一種發(fā)動機進(jìn)氣道的制造方法
【專利摘要】一種發(fā)動機進(jìn)氣道的制造方法，采用開蓋分段鑄造→鑄件焊前機加→真空電子束組焊→校形去應(yīng)力真空退火→整體機加→水壓試驗→整體精加工的工藝方法，加工制造出型面輪廓度≤0.1mm、表面粗糙度≤Ra3.2、尺寸精度≤0.2mm、形位公差滿足設(shè)計要求的發(fā)動機薄壁鈦合金零件，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，并滿足所有設(shè)計要求的發(fā)動機進(jìn)氣道，解決了其他加工方法無法克服的變形、表面質(zhì)量差、尺寸精度差的問題，工藝流程先進(jìn)合理，工藝生產(chǎn)路線順暢，特別適合于各種發(fā)動機薄壁鈦合金零件的研制生產(chǎn)。
【專利說明】一種發(fā)動機進(jìn)氣道的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動機制造領(lǐng)域，具體是一種發(fā)動機進(jìn)氣道的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]某發(fā)動機進(jìn)氣道是該發(fā)動機的重要部件，為發(fā)動機提供所需的空氣流量，保證輸出氣流的品質(zhì)。該發(fā)動機進(jìn)氣道是采用鈦合金加工而成的殼體件，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼體壁厚小于2mm，并且該發(fā)動機進(jìn)氣道的制造精度將直接影響到發(fā)動機工作性能指標(biāo)。上述特點和要求，給發(fā)動機進(jìn)氣道的加工制造帶來許多問題，因此在發(fā)動機的研制過程中，該類薄壁鈦合金零件一直是重點研究對象，許多國家為此開展了大量的研究工作，技術(shù)比較先進(jìn)的有美國、俄羅斯、法國等國。但由于保密的原因，無從得到上述國家的研究結(jié)果。
[0003]目前，國內(nèi)外研制的發(fā)動機進(jìn)氣道一般采用整體鑄造成形或鈑金焊接成型或鑄造與鈑金焊接相結(jié)合的方式。由于發(fā)動機進(jìn)氣道本身為復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)，采用整體鑄造的加工方案，進(jìn)氣通道的內(nèi)型面鑄造的型面輪廓精度、尺寸精度、表面質(zhì)量均較差，無法滿足設(shè)計使用要求；采用鈑金成形加工方案發(fā)動機進(jìn)氣道內(nèi)型面的表面質(zhì)量雖可以達(dá)到Ra3.2，但由于焊接變形，特別是薄壁鈦合金的焊接變形更為突出，因此鈑金焊接加工方案的型面輪廓度，尺寸精度，無法達(dá)到設(shè)計要求；采用鑄造與鈑金焊接相結(jié)合的加工方案，雖結(jié)合了兩種加工方案的優(yōu)點，但同時也帶來了兩種加工方案的缺點。該薄壁鈦合金零件的變形均不可避免，型面質(zhì)量均無法保證，該薄壁鈦合金零件的變形將大大降低其使用性能，尤其是零件入口部位、壓縮型面和整體直線度的變形將嚴(yán)重影響該薄壁鈦合金零件氣動性能，變形嚴(yán)重時可直接導(dǎo)致零件失效，發(fā)動機報廢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有薄壁鈦合金零件制造方法普遍存在的加工變形、型面輪廓精度偏差大、尺寸精度差、表面質(zhì)量低、形位公差無法達(dá)到設(shè)計要求的缺點，本發(fā)明提出一種發(fā)動機進(jìn)氣道的制造方法。
[0005]本發(fā)明的具體過程是:
[0006]第一步，拆分發(fā)動機進(jìn)氣道。將上述發(fā)動機進(jìn)氣道拆分成三部分進(jìn)行加工，具體拆分方法是:從發(fā)動機進(jìn)氣道內(nèi)型腔最窄處向進(jìn)氣道的入口方向，沿型腔的中線分成進(jìn)氣道上蓋和進(jìn)氣道主體。上述進(jìn)氣道主體包括直段和轉(zhuǎn)角段。
[0007]第二步，開蓋分段鑄造。對拆分后的發(fā)動機進(jìn)氣道逐件進(jìn)行鑄造。采用常規(guī)的鈦合金熔模精密鑄造工藝分別鑄造進(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段。所述鑄造過程包括制造蠟?zāi)Ｒ恢谱餍螝ひ槐簾粷沧⒁恍拚玫缴鲜鲞M(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段的鑄造毛坯。
[0008]第二步，焊接前的機加。按照設(shè)計要求及電子束焊接工藝要求對得到的進(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段的鑄造毛坯逐件進(jìn)行機加工。上述的機加工包括上述各鑄造毛坯的內(nèi)型面、各裝配部位和對焊部位。[0009]第三步，真空電子束焊接。按設(shè)計圖紙對清洗后的各零件進(jìn)行焊前裝配。裝配后的各對接焊縫的間隙< 0.03mm，錯邊< 0.05mm、裝配后進(jìn)行定位焊，在真空電子束焊機中進(jìn)行焊接。焊接時真空電子束焊接的真空室真空度小于5X10_5Pa，焊接電壓為70KV以內(nèi)，焊接加熱電流小于50mA，焊接速度為60~80mm/min，電子束焦點直徑為0.1~0.3mm,工作距離為80~100mm。
[0010]第四步，校形去應(yīng)力真空退火。使用熱校形工裝對焊接后已變形的發(fā)動機進(jìn)氣道半成品進(jìn)行校形，裝配工裝后入真空熱處理爐進(jìn)行熱校形和去應(yīng)力退火，真空爐的真空度小于l(T3bar，爐溫均勻度小于5°C，退火溫度為680°C~750°C，保溫時間≤180min，退火結(jié)束后出爐溫度≤300°C。經(jīng)過退火后可獲得底面平面度≤0.3mm, A 口寬度偏差≤0.1mm,型面精度滿足設(shè)計要求的發(fā)動機進(jìn)氣道半成品。
[0011]第五步，整體機加。對已校形的發(fā)動機進(jìn)氣道入口水壓工裝裝配部位和連接法蘭裝配部位進(jìn)行整體機械加工。
[0012]第六步，水壓試驗。按照用戶設(shè)計水壓試驗任務(wù)書要求，裝配水壓工裝、貼應(yīng)變片，進(jìn)行常規(guī)的水壓試驗，以驗證所加工發(fā)動機進(jìn)氣道的承壓能力和密封性。
[0013]第七步，整體精加工。按照設(shè)計文件要求，對發(fā)動機進(jìn)氣道的外部、裝配、連接部位等進(jìn)行最終精加工，獲得滿足設(shè)計圖紙要求的發(fā)動機進(jìn)氣道。
[0014]制造蠟?zāi)Ｒ恢谱餍螝ひ槐簾粷沧⒁恍拚?br> [0015]在分別鑄造進(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段時:
[0016]制造蠟?zāi)r:模料 溫度應(yīng)控制在60~80°C，注蠟壓力為3500KPa，保壓時間為300~500S，蠟?zāi)Ｖ谱骱煤笮柰７?h。
[0017]制作形殼時:采用常規(guī)的耐火材料與膠粘劑制作形殼。制作好形殼后需對形殼通風(fēng)陰干5~15天。對陰干后的形殼還進(jìn)行焙燒，焙燒溫度800~1200°C，焙燒時間需根據(jù)形殼的具體材料和工藝確定。
[0018]澆注時:對焙燒后的形殼進(jìn)行真空離心澆注，澆注時的溫度為1400~1650°C以上，澆注離心轉(zhuǎn)速為300~320轉(zhuǎn)/分，澆注后的冷卻時間> 2h。
[0019]所述修整是對鑄造后的鑄件的冒口和缺陷進(jìn)行清理修補后便可得到進(jìn)氣道上蓋鑄件毛坯。
[0020]本發(fā)明采用開蓋分段鑄造一鑄件焊前機加一真空電子束組焊一校形去應(yīng)力真空退火—整體機加—水壓試驗—整體精加工的工藝方法，加工出各項指標(biāo)符合設(shè)計要求的發(fā)動機進(jìn)氣道。
[0021]本發(fā)明將通用設(shè)備和常規(guī)工藝組合，工藝流程簡單，能夠連續(xù)操作，生產(chǎn)效率高。本發(fā)明所采用的工藝方法與以往的整體鑄造工藝方法相比的優(yōu)點在于，整體鑄造后進(jìn)氣道的內(nèi)形面無法加工，形面的輪廓度與理論形面偏離約在Imm左右，且形面上存在凹坑，凹坑深度在0.3~1mm，鑄造的形面表面粗糙度最高只能達(dá)到Ra6.3。整體鑄造后的上述缺陷導(dǎo)致進(jìn)氣道內(nèi)形面嚴(yán)重偏離設(shè)計要求，影響進(jìn)氣道的進(jìn)氣性能，無法滿足進(jìn)氣道設(shè)計對內(nèi)形面的形狀、尺寸和表面質(zhì)量要求。另外，采用整體鑄造工藝因為內(nèi)腔形面鑄造后無法加工，因此為了盡量接近設(shè)計指標(biāo)要求，會給精密鑄造提出更高的要求，增加了毛坯鑄造難度，毛坯成品率和成本。采用了本發(fā)明所用的開蓋分段工藝后，進(jìn)氣道的內(nèi)形面鑄造時被打開，實現(xiàn)了內(nèi)形面的鑄造后機加工，經(jīng)過加工后的內(nèi)形面輪廓度與設(shè)計理論輪廓的偏差可以控制在0.0lmm以內(nèi)，尺寸精度可以達(dá)到0.02mm,內(nèi)形面表面粗糙度達(dá)到了 Ra0.8,經(jīng)過機加工后的進(jìn)氣道內(nèi)形面完全達(dá)到甚至高于設(shè)計指標(biāo)要求。同時采用本發(fā)明后，進(jìn)氣道毛坯鑄造的難度、成品率和成本大為降低，采用整體鑄造工藝時進(jìn)氣道的鑄造周期為2個月，成品率為30%,每件毛坯的鑄造成本約30萬元，采用本發(fā)明后進(jìn)氣道的鑄造周期縮短到了 I個月，成品率達(dá)到98%，本件進(jìn)氣道的鑄造成本降低至7萬元。本發(fā)明所采用的工藝方法與以往的鈑金焊接工藝方法相比的優(yōu)點在于，采用鈦合金鈑金焊接工藝后，雖然解決了內(nèi)形面表面質(zhì)量差的問題，但由于鈦合金沖壓時的回彈現(xiàn)象嚴(yán)重，要想將板材鈦合金沖壓成所需的形面需要制作大量的沖壓，定型，校形工裝，工藝過程復(fù)雜，而且每次定型、校形都必須采用真空爐加熱，盡管采用多次熱校形但鈦合金沖壓件的內(nèi)應(yīng)力依然無法徹底消除，后續(xù)再經(jīng)過焊接工序時由于殘余應(yīng)力的釋放會導(dǎo)致進(jìn)氣道內(nèi)形面嚴(yán)重偏離設(shè)計指標(biāo)要求，另外，由于鈦合金在200°C以上與氧、氫、氮的親和力非常活躍，盡管采用了真空熱處理爐對沖壓后的零件進(jìn)行處理，但由于熱處理次數(shù)過多，進(jìn)氣道氧化嚴(yán)重，性能降低約50%，更嚴(yán)重的問題是材料出現(xiàn)了嚴(yán)重的脆化現(xiàn)象，所加工的進(jìn)氣道成品率在30%以下。同時采用鈑金焊接工藝后，進(jìn)氣道上的焊縫長度大為增加，鈦合金焊接工藝的難度大，成本高，同時焊接變形嚴(yán)重，過多的焊縫導(dǎo)致進(jìn)氣道嚴(yán)重變形，又大大削弱了前期的沖壓、定型、校形工序的效果。采用鈑金焊接工藝進(jìn)氣道的加工周期約為3個月，成品率約為30%，成本約為每件35萬元。采用本發(fā)明的工藝方法后，與鈑金焊接工藝相比進(jìn)氣道毛坯不需要采用真空熱處理定型和校形，保證了鈦合金材料的性能要求，焊縫長度只有鈑金焊接工藝的20%，另外，由于本工藝采用的進(jìn)氣道毛坯是鑄件，零件剛性好，焊接長度小，因此焊接變形大為降低，焊接后只需要一次熱校形即可完全達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。最后以往采用鈑金焊接與鑄造相結(jié)合的方法更是將兩種工藝的缺地集合在一起，與本發(fā)明相比工藝學(xué)更差。解決了其他加工方法無法克服的變形、表面質(zhì)量差、尺寸精度差的問題，工藝流程先進(jìn)合理，工藝生產(chǎn)路線順暢，特別適合于各種發(fā)動機薄壁鈦合金零件的研制生產(chǎn)。
[0022]本發(fā)明利用開蓋分段鑄造、機械加工、真空電子束焊接、真空熱處理等加工手段制造出型面輪廓度< 0.1mm、表面粗糙度< Ra3.2、尺寸精度< 0.2mm、形位公差滿足設(shè)計要求的發(fā)動機薄壁鈦合金零件，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，并滿足所有設(shè)計要求。
【具體實施方式】
[0023]實施例一
[0024]本實施例是某發(fā)動機進(jìn)氣道的制造方法。
[0025]本實施例以開蓋分段鑄造加工焊接的方法制造出進(jìn)氣型面輪廓度< 0.1mm，表面粗糙度Ra3.2，尺寸精度< 0.2mm、形位公差滿足設(shè)計要求的薄壁鈦合金零件，具體實施過程是:
[0026]第一步，拆分發(fā)動機進(jìn)氣道。將上述發(fā)動機進(jìn)氣道拆分成三部分進(jìn)行加工，具體拆分方法是:從發(fā)動機進(jìn)氣道內(nèi)型腔最窄處向進(jìn)氣道的入口方向，沿型腔的中線分成進(jìn)氣道上蓋和進(jìn)氣道主體。上述進(jìn)氣道主體包括直段和轉(zhuǎn)角段。
[0027]第二步，開蓋分段鑄造。對拆分后的發(fā)動機進(jìn)氣道逐件進(jìn)行鑄造。分別采用常規(guī)的鈦合金熔模精密鑄造工藝進(jìn)行鑄造，得到上述進(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段的鑄造毛坯。[0028]鑄造進(jìn)氣道上蓋。
[0029]上蓋鑄造時先制造蠟?zāi)＃圃煜災(zāi)r的模料溫度應(yīng)控制在60~80°C，注蠟壓力為3500KPa,保壓時間為300~500S，蠟?zāi)Ｖ谱骱煤笮柰７?h。制作好蠟?zāi)：笾谱餍螝ぃ螝げ捎贸Ｓ玫哪突鸩牧吓c膠粘劑配制，如硅酸鋁和硅酸乙酯水解液。制作好形殼后需對形殼進(jìn)行陰干，一般陰干時間為5~15天，陰干時需保持陰干室通風(fēng)。陰干后的形殼還需焙燒，焙燒溫度800~1200°C，焙燒時間需根據(jù)形殼的具體材料和工藝確定。對焙燒后的形殼進(jìn)行真空離心澆注，澆注時的溫度須控制在1400°C以上，澆注離心轉(zhuǎn)速要控制在300轉(zhuǎn)/分左右，澆注后的冷卻時間控制在2h以上。對鑄造后的鑄件的冒口和缺陷進(jìn)行清理修補后便可得到進(jìn)氣道上蓋鑄件毛坯。
[0030]鑄造進(jìn)氣道主體的直線段和進(jìn)氣道主體的轉(zhuǎn)角段。
[0031]進(jìn)氣道主體的直線段和進(jìn)氣道主體的轉(zhuǎn)角段的鑄造工藝流程和工藝參數(shù)均與進(jìn)氣道上蓋的鑄造工藝流程和工藝參數(shù)相同。
[0032]第二步，焊接前的機加。按照設(shè)計要求及電子束焊接工藝要求對得到的進(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段的鑄造毛坯逐件進(jìn)行機加工。上述的機加工包括上述各鑄造毛坯的內(nèi)型面、各裝配部位和對焊部位。
[0033]第三步，真空電子束焊接。根據(jù)真空電子束焊接要求，對所有焊接部位兩側(cè)30mm范圍內(nèi)使用5%的氫氟酸和45%的硝酸配50%水的酸洗液進(jìn)行酸洗、清理。按設(shè)計圖紙對清洗后的各零件進(jìn)行焊前裝配，得到發(fā)動機進(jìn)氣道半成品。
[0034]裝配后的各對接焊縫的間隙< 0.03mm，錯邊< 0.05mm、裝配后進(jìn)行定位焊，在真空電子束焊機中進(jìn)行焊接。焊接時真空電子束焊接的真空室真空度必須小于5X10_5Pa，焊接電壓為70KV以內(nèi)，焊接加熱電流小于50mA，焊接速度為60~80mm/min，電子束焦點直徑為0.1~0.3mm，工作距離為80~100mm。
[0035]第四步，校形去應(yīng)力真空退火。使用熱校形工裝對焊接后已變形的發(fā)動機進(jìn)氣道半成品進(jìn)行校形，裝配工裝后入真空熱處理爐進(jìn)行熱校形和去應(yīng)力退火，真空爐的真空度小于l(T3bar，爐溫均勻度小于5°C，退火溫度為680°C~750°C，保溫時間≤180min，退火結(jié)束后出爐溫度≤300°C。經(jīng)過退火后可獲得底面平面度≤0.3mm, A 口寬度偏差≤0.1mm,型面精度滿足設(shè)計要求的發(fā)動機進(jìn)氣道半成品。
[0036]第五步，整體機加。對已校形的發(fā)動機進(jìn)氣道入口水壓工裝裝配部位和連接法蘭裝配部位進(jìn)行整體機械加工，保證水壓工裝裝配的密封、定位、裝夾可靠。
[0037]第六步，水壓試驗。按照用戶設(shè)計水壓試驗任務(wù)書要求，裝配水壓工裝、貼應(yīng)變片，進(jìn)行常規(guī)的水壓試驗，以驗證所加工發(fā)動機進(jìn)氣道的承壓能力和密封性。
[0038]第七步，整體精加工。按照設(shè)計文件要求，對發(fā)動機進(jìn)氣道的外部、裝配、連接部位等進(jìn)行最終精加工，獲得滿足設(shè)計圖紙要求的發(fā)動機進(jìn)氣道。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)動機進(jìn)氣道的制造方法，其特征在于，具體過程是: 第一步，拆分發(fā)動機進(jìn)氣道；將上述發(fā)動機進(jìn)氣道拆分成三部分進(jìn)行加工，具體拆分方法是:從發(fā)動機進(jìn)氣道內(nèi)型腔最窄處向進(jìn)氣道的入口方向，沿型腔的中線分成進(jìn)氣道上蓋和進(jìn)氣道主體；上述進(jìn)氣道主體包括直段和轉(zhuǎn)角段； 第二步，開蓋分段鑄造；對拆分后的發(fā)動機進(jìn)氣道逐件進(jìn)行鑄造；采用常規(guī)的鈦合金熔模精密鑄造工藝分別鑄造進(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段；所述鑄造過程包括制造蠟?zāi)Ｒ恢谱餍螝ひ槐簾粷沧⒁恍拚玫缴鲜鲞M(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段的鑄造毛坯； 第三步，焊接前的機加；按照設(shè)計要求及電子束焊接工藝要求對得到的進(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段的鑄造毛坯逐件進(jìn)行機加工；上述的機加工包括上述各鑄造毛坯的內(nèi)型面、各裝配部位和對焊部位； 第四步，真空電子束焊接；按設(shè)計圖紙對清洗后的各零件進(jìn)行焊前裝配；裝配后的各對接焊縫的間隙≤0.03mm，錯邊≤0.05mm ;裝配后進(jìn)行真空電子束焊接；焊接時真空電子束焊接的真空室真空度小于5X 10_5Pa，焊接電壓為70KV以內(nèi)，焊接加熱電流小于50mA，焊接速度為60~80mm/min,電子束焦點直徑為0.1~0.3mm,工作距離為80~1OOmm ； 第五步，校形去應(yīng)力真空退火；使用熱校形工裝對焊接后已變形的發(fā)動機進(jìn)氣道半成品進(jìn)行校形，裝配工裝后入真空熱處理爐進(jìn)行熱校形和去應(yīng)力退火，真空爐的真空度小于10_3bar，爐溫均勻度小于5°C，退火溫度為680°C~750°C，保溫時間≤180min，退火結(jié)束后出爐溫度≤300°C ;經(jīng)過退火后可獲得底面平面度≤0.3mm，入口寬度偏差≤0.1mm，型面精度滿足設(shè)計要求的發(fā)動機進(jìn)氣道半成品； 第六步，整體機加；對已校形的發(fā)動機進(jìn)氣道入口水壓工裝裝配部位和連接法蘭裝配部位進(jìn)行整體機械加工； 第七步，水壓試驗；按照用戶設(shè)計水壓試驗任務(wù)書要求，裝配水壓工裝、貼應(yīng)變片，進(jìn)行常規(guī)的水壓試驗，以驗證所加工發(fā)動機進(jìn)氣道的承壓能力和密封性； 第八步，整體精加工；按照設(shè)計文件要求，對發(fā)動機進(jìn)氣道的外部、裝配、連接部位等進(jìn)行最終精加工，獲得滿足設(shè)計圖紙要求的發(fā)動機進(jìn)氣道。
2.如權(quán)利要求1所述發(fā)動機進(jìn)氣道的制造方法，其特征在于，在分別鑄造進(jìn)氣道上蓋、進(jìn)氣道主體直段和進(jìn)氣道主體轉(zhuǎn)角段時: 制造蠟?zāi)r:模料溫度應(yīng)控制在60~80°C，注蠟壓力為3500KPa，保壓時間為300~500S,蠟?zāi)Ｖ谱骱煤笮柰７?h ； 制作形殼時:采用常規(guī)的耐火材料與膠粘劑制作形殼；制作好形殼后需對形殼通風(fēng)陰干5~15天；對陰干后的形殼還進(jìn)行焙燒，焙燒溫度800~1200°C，焙燒時間需根據(jù)形殼的具體材料和工藝確定； 澆注時:對焙燒后的形殼進(jìn)行真空離心澆注，澆注時的溫度為1400~1650°C以上，澆注離心轉(zhuǎn)速為300~320轉(zhuǎn)/分，澆注后的冷卻時間> 2h ； 所述修整是對鑄造后的鑄件的冒口和缺陷進(jìn)行清理修補后便可得到進(jìn)氣道上蓋鑄件毛還。
【文檔編號】B23P15/00GK103639649SQ201310587087
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】華小渝, 袁永瑞, 張立武, 余大兵, 王常建, 魏和平, 李有春, 符建鋒, 劉維剛, 秦占領(lǐng), 焦永靈, 張萍, 馮越, 安宏慶, 郭紅霞 申請人:西安航天動力機械廠