增壓級靜子內環精密熱成形技術研究

楊秀娟+++韓曉東+++任萍+++段新民+++靳文

摘 要：增壓級靜子內環是大直徑、內“U”型截面、鈦合金板料高精度成形件。針對其結構特點、材料特性和精度要求，引入新的應力松弛熱定型工藝，設計結構巧妙的應力松弛熱定型胎具，微細調整工藝參數和熱定型胎具尺寸，從而實現了靜子內環這種特殊難成形結構鈦合金零件的精密成形。

關鍵詞：增壓級靜子內環；內“U”型截面；鈦合金板料成形件；應力松弛熱定型；熱定型胎具

引言

增壓級靜子內環是發動機風扇增壓級上的關鍵零件，與外環、葉片形成整流進氣的流道窗口，裝配位置。增壓級零～三級靜子內環由1.0mm厚的鈦合金TA1板料制成，但對型面尺寸及形狀精度要求非常高：在組件狀態下，要求型面測量點直徑公差為±0.2mm，即單件的型面輪廓度不大于0.2mm，型面對外環基準的跳動量不大于0.2，與外環形成的流道寬度S值的公差不大于0.3mm，下端面到軸向基準的尺寸公差為±0.2mm，即下端面的平面度不能大于0.2mm。精度等級已高于機械加工件，而該零件自研制以來，按傳統的工藝和工藝裝置加工，從未合格過，嚴重制約發動機的研制和生產。

1 靜子內環工藝措施和試驗

增壓級零～三級靜子內環由1.0mm厚的鈦合金TA1板料制成，因鈦合金室溫狀態下材料延展率低、彈性模量大、屈強比高，無法冷成型，必須采用550℃以上的熱成形或熱定型。而其截面為槽口向內的“U”型，直徑Φ700～900mm，上、下端口直徑小于中間型面直徑，通常的整環成型模具無法取出，所以采用通常的整環模具成型無法實現此類零件的加工，須使用脹瓣模進行熱定型。但該靜子內環的型面尺寸及形狀精度要求非常高，精度等級已高于機械加工件，而普通熱定型的精度一般在φ1000±1.0mm，無法滿足靜子內環的精度要求，需要在工藝方法上進行突破和創新，引入新的應力松弛熱定型工藝方法。

1.1 應力松弛精密熱定形工藝

所謂熱定型就是利用線膨脹系數較大的材料制作成熱定型胎具，在冷態下將鈦合金零件裝到定型胎具上，并一起真空加熱至定型溫度，保溫，依靠胎具的熱膨脹量大于零件的熱膨脹量，將零件脹至與胎具貼合，并與胎具型面一致的鈦合金成形工藝方法。普通的熱定型工藝，由于冷態下零件尺寸大于胎具尺寸，零件與胎具之間存在間隙，熱膨脹過程中，胎具對零件的脹大在各個方向上不均勻，所以定型出的零件精度不高，尤其是圓度、跳動量、直徑尺寸誤差都較大。

為提高零件熱定形后的型面輪廓和尺寸精度，針對靜子內環的設計精度要求和特殊結構，嘗試了新的應力松弛精密熱定型工藝方法：即對零件在冷態下給予一定的預脹緊應力，隨著加熱溫度的上升，預應力緩釋，驅動零件與熱定型胎具的型面完全緊密貼合，從而將定型后零件的精度提高至定型胎具型面的精度。該方法的原理是：在冷態下用液壓機通過可調整直徑大小的脹型胎具將零件脹緊，使零件產生一定的彈塑性變形，并承受一定的拉伸力預脹緊應力，保證零件內型面與胎具型面完全貼合，脹緊力均勻；然后將其置于真空熱處理爐中加熱；因脹胎材料的熱膨脹系數大于零件材料的熱膨脹系數，隨著溫度的升高零件塑性大幅提高屈服強度大幅降低，脹緊彈塑性應力逐漸松弛，脹胎就將零件逐漸脹大至與胎具型面完全吻合；冷卻之后，零件的型面和尺寸就被精確固化下來。通過精確計算、實驗修正和高精度的脹型裝置，保證熱成型后的零件尺寸和型面精度達到精密程度。

1.2 工藝流程設計

靜子內環的成形精度是影響組件質量和性能的關鍵因素，而靜子內環結構雖然很簡單，但這種大直徑、內“U”型結構卻很難成型，因有上下扣邊，所以不能用模具拉深成型，只能用脹瓣模脹形；但該零件材料為鈦合金，彈性模量高、冷塑性差，冷脹形效果不好。所以經過反復分析比較，決定采取分四段熱成形，拼焊成整環后，再進行熱應力松弛精密熱定型。按應力松弛精密熱成型原理設計零件的加工工藝流程如下：激光下四段扇環形毛料——滾彎——涂石墨——用熱成型機熱成型出1/4弧段——洗滌——除石墨——腐蝕——線切割——將4個1/4弧段拼焊成整環——精細修磨焊縫——應力松弛熱定型——車加工零件上、下止口——激光切型面上的葉型孔——去重熔層——熒光檢查——最終檢驗。

1.3 工序尺寸設計

影響應力松弛熱定型精度的關鍵因素主要有：熱定型脹量的精確度、熱定型前零件的尺寸一致性和熱定型脹胎的制造精度。而熱定型脹量又細分為冷態下的預應力脹量和熱態下的膨脹脹量。熱定型前零件尺寸一致性取決于每道工序尺寸設計的精度要求。所以工序尺寸的精確設計是關鍵。采用逆向建模法設計各個關鍵工序的尺寸，即由終檢尺寸反推各個工序的尺寸：

根據設計圖給定的零件最終冷態尺寸，反算零件在定型溫度時的熱態尺寸；零件定型溫度時的熱態尺寸就是定型胎的熱態尺寸；再反推算定型胎的冷態尺寸；定型胎的冷態尺寸減去一定的冷態彈塑性應變脹量，就是零件定型前整環的冷態尺寸；再根據零件定型前整環的冷態尺寸確定零件1/4弧段熱成形尺寸和熱成形模具尺寸。

1.4 應力松弛熱定型夾具設計

因零件結構為內“U”型截面，上、下端口直徑小于型面直徑，所以定型胎必須能收縮和脹大，即定型面應能沿徑向移動，直徑可變，裝夾和拆卸時，定型胎的直徑要小于上端口直徑值，保證零件能夠取下；工作時，定型胎的直徑要與零件型面的直徑值接近。所以將定型胎的工作部分設計成8個扇形塊，其中4個優弧塊，4個劣弧塊，相間排列，并保證在定型直徑尺寸下，塊與塊間隙不大于0.2mm。

為保證定型塊沿周向不能串動動，沿徑向移動時嚴格向心，在每塊定型塊的下表面設計出定位鍵，在胎具的定位底板上設計出8條向心的鍵槽，定位塊與底板之間靠鍵槽配合。

定型胎的收縮和脹大依靠脹型錐環的上下運動實現，定型塊與脹型錐環之間為錐面配合，錐度為莫氏錐度，保證壓緊后錐面能自鎖。用液壓機壓定位錐環向下移動時，定型塊沿徑向向外移動，定型塊直徑變大，抬起定位錐環后，定型塊可沿徑向向里滑移。

在定位底板上設置限位銷釘，用來限制定位錐環的軸向移動量，從而限制定型塊的最大直徑。限位銷釘的另一個作用是尺寸微調機構，如果實驗后需要調大定型塊直徑，則可向下修磨限位銷釘，使定位錐環能多向下移動微量距離。

因理論計算時都會簡化一些次要的邊界限制條件，所以計算出的尺寸與實際加工出的零件尺寸都會有微小的差距，通過實驗，對理論數據進行微細修正，修正后再次進行實驗，直至保證零件設計圖要求的尺寸和型面精度。

2 試驗結果分析和討論

按應力松弛熱定型原理設計了零～三級靜子內環的加工工藝，計算關鍵工序尺寸，設計制造了四套脹瓣式熱定型胎具，并進行了大量試驗，對胎具型面進行了微細調整。調整后加工了共計15臺份60件靜子內環，其中直徑尺寸和型面精度合格的有42件。采用應力釋放熱定型工藝加工制造的三級靜子內環檢測尺寸如下表1，其精度已達到設計要求。

3 結束語

增壓級靜子內環是發動機上的關鍵零件，為大直徑、內“U”型截面、鈦合金板料成形環的形件，設計精度要求非常高。針對靜子內環的結構特點、材料特性和設計精度要求，引入一種新的應力松弛熱定型工藝方法，并按該工藝方法原理開發新的應力松弛熱定型工藝，設計制造結構巧妙的應力松弛熱定型胎具，再通過實驗，微細調整零件工藝參數和熱定型胎具的精確尺寸，消除因簡化邊界條件的理論計算值與實際實驗值之間的誤差，從而實現了靜子內環這種特殊難成形結構鈦合金零件的精密成形，滿足了研制要求，后續還需嚴格工藝過程控制，繼續提高靜子內環熱定型的合格率。