增压级静子内环精密热成形技术研究

杨秀娟+++韩晓东+++任萍+++段新民+++靳文

摘 要：增压级静子内环是大直径、内“U”型截面、钛合金板料高精度成形件。针对其结构特点、材料特性和精度要求，引入新的应力松弛热定型工艺，设计结构巧妙的应力松弛热定型胎具，微细调整工艺参数和热定型胎具尺寸，从而实现了静子内环这种特殊难成形结构钛合金零件的精密成形。

关键词：增压级静子内环；内“U”型截面；钛合金板料成形件；应力松弛热定型；热定型胎具

引言

增压级静子内环是发动机风扇增压级上的关键零件，与外环、叶片形成整流进气的流道窗口，装配位置。增压级零～三级静子内环由1.0mm厚的钛合金TA1板料制成，但对型面尺寸及形状精度要求非常高：在组件状态下，要求型面测量点直径公差为±0.2mm，即单件的型面轮廓度不大于0.2mm，型面对外环基准的跳动量不大于0.2，与外环形成的流道宽度S值的公差不大于0.3mm，下端面到轴向基准的尺寸公差为±0.2mm，即下端面的平面度不能大于0.2mm。精度等级已高于机械加工件，而该零件自研制以来，按传统的工艺和工艺装置加工，从未合格过，严重制约发动机的研制和生产。

1 静子内环工艺措施和试验

增压级零～三级静子内环由1.0mm厚的钛合金TA1板料制成，因钛合金室温状态下材料延展率低、弹性模量大、屈强比高，无法冷成型，必须采用550℃以上的热成形或热定型。而其截面为槽口向内的“U”型，直径Φ700～900mm，上、下端口直径小于中间型面直径，通常的整环成型模具无法取出，所以采用通常的整环模具成型无法实现此类零件的加工，须使用胀瓣模进行热定型。但该静子内环的型面尺寸及形状精度要求非常高，精度等级已高于机械加工件，而普通热定型的精度一般在φ1000±1.0mm，无法满足静子内环的精度要求，需要在工艺方法上进行突破和创新，引入新的应力松弛热定型工艺方法。

1.1 应力松弛精密热定形工艺

所谓热定型就是利用线膨胀系数较大的材料制作成热定型胎具，在冷态下将钛合金零件装到定型胎具上，并一起真空加热至定型温度，保温，依靠胎具的热膨胀量大于零件的热膨胀量，将零件胀至与胎具贴合，并与胎具型面一致的钛合金成形工艺方法。普通的热定型工艺，由于冷态下零件尺寸大于胎具尺寸，零件与胎具之间存在间隙，热膨胀过程中，胎具对零件的胀大在各个方向上不均匀，所以定型出的零件精度不高，尤其是圆度、跳动量、直径尺寸误差都较大。

为提高零件热定形后的型面轮廓和尺寸精度，针对静子内环的设计精度要求和特殊結构，尝试了新的应力松弛精密热定型工艺方法：即对零件在冷态下给予一定的预胀紧应力，随着加热温度的上升，预应力缓释，驱动零件与热定型胎具的型面完全紧密贴合，从而将定型后零件的精度提高至定型胎具型面的精度。该方法的原理是：在冷态下用液压机通过可调整直径大小的胀型胎具将零件胀紧，使零件产生一定的弹塑性变形，并承受一定的拉伸力预胀紧应力，保证零件内型面与胎具型面完全贴合，胀紧力均匀；然后将其置于真空热处理炉中加热；因胀胎材料的热膨胀系数大于零件材料的热膨胀系数，随着温度的升高零件塑性大幅提高屈服强度大幅降低，胀紧弹塑性应力逐渐松弛，胀胎就将零件逐渐胀大至与胎具型面完全吻合；冷却之后，零件的型面和尺寸就被精确固化下来。通过精确计算、实验修正和高精度的胀型装置，保证热成型后的零件尺寸和型面精度达到精密程度。

1.2 工艺流程设计

静子内环的成形精度是影响组件质量和性能的关键因素，而静子内环结构虽然很简单，但这种大直径、内“U”型结构却很难成型，因有上下扣边，所以不能用模具拉深成型，只能用胀瓣模胀形；但该零件材料为钛合金，弹性模量高、冷塑性差，冷胀形效果不好。所以经过反复分析比较，决定采取分四段热成形，拼焊成整环后，再进行热应力松弛精密热定型。按应力松弛精密热成型原理设计零件的加工工艺流程如下：激光下四段扇环形毛料——滚弯——涂石墨——用热成型机热成型出1/4弧段——洗涤——除石墨——腐蚀——线切割——将4个1/4弧段拼焊成整环——精细修磨焊缝——应力松弛热定型——车加工零件上、下止口——激光切型面上的叶型孔——去重熔层——荧光检查——最终检验。

1.3 工序尺寸设计

影响应力松弛热定型精度的关键因素主要有：热定型胀量的精确度、热定型前零件的尺寸一致性和热定型胀胎的制造精度。而热定型胀量又细分为冷态下的预应力胀量和热态下的膨胀胀量。热定型前零件尺寸一致性取决于每道工序尺寸设计的精度要求。所以工序尺寸的精确设计是关键。采用逆向建模法设计各个关键工序的尺寸，即由终检尺寸反推各个工序的尺寸：

根据设计图给定的零件最终冷态尺寸，反算零件在定型温度时的热态尺寸；零件定型温度时的热态尺寸就是定型胎的热态尺寸；再反推算定型胎的冷态尺寸；定型胎的冷态尺寸减去一定的冷态弹塑性应变胀量，就是零件定型前整环的冷态尺寸；再根据零件定型前整环的冷态尺寸确定零件1/4弧段热成形尺寸和热成形模具尺寸。

1.4 应力松弛热定型夹具设计

因零件结构为内“U”型截面，上、下端口直径小于型面直径，所以定型胎必须能收缩和胀大，即定型面应能沿径向移动，直径可变，装夹和拆卸时，定型胎的直径要小于上端口直径值，保证零件能够取下；工作时，定型胎的直径要与零件型面的直径值接近。所以将定型胎的工作部分设计成8个扇形块，其中4个优弧块，4个劣弧块，相间排列，并保证在定型直径尺寸下，块与块间隙不大于0.2mm。

为保证定型块沿周向不能串动动，沿径向移动时严格向心，在每块定型块的下表面设计出定位键，在胎具的定位底板上设计出8条向心的键槽，定位块与底板之间靠键槽配合。

定型胎的收缩和胀大依靠胀型锥环的上下运动实现，定型块与胀型锥环之间为锥面配合，锥度为莫氏锥度，保证压紧后锥面能自锁。用液压机压定位锥环向下移动时，定型块沿径向向外移动，定型块直径变大，抬起定位锥环后，定型块可沿径向向里滑移。

在定位底板上设置限位销钉，用来限制定位锥环的轴向移动量，从而限制定型块的最大直径。限位销钉的另一个作用是尺寸微调机构，如果实验后需要调大定型块直径，则可向下修磨限位销钉，使定位锥环能多向下移动微量距离。

因理论计算时都会简化一些次要的边界限制条件，所以计算出的尺寸与实际加工出的零件尺寸都会有微小的差距，通过实验，对理论数据进行微细修正，修正后再次进行实验，直至保证零件设计图要求的尺寸和型面精度。

2 试验结果分析和讨论

按应力松弛热定型原理设计了零～三级静子内环的加工工艺，计算关键工序尺寸，设计制造了四套胀瓣式热定型胎具，并进行了大量试验，对胎具型面进行了微细调整。调整后加工了共计15台份60件静子内环，其中直径尺寸和型面精度合格的有42件。采用应力释放热定型工艺加工制造的三级静子内环检测尺寸如下表1，其精度已达到设计要求。

3 结束语

增压级静子内环是发动机上的关键零件，为大直径、内“U”型截面、钛合金板料成形环的形件，设计精度要求非常高。针对静子内环的结构特点、材料特性和设计精度要求，引入一种新的应力松弛热定型工艺方法，并按该工艺方法原理开发新的应力松弛热定型工艺，设计制造结构巧妙的应力松弛热定型胎具，再通过实验，微细调整零件工艺参数和热定型胎具的精确尺寸，消除因简化边界条件的理论计算值与实际实验值之间的误差，从而实现了静子内环这种特殊难成形结构钛合金零件的精密成形，满足了研制要求，后续还需严格工艺过程控制，继续提高静子内环热定型的合格率。