自由涡轮二级导向器精密铸造工艺研究

2014-11-24常州兰翔机械有限责任公司江苏213022

金属加工(热加工) 2014年5期

常州兰翔机械有限责任公司（江苏 213022）黄凯

涡轴6系列发动机现装机使用的自由涡轮二级导向器（Z6.45.200）毛坯叶型是有余量的，在加工过程中需对叶片及通道进行抛磨。该铸造模具自涡轴6发动机研制以来一直使用至今，期间经过了多次修理，致使叶型抛光余量越来越大，且因叶型扭曲加工后几何公差超差较多；同时由于加工余量较大，使得铸造表面的致密细晶层被去除，对其使用性能是不利的。经公司研究决定利用某型机研制平台，开展叶型无余量的自由涡轮二级导向器的应用研制。

1.蜡型制作工艺选定

由于叶片为无余量，叶片型面的轮廓度公差±0.13mm，叶片排气边公差为+0.13-0.05mm，原有的叶型尺寸是在原有设计叶型的基础上增加铸造余量，然后通过抛光加工的工艺来保证叶型的尺寸公差。要想通过铸造获得叶型与设计图样相符的精密铸件，关键在于要制造出高精度的蜡型（见图1）因此蜡型的成形十分重要。

图1 导向器蜡型

现有的整体叶盘蜡型成形方法主要有三种：钢体活块法、单体叶片蜡模与盘体组合法、可溶性芯块整体成形法。

（1）钢体活块法优点：铸件尺寸精度高，生产效率高。缺点：模具设计制造周期长，制造费用高，且受铸件结构的限制。

（2）单体叶片蜡模与盘体组合法优点：模具结构简单，制造费用低。缺点：组合夹具精度要求高，组合采用蜡型焊接和胶合法连接，工序较复杂，受环境及人为因素影响较大。

（3）可溶性芯块整体成形法优点：模具结构简单，制造费用低，精度高，受环境影响小。缺点：生产率低。

经分析比较，我们选取了第三种方案，这种方法关键是芯块模具及芯块组合模具的设计。

2.蜡型模具的设计与制作

由于叶片为无余量，叶片型面的轮廓度公差±0.13mm，叶片排气边公差为+0.13-0.05mm，精度要求较高。叶型及通道部分是靠芯块形成，收缩率给定的正确与否直接影响铸件的尺寸精度，由于该叶片扭角较大，最初叶型收缩率仍按单体叶片收缩法进行设计。由于该叶片在整个盘上分布相对于叶盘坐标系的位置度的公差为0.4mm，因此叶片的均布要求很高，芯块组合后不允许发生位移。

（1）芯块模具为了保证芯块组合后不发生位移，芯块采用精密定位销定位（见图2、图3）替代原WZ6.45.200模具活块组合定位结构（见图4）。

图2 带双定位销芯块

图3 芯块模具组合

图4 原有芯块模具组合

考虑到叶片叶型主要由芯块精度保证，因此对芯块精度要求较高，为了保证芯块的精度，需对芯块模具的设计及制造采取比较高的精度，参考现有的加工水平，我们对芯块模具的4块型腔板的定位均采取了双精密定位销定位，定位销孔加工都由慢走丝加工保证，均布控制在±0.02mm之内，孔径尺寸控制在±0.01mm。虽然较原有活块结构相比生产进度稍慢，但可以消除操作上的人为误差，保证了尿素芯块的精度。

由于整体模具设计结构为芯块组合形成叶片型腔，因此需要考虑组合时的间隙。芯块在芯块组合模具上组合，由于组合面为曲面，因此芯块模具在组合面上的加工要求较型面更高，型面公差应控制在0.02mm之内，否则会造成芯块组合后在蜡型压制过程中由于受力不均导致偏摆，最后导致叶型产生偏差，最终影响蜡型精度。

（2）芯块组合模具芯块组合时由组合模具保证组合精度，这就要求芯块组合模具有较高的精度。我们对该模具设计采用双精密定位销定位结构，设计要求定位销孔位置度0.01mm，定位销孔径公差要求±0.01mm，定位销孔加工都由慢走丝加工保证。蜡型模的起模方式，由原模具的部分顶起改为直接放入水中将尿素型芯溶化，直接获得蜡型，减少起模时由于倾斜导致的蜡型变形。芯块组合模具底板如图5所示。

图5 芯块组合模具底板

3.主要工艺及参数

（1）芯块的制作国内常用的水溶性型芯主要有尿素、聚乙二醇为基加填料等。我们选用原有的成熟的尿素工艺。该材料具有成本低、收缩率小、强度高、能够自由浇注等特点。但由于尿素易吸湿，使用时需重熔后浇注，浇注温度应控制在133～136℃，制芯工作间湿度应尽量小，这样制得的芯块表面较光洁，一定程度上有利于保证叶片的精度及表面粗糙度。制作完成后的芯块应抽取10%进行叶型计量，叶型轮廓度公差应小于0.03mm。制作完成后的芯块应注意密封保存，防止吸潮。使用前还需对芯块表面进行检查，若表面存在吸湿或划痕等缺陷的芯块，则不允许使用。

（2）蜡型的压制选用的蜡料及蜡型的压制工艺参数参照原有余量毛坯，压蜡环境温度控制在（24±4）℃，模具温度25～30℃，蜡液温度为60～66℃，压力为0.5～0.7MPa，保压时间5min，蜡型脱芯温度控制在25～32℃，芯块水溶完毕后，蜡型放在专用的托板上，以防止变形。

按以上工艺压制的蜡型通道尺寸见附表。叶型经三坐标计量，符合预定收缩尺寸要求。

自由涡轮二级导向器通道蜡型尺寸（mm）

（3）蜡型组合由于无余量毛坯的整体结构与有余量毛坯基本一致，故蜡型组合采用的浇道仍为原用的爪型浇道结构。考虑到无余量叶片叶型较原有的厚度减薄可能会导致浇注过程中欠铸，因此适当地对主浇道高度加高、直径加粗，以增加浇注充型过程中的压力和单位面积的钢液流量。

（4）制壳叶片表面获得均匀细晶将有助提高叶片的抗热疲劳和燃气腐蚀性能。因此采用表面涂料涂挂铝酸钴细化晶粒工艺，考虑到无余量叶片表面粗糙度的要求，我们采用优质刚玉粉作为耐火材料，其余各层沿用原有余量制壳工艺。

（5）合金熔炼及浇注由于叶片为无余量叶片，因此叶片部分的冶金质量较原有要求更严。经统计，过去冶金报废主要原因是由于叶片中夹渣超标，因此在金属熔炼过程中应特别注意控制，否则合格率就很难得到保证。

我们主要是通过以下途径提高钢液质量：①采用优质的母合金，母合金使用过程中严格控制一次缩孔情况。②严格控制回炉料加入量，且加入前严格按照相关标准要求进行重熔、筛选。③尽量采用在较高的真空度下进行熔炼。④由于真空浇注是采用坩埚直接浇注，我们把坩埚浇注口设计了挡渣包，以利于尽量减少非金属夹渣流入模壳。

考虑到叶片排气边较薄，最薄处仅0.9mm，且受设备的限制，钢液需先进行熔化，然后模壳转移至炉膛内进行浇注，此过程模壳温度下降很快，因此浇注过程中极易产生欠铸。为了保证模壳在浇注时还具有较高的温度。模壳经造型装箱在950℃焙烧保温2h后再进行转移浇注。

根据航空材料手册介绍，K406C浇注温度为1450～1470℃。我们结合以往的经验，首次采用在1460℃进行浇注，真空度控制10-2MPa以上，浇注速度一般≤3s。

（6）清理由于叶片较薄，且考虑到铸态的整体叶盘热应力较大，采用传统的振动清壳有一定的风险，清理可能会导致叶片应力集中区产生裂纹或裂纹萌生源，特别是裂纹萌生源无损检查也无法检查，最终可能会导致零件提前失效，因此我们先采用手工法去除外面模壳，然后将主浇注系统切除，随后对铸件进行固溶处理，使铸件热应力基本释放，随后再采取机械振壳加手工清除的方法清除模壳。

4.检测

（1）尺寸检测按照上述工艺生产出来的首批毛坯未发生欠铸现象，表面粗糙度也基本满足设计图样要求，叶型尺寸经计量检测基本符合图样要求（除个别点超出公差），但中环及外环通道尺寸超差，与设计图样相比超差了1mm，分析认为这主要是由于增加了主浇道尺寸，铸件在冷却时补缩量较原来略大，只需要通过对芯块模具通道进行修整即可。

（2）理化及无损检测化学成分、力学性能、X射线、荧光、金相等检查项目，按照YJ（R）-044-1987技术要求进行检测后发现有两件符合要求。

（3）修模经过修改后的模具按以上工艺再次浇注出来的毛坯尺寸及几何公差已基本满足图样要求（除个别点超出公差）。

（4）试加工及考核铸件完成后，选取合格件进行试加工，除个别尺寸超差，其余均满足设计图样要求，并顺利通过首件鉴定及装机前工艺评审。工艺评审后，该零件顺利装机参与了某型机研制过程中的摸底试车、长期考核试车、三高试飞等一系列考核，顺利通过了鉴定。