向准确同步加载成形异形封严环的方法，因此亟需对异形封严环3D液压成形方法进行研究。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提供一种航空发动机异形封严环3D液压成形方法，为“M”、“W”或者双波纹等航空发动机异形封严环等带来更好的成形效果，可以显著提高封严环的精度及良品率。

本发明的具体技术方案如下：一种航空发动机异形封严环3D液压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定毛坯送料方式：

将毛坯两端卡在前模和后模的限位台阶槽里，所述毛坯与所述限位台阶槽保持紧密贴合、相对静止，同时毛坯经预胀形紧靠在所述前模和所述后模的唇口区域，在液压与轴向进给作用下，依靠所述毛坯与所述限位台阶槽和所述唇口区域产生静摩擦力，传递轴向载荷，能够推进所述毛坯鼓胀变形，最终成形为封严环；

S2：设计成形装置的密封结构：

通过O型圈配合密封沟槽的挤压密封结构，安装时压缩所述O型圈使其产生初始压力P₀，成形时所述O型圈的压力P_m为：

P_m＝P₀+K·P (1)

式中，K为液室压力传递给所述O型圈压力的系数，P为液室压力，密封沟槽的深度h与宽度b相等，深度h与宽度b都小于所述O型圈的直径；

S3：确定毛坯尺寸：

毛坯为环形，半径为r，毛坯高度l通过式(2)计算：

l＝h_f+2s+2b+2Δ (2)

式中，h_f为毛坯成形区高度，通过在三维软件中展开封严环并计算截面线长度确定，s为密封距离，b为密封沟槽宽度，Δ为毛坯端部露出密封沟槽的长度；

S4：确定加载路径与开模高度h：

加载路径分为预胀形、合模进给、高压整形三个阶段：

预胀形阶段，在所述前模、所述后模中间放置毛坯，保持所述前模和所述后模静止使初始开模间距不变；液室压力逐渐升高，对所述毛坯进行预胀形，使坯料生塑性鼓胀变形；

合模进给阶段，液室压力不变，所述前模和所述后模推进送料，最终与中模闭合；在液压、前模、后模的联合作用下，所述毛坯填充到模腔内并贴靠模具型腔，本阶段已经成形基本封严环形状；

高压整形阶段，所述前模和所述后模保持不动，液室压力逐渐升高并到达最高值，最终毛坯完全贴靠模腔，成形为所需的截面形状；

根据毛坯的材料与直径，计算合模进给阶段的最小液室压力p_min与高压整形阶段的最大液室压力p_max，具体地，

合模进给阶段的最小液室压力计算公式为：

式中，t₀为毛坯厚度，σ_s为材料屈服强度，r为毛坯半径；

高压整形阶段的最大液室压力p_max计算公式为：

式中，σ_b为材料抗拉强度，n为封严环截面宽度，r为毛坯半径，Δl为封严环截面高度；

根据计算出的合模进给阶段的最小液室压力p_min与高压整形阶段的最大液室压力p_max，设计加载路径，同时根据毛坯高度l设计开模高度h；通过有限元软件模拟不同加载路径和开模高度h组合下的封严环成形结果，根据封严环的起皱堆叠、型面对称和尺寸超差情况，选取使缺陷最少、成形质量最高的加载路径和开模高度h作为最终加载路径和开模高度；

S5：异形封严环3D液压成形：

所述3D液压成形封严环模具包括前模方向、后模方向、液压方向三个方向，首先将板料焊接成半径为r环形毛坯坯料并去应力退火，利用数控线切割机切割毛坯，将毛坯放入所述前模和所述后模中间，根据液压成形设备的运动速度和液室压力加压速度，将最终加载路径拆解为位移—时间加载曲线和液室压力—时间加载曲线，采用PLC控制伺服电机，实现封严环液压成形的所述前模方向、所述后模方向的高精度运动控制；采用PLC控制液压系统，实现所述液压方向的高精度控制；3D液压成形结束后，利用数控线切割机切除余量，最终得到合格的异形封严环。

本发明的有益效果在于：

1.传统封严环液压成形模具竖直放置，实际上只有竖直向下的压力机冲头方向与液压方向两个方向的加载，竖直向上的加载实际上是被动的反作用力，无法准确控制材料的流动，而本发明模具水平放置，在前模、后模、液压三个方向分别实现准确的加载曲线，对材料流动控制更精准，封严环具有更好的成形效果，尺寸精度差，壁厚均匀性好，模具寿命高，良品率高。

2.给出了合模进给阶段的最小液室压力p_min与高压整形阶段的最大液室压力p_max的计算公式，大大缩短了工艺参数的搜索试错区间，同时利用有限元模拟预测不同的加载路径和开模高度h下的成形结果，避免了反复试错带来的时间、人力、物力消耗。

3.依靠唇口与限位台阶槽来送料，摩擦效果好，避免流入材料过多。同时限位台阶槽能推动毛坯避免材料流入过少；O型圈配合密封沟槽式的密封结构，不易造成脱模困难、成型失败，密封效果好，结构简单，安装更换方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为毛坯的送料方式截面示意图；

图2为成形装置的密封结构截面示意图；

图3为毛坯尺寸设计示意图；

图4为3D液压成形方向示意图；

图5为根据计算的液室压力确定的要仿真的5条加载路径；

图6为本发明一个实施例的M型封严环截面。

附图标号说明：

1-毛坯；2-唇口区域；3-限位台阶槽；4-O型圈；5-密封沟槽；6-前模；7-后模；8-中模；9-前模方向；10-后模方向；11-液压方向。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过M型封严环零件(如图6)为例对异形封严环的3D液压成形方法进行阐述。

实施例1

S1：确定毛坯送料方式，如图1所示。将毛坯1两端卡在前模6和后模7的限位台阶槽3里，毛坯1与限位台阶槽3保持紧密贴合、相对静止，同时毛坯经预胀形紧靠在前模6和后模7的唇口区域2，在液压与轴向进给作用下，依靠毛坯1与限位台阶槽3和唇口区域2产生静摩擦力，传递轴向载荷，推进毛坯鼓胀变形，最终成形为M形封严环。在成形过程中，毛坯1在限位台阶槽3的区域不参与变形，限制了材料的流动，控制了变形材料的数量。

S2：设计成形装置的密封结构，如图2所示。成形装置的密封结构影响着3D液压成形过程中加载路径的精确控制，3D液压成形装置的密封结构需要承受100Mpa以上的液体压力，设计O型圈4配合密封沟槽5的挤压密封结构。O型圈4是一种自动双向作用的密封元件，通过安装时其径向和轴向预压缩应力P₀赋予初始密封能力，工作过程中O型圈4的压力P_m随液室压力P的提高而增大，即：

P_m＝P₀+K·P (1)

式中，K为液室压力传递给O型圈4的压力的系数，对于本实施例的M型封严环，选用聚氨酯橡胶，K＝1。当P_m>P₀时，系统将不会泄漏，因此只要O型圈4存在初始压力，实现无泄漏的绝对密封。O型圈4装入密封沟槽5，安装毛坯1并紧固后，O型圈受到30％左右的大压缩量变形，挤压毛坯1产生较大压力使毛坯1紧贴模具；在成形过程的液压作用下，O型圈4封闭需密封的间隙δ，达到密封目的。

密封沟槽5的的深度h与宽度b相等，深度h与宽度b都小于所述O型圈4的直径，异形封严环的成形装置需保证较高的加工质量和装配精度，以免使O型密封圈被挤出间隙，导致密封失效、脱模困难甚至成形失败。对于本实施例的M型封严环，h＝b＝2mm，O型圈4直径o＝2.5mm。

S3：设计毛坯尺寸，如图3所示。封严环的毛坯为环形，毛坯半径r＝60mm等于封严环半径，毛坯高度l通过式(2)计算：

l＝h_f+2s+2b+2Δ (2)

式中，h_f为毛坯成形区高度，在三维软件中展开封严环并根据截面高度确定h_f＝14.65mm；s为密封距离，取值范围一般为1mm-10mm，本实施例取s＝3mm；b为密封沟槽宽度，上面已经确定b＝2mm；Δ为毛坯端部露出密封沟槽5的长度，取值范围一般为1mm-8mm。本实施例取Δ＝3mm。根据式(2)计算毛坯高度l＝30.65mm。

S4：确定加载路径与开模高度h。加载路径为液室压力随着前模6、后模7的位移的变化曲线，也就是液室压力与位移的匹配关系，直接决定了封严环是否发生起皱、破裂、屈曲等失效情况，并且决定了封严环的表面质量。

加载路径设计为预胀形、合模进给、高压整形三个阶段：

预胀形阶段，在前模6、后模7中间放置环形毛坯，且保持前模6和后模7静止使初始开模间距不变；液室压力逐渐升高，对毛坯进行预胀形，使坯料生一定的塑性鼓胀变形；

合模进给阶段，液室压力不变，前模6和后模7推进送料，最终与中模8闭合；在液压、前模6、后模7的联合作用下，毛坯填充到模腔内并基本贴靠模具型腔，此阶段除了局部复杂特征已经基本封严环形状；

高压整形阶段，前模6和后模7保持不动，液室压力逐渐升高并到达最高值，最终毛坯完全贴靠模腔，成形为所需截面形状。

根据封严环的材料与直径，计算合模进给阶段的最小液室压力p_min与高压整形阶段的最大液室压力p_max，从而为加载路径设计确定区间范围。合模进给阶段的最小液室压力计算公式为：

式中，t₀为毛坯厚度，此零件t₀＝0.2mm；σ_s为材料屈服强度，本实施例为高温合金材料σ_s＝550MPa；r为毛坯半径r＝60mm，代入上述数据，可得M型封严环的合模进给阶段的最小液室压力p_min＝2.12MPa。

高压整形阶段的最大液室压力p_max计算公式为：

式中，σ_b为材料抗拉强度，此零件高温合金材料σ_b＝965MPa，n为封严环截面宽度，此零件n＝3.6mm，Δl为封严环截面高度，本实施例Δl＝2.74mm。代入上述数据，可得M型封严环高压整形阶段的最大液室压力p_max＝103.6MPa。

根据计算出的合模进给阶段的最小液室压力p_min与高压整形阶段的最大液室压力p_max，设计不同的加载路径，如图5所示，加载路径ABCDE的整形压力设置为100Mpa小于p_max,并且加载路径ABCDE合模进给阶段的压力分别为5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40Mpa，均大于p_min并且小于p_max，实际上这已经通过p_min和p_max大大缩小了试错范围。

另一方面，根据毛坯高度l设计不同的开模高度h。由于毛坯的初始状态、材料性能以及最终成形零件的几何形状不同，成形过程中所要求的液室压力和开模高度的匹配关系是不同的。通过有限元软件模拟不同的加载路径和开模高度h下的封严环成形结果，观察封严环的起皱堆叠情况、型面对称情况、尺寸超差等情况，统计结果如表1，最终确定加载路径为缺陷最少、成形质量最高的E，开模高度为17mm。

表1封严环不同加载路径与开模高度的模拟结果

S5：异形封严环3D液压成形，如图4所示，3D液压成形封严环模具的方向包括前模方向8、后模方向9、液压方向10三个方向。首先利用电子束焊将板料焊接成半径r＝60mm的环状坯料并箱式电阻炉SX₂-12-12去应力退火，利用数控线切割机CTWQ-630TB切割高度l＝30.65mm的坯料。将坯料放入前模6和后模7中间。根据液压成形设备的运动速度和液室压力加压速度，将最终加载路径E拆解为位移—时间加载曲线和液室压力—时间加载曲线。采用PLC控制伺服电机，实现封严环液压成形的前模方向8、后模方向9的高精度运动控制，使其实现所述位移—时间加载曲线。采用PLC控制液压系统，实现液压方向10的高精度控制，使其实现所述液室压力—时间加载曲线。3D液压成形结束后，利用数控线切割机CTWQ-630TB切除余量，最终得到合格的异形封严环。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种航空发动机异形封严环3D液压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定毛坯送料方式：

将毛坯（1）两端卡在前模（6）和后模（7）的限位台阶槽（3）里，所述毛坯（1）与所述限位台阶槽（3）保持紧密贴合、相对静止，同时毛坯（1）经预胀形紧靠在所述前模（6）和所述后模（7）的唇口区域（2），在液压与轴向进给作用下，依靠所述毛坯（1）与所述限位台阶槽（3）和所述唇口区域（2）产生静摩擦力，传递轴向载荷，能够推进所述毛坯（1）鼓胀变形，最终成形为封严环；

S2：设计成形装置的密封结构：

通过O型圈（4）配合密封沟槽（5）的挤压密封结构，安装时压缩所述O型圈（4）使其产生初始压力P ₀，成形时所述O型圈（4）的压力P _m 为：

P _m =P ₀+K·P (1)

式中，K为液室压力传递给所述O型圈（4）压力的系数，P为液室压力，密封沟槽（5）的深度h与宽度b相等，深度h与宽度b都小于所述O型圈（4）的直径；

所述O型圈（4）能够承受100MPa以上的液体压力，O型圈（4）为聚氨酯橡胶材料；

S3：确定毛坯尺寸：

毛坯（1）为环形，半径为r，毛坯高度l通过式（2）计算：

(2)

式中，h _f 为毛坯成形区高度，通过在三维软件中展开封严环并计算截面线长度确定，s为密封距离，b为密封沟槽宽度，Δ为毛坯端部露出密封沟槽（5）的长度；

S4：确定加载路径与开模高度：

加载路径分为预胀形、合模进给、高压整形三个阶段：

预胀形阶段，在所述前模（6）、所述后模（7）中间放置毛坯（1），保持所述前模（6）和所述后模（7）静止使初始开模间距不变；液室压力逐渐升高，对所述毛坯（1）进行预胀形，使坯料发生塑性鼓胀变形；

合模进给阶段，液室压力不变，所述前模（6）和所述后模（7）推进送料，最终与中模（8）闭合；在液压、前模（6）、后模（7）的联合作用下，所述毛坯（1）填充到模腔内并贴靠模具型腔，本阶段已经成形基本封严环形状；

高压整形阶段，所述前模（6）和所述后模（7）保持不动，液室压力逐渐升高并到达最高值，最终毛坯（1）完全贴靠模腔，成形为所需的截面形状；

根据毛坯（1）的材料与直径，计算合模进给阶段的最小液室压力p _min与高压整形阶段的最大液室压力p _max，具体地，

合模进给阶段的最小液室压力计算公式为：

(3)

式中，t ₀为毛坯厚度，σ _s为材料屈服强度，r为毛坯半径；

高压整形阶段的最大液室压力p _max计算公式为：

(4)

(5)

式中，σ _b为材料抗拉强度，n为封严环截面宽度，r为毛坯半径，Δl为封严环截面高度；

根据计算出的合模进给阶段的最小液室压力p _min与高压整形阶段的最大液室压力p _max，设计加载路径，同时根据毛坯高度l设计开模高度；通过有限元软件模拟不同加载路径和开模高度组合下的封严环成形结果，根据封严环的起皱堆叠、型面对称和尺寸超差情况，选取使缺陷最少、成形质量最高的加载路径和开模高度作为最终加载路径和开模高度；

S5：异形封严环3D液压成形：

所述3D液压成形封严环模具包括前模方向（9）、后模方向（10）、液压方向（11）三个方向，首先将板料焊接成半径为r环形毛坯坯料并去应力退火，利用数控线切割机切割毛坯，将毛坯（1）放入所述前模（6）和所述后模（7）中间，根据液压成形设备的运动速度和液室压力加压速度，将最终加载路径拆解为位移—时间加载曲线和液室压力—时间加载曲线，采用PLC控制伺服电机，实现封严环液压成形的所述前模方向（9）、所述后模方向（10）的高精度运动控制；采用PLC控制液压系统，实现所述液压方向（11）的高精度控制；3D液压成形结束后，利用数控线切割机切除余量，最终得到合格的异形封严环。

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