某转子叶片辊轧工艺

2015-12-21乔思佳李深亮

中国新技术新产品 2015年22期

乔思佳李深亮

（1.驻黎明发动机公司军代表室，辽宁沈阳 110043；2.沈阳黎明航空发动机集团（有限）责任公司，辽宁沈阳 110043）

某转子叶片辊轧工艺

航空发动机叶片叶身型面采用精密冷辊轧工艺制造是叶片制造技术的一大进步。它不仅使加工技术简化，更重要的是可使叶片的机械性能、产品质量和使用性能得到提高。因此，这项技术得到世界上航空发动机制造业的高度重视。在美国，20世纪50年代末就开展了叶片精密辊轧技术研究并应用于生产。俄罗斯将辊轧技术应用于三代机高温合金压气机叶片制造已二、三十年，目前仍在航空发动机制造企业广泛应用。在我国20世纪60年代末，中航工业黎明在全国率先开展了马氏体不锈钢高速锤挤压、辊轧复合形变热处理新工艺的试验研究，并获得成功。近些年又研制成功了某高温合金转、静子叶片已批量生产。国内外实践表明，精密冷辊轧技术应用于航空发动机叶片制造是先进的、成功的，使用是可靠的。

1 叶片结构分析及工艺路线制定

（1）结构特性分析。某转子叶片具有圆弧形榫齿、大缘板、进排气边缘呈仿棰形、型面严重弯曲等特点。叶片圆弧形结构的榫齿，齿型节点尺寸严格，加工难度大，装夹、定位稳定性差；大缘板结构增加毛料锻件的锻造难度和辊轧过程咬口的咬入位置的控制；进排气边缘弯曲严重，在辊轧过程中影响金属的流动性。（2）加工工艺路线。工艺路线：毛料锻件→榫齿加工→精轧叶型→型面边缘加工→榫头及缘板加工→热处理→无损检查→表面处理。

2 辊轧毛料设计

（1）确定轧制变形量。较小的轧制变形量可以降低辊轧难度、减少裂纹出现、减轻设备和工装的磨损。但较小的变形量增加了轧制前锻件的精度要求，因此轧制变形量确定为30%～45%。（2）锻件毛料设计。锻件采用等比例余量的板状叶身设计，即在叶片同一截面上具有相同的比例余量，采用此结构的叶片锻件具有轧制稳定，变形量均匀的优点。在轧制过程中，进、排气边缘轧制的变形量接近，金属的流速基本相等，两侧的轧制力接近平衡，可以减少轧制过程中的侧弯。此外，依据体积不变原理，将叶身型面长度进行缩短计算，减少材料消耗，板状叶身设计也降低锻造难度。

3 辊轧模具设计与制造

（1）前滑系数确定。叶片辊轧过程中，前滑系数与材料的类型、状态以及轧辊的直径等因素有关，常规的方法是采用轧制平板坯料的试验所确定的。在叶片轧制过程中，根据材料前滑系数对轧机轧辊与夹头的运动速度进行调整。（2）旋转中心确定。确定旋转中心是使叶片型面上各点在轧制过程中盆、背两侧面相对于旋转中心具有相对平均的线速度，其误差在轧制过程中通过调整来修正。（3）进排气边缘处理。叶片进排气边缘的空间曲线，增加了模具气边缘的处理难度，边缘处理的结果不适合，容易在叶片边缘形成褶皱。在延伸时需要设计人员在三维模型中反复修整，直至完善。（4）辊轧模具的制造。叶片辊轧模具采用Cr12MoV的棒材，通过三墩三拔锻造成环形毛坯，以保证其内部的组织致密。锻件采用粗车→磨内圆→磨基准面→粗铣叶型轮廓→热处理→精加工基准→切断扇面→精铣辊轧型面→人工抛光→磁力探伤等工序进行加工。模具采用热处理后进行精加工，防止了热处理过程中的型面变形，因此，模具型面可以获得加高的精度。

4 型面辊轧加工的调整技术

叶片型面的成型精度与辊轧机状态、辊轧模具设计水平与制造精度、锻件结构形式、轧制变形量、轧制方向、轧制成型速度、润滑条件以及材料自身的特性变化等诸多因素有关，在轧制叶片的过程中会出现与设计要求背离的现象，主要靠人工修模来解决。在修模前可使用叶片与轧模之间的调整，解决叶片在辊轧过程中产生的型面侧弯、偏移、弓弯、咬入位置不准确等技术问题。（1）水平方向移动的调整。水平方向的调整主要是解决叶片榫头位置与叶身向进排气边方向的偏移、叶盆与叶背型面错移的问题，在叶片的主要表现形式是叶盆或叶背面的进、排气一侧透光。错移产生的原因：上、下轧辊中心位置产生错移。调整方法：调整上、下两个轧辊或调整任意一个轧辊的水平位置。（2）轴方向移动的调整。在轧制过程中，咬口实际位置与理论位置不重合，容易撞伤或咬伤榫头或叶片型面不正确。错移产生的原因：叶片夹头长度误差、轧模角度误差与轧机装配误差等原因。调整方法：调整轧机上夹具伸缩位置。（3）绕轴向旋转的调整。叶片轧制过程中，榫头与叶身与理论型面的分为两种情况：①叶身整体相对于榫头中心偏转，②叶根位置正确而叶尖偏转。偏转产生的原因：叶片夹头与轧模的型面的相对位置不正确。调整方法：主要是上对活动机架上部的仿形机构进行调整。（4）竖直方向移动的调整。在叶片轧制过程中常出现叶身相对于榫头中心向叶盆或背方向偏移。产生的原因：叶片夹头的中心与辊轧模具的中心不在同一水平位置。调整方法：只有通过叶片夹头来调整榫头Y方向位置。在夹头上使用偏心键来调整Y方向的位置。（5）绕竖直方向旋转的调整。叶片的轧制过程中，常出现叶片型面在进排气方向上的出现侧弯。产生的原因：叶片毛料的边缘厚度不协调或者叶片中心与辊轧方向形成偏角。调整方法：调整夹头转角。（6）绕水平轴旋转的调整。在叶片轧制后出现叶身相对于榫头扭转的情况，表现为：叶身余量偏向叶盆或叶背。产生的原因：装夹叶片的夹头向上或向下倾斜或者上下轧模的旋转线速度不一致。调整方法：通过固定角度块来调整。通过采用调整技术，使辊轧过程简单化，缩短了叶片轧制的周期，降低了模具修整的难度。

5 叶片检测

（1）几何尺寸及理化检测。经检测，采用辊轧工艺轧制的叶片型面几何尺寸满足设计图及相关标准要求。对成品叶片进行理化检测，榫头、R转接、叶身纵横向晶粒度都达到10级或更细，晶粒度明显优于标准要求，力学性能指标高于标准要求约20%。（2）叶片振动疲劳性能。按照相关标准，对某转子辊轧与数控铣两种叶片以650MPa为考核应力进行疲劳测试，辊轧叶片循环次数明显优于数控铣叶片。