某航空发动机压气机整流叶片锻造工艺研究

2014-12-23余继华黄艳松余三山

机械工程师 2014年12期

余继华，黄艳松，余三山

（1.海军驻株洲某军代室，湖南株洲412002；2.中航工业南方公司，湖南株洲412002）

0 引言

某航空发动机压气机整流叶片的材料为1Cr13Ni，叶片型面复杂，扭曲大且无序，各截面面积大小相差大（如图1所示），因此毛坯锻造模具设计难度大，叶片变形难以控制，易出现模锻成形困难以及后续切边开裂等问题。为保证产品毛坯质量，结合该叶片结构特点进行了工艺分析，针对加工难点提出了相应的解决方案，并开展了试制验证。

图1 产品外观三维示意图

1 工艺分析

一般的叶片是通过叶身型面和榫头内侧面来确定基准，以便于叶片的锻造成形、测量以及加工，而该叶片只有叶身，缺少榫头进行纵向定位，因此在锻造过程中叶片纵向尺寸误差较大，且测量不便，后续加工困难。该叶片叶身型面复杂，横截面面积分布不均匀，其中最大截面的面积与最小截面的面积相差近1倍，且叶身型面无序扭转，在锻造过程中易因金属流动过快而导致折叠问题。叶片叶身纵向存在曲线波动，且波动幅度较大，在锻造过程中圆形坯料易因振动而产生滚动，从而导致局部未充满的问题发生。该叶片的另一特点就是叶身边缘处较薄，锻造过程冷却速度较快，在切毛边时易出现切裂。

2 工艺方案

由于该叶片叶型无序扭转，可采用多段折线分模，将进气边缘和排气边缘按分布趋势调整成3～4段折线连接，两端榫头部分采用3折线分模，以解决分模难的问题。为避免定位难题，在叶片两头沿理论基准Z轴上分别设计一个横截面积一致、长短不一的小方榫头，通过这两个不同的榫头，可以实现叶片快速定位，同时便于后续叶型尺寸检测。为解决叶身厚度不均匀易产生折叠的问题可采用预补偿的方法，在叶型厚度较薄处相应增加0.5 mm厚的余量，并将叶身两端按趋势延伸6 mm，减少整个叶身的厚度差异。在锻造时可先将坯料镦扁，能够防止圆形坯料在模具型腔中出现滚动，以保证锻造成型过程坯料分料均匀，避免局部未充满。根据上述方案分析结果确定的锻件外观如图2所示。

图2 产品锻件外观示意图

锻模毛边槽一般由桥部和仓部组成。为了在毛边槽内产生足够大的径向阻力，并容下所有的多余金属，以及便于切除毛边，毛边槽的桥部高度应小些，宽度大些，同时桥部高度减小或宽度增大，终锻成形时型槽内的三向压应力状态更为强烈，更有助于锻件充满成形［1］。因此，可将模具桥部宽度适当延长，以利于锻件的切边和充型，最终制作的锻造模具如图3所示。

图3 产品锻造模具

3 试制验证

试制坯料为规格φ20 mm的棒材1Cr13Ni。

依据上述分析结论，编制了该叶片毛坯锻造工艺路线：下料→打磨→加热→模锻→切边→加热→校正→抛丸→检验→淬火+回火→抛丸→检验，其中加热工序工艺参数如表1所示。

模锻工序采用1000 T压力机锻造，坯料加温后转移时间要求控制在10 s以内，锻造前先将坯料在模具平台处稍微压扁（厚度约15 mm），然后放入型腔，以刚好放置在两榫头之间为宜，再打击一锤成形，终锻温度不低于900℃。锻造完毕后，趁余热切边。淬火采用RJX电炉，850℃以下入炉，随炉升温到950℃±10℃，保温70～100min，散开空冷；回火温度570℃±20℃，保温2.5～3 h，空冷。

按上述工艺路线和工艺参数锻造3个锻件，锻件实物如图4，对所有锻件进行外观尺寸质量、低倍组织、高倍组织以及力学性能进行检测。经检测，所有锻件尺寸符合锻件图样规定，表面无折叠、开裂等缺陷，低倍组织流线正常、无冶金缺陷、组织均匀，高倍金相组织晶粒度均匀、晶粒度6～7级（如图5所示）、自由铁素体质量分数＜1%，力学性能见表2，均符合该叶片冶金技术文件要求。