TC2薄壁钣金异型环快速制造工艺

高昌前 ，张 涛 ,2,3 ， 陈福龙 ,2,3 ， 李均红 ，谭 军

（1.北京航空制造工程研究所，北京 100024;2.塑性成形技术航空科技重点实验室，北京 100024;3.数字化塑性成形技术及装备北京市重点实验室，北京100024；4.四川成发航空科技股份有限公司，成都 610503）

航空发动机上的环形件种类较多，其中钣金结构的零件多采用成形、焊接、校形及机械加工等组合工艺制造[1-5]。这类组合工艺能够避免锻造和铸造的组织缺陷，发挥出板材优良的机械性能。但制造流程复杂，多种工艺的叠加使得产品精度难以控制。尤其是制造周期长、生产效率低的特点，制约了部件产量乃至整机的批量生产。本文针对某种薄壁钛合金异型环，利用该类零件平直母线的特点，提出一种不用成形的无余量制造方法。该方法摒弃了传统的焊接、成形机械加工等工序组成的的制造工艺，通过对处于同一平面、不同半径的曲线按同一锥角精确展开，在相切位置依次叠加，并偏置出变直径的扇形坯料，最后对焊成环。此方法实现了钛合金薄壁异型环的低成本、快捷制造。

1 零件特征

某类零件为航空发动机后部的环形零件，其典型特征是变曲率、等锥度、薄壁结构。材料为TC2钛合金，厚度1.2mm，外形尺寸见图1。

这种零件在制造之初采用的是焊接、热校形、机加相结合的传统工艺方法，主要流程见图2。由于零件尺寸较大，使用的成形、机加设备都是大型的专用设备，其中热校形的设备是平台尺寸为2000mm×1500mm的FCC-400t热成形机，机械加工采用2000mm×1800mm台面的大型卧镗/铣机床，仅热校形及机械加工工序就耗时近两周。费用达数千元。传统的制造工艺特点导致该零件的研制成本高昂，而且无法按时批量交付。为解决上述问题，通过传统流程中周期长的工序及零件的外形分析，观察到其母线具有平直的特点，材料不发生塑性变形也可满足该零件的尺寸要求。而成形的毛坯需进行余量加工。如果取消成形可尝试精确计算近净制造。因此提出采用展开叠加并进行对焊的快速制造方法。

图1 薄壁异型环的外形尺寸Fig.1 Sizes of abnormity ring

图2 传统的制造流程（部分）Fig.2 Traditional manufacturing process

2 展开毛坯的确定方法

2.1 展开半径的计算

等径锥面曲线的展开公式为：

通过公式（1）和（2）能够分别计算出R772.4mm及R882.9mm的展开半径R展开及展开向心角θ展开。这样就确定了零件中不同半径曲面的展开尺寸。但这个展开尺寸仅是零件的部分展开尺寸，或者说是分段的、不连续的展开尺寸。如何将这些分段的尺寸正确地组合成完整的毛坯是精确展开的关键。

2.2 曲线相切展开

将零件等效成在中性层位置无厚度的曲面，那么构成这个曲面中的两条线如果在曲面上相切，这个曲面展开后（不发生塑性变形的前提下），两条线仍然相切。基于此，将计算出的2种展开半径在同一直线上重合，中心距为R1展开-R2展开，各自以O1与O2作圆R1展开与R2展开，然后以重合线为起点，分别取角度θ1展开和θ2展开；这样一段展开线段确定，如图3（a）所示。其他展开线段以其中的一段展开半径为基准，方法与前述一致。展开的过程中应按原有的顺序连接，注意圆心的正确偏移，图3（b）中O3'和O3"因为圆心确定错误导致展开曲线相交，这样确定的曲线绕成环后将不在同一平面。因此需保证相邻展开曲线的圆心在同一基准直线上，避免出现展开曲线相交的情况。采用此方法不仅局限于2种相切锥面的展开，可以应用于多种半径相切平直母线的的锥面展开，见图4。

将得出的曲线偏移零件母线高度，并以相应切点和圆心连线，便得到展开料尺寸。然后将毛坯两端对焊，可得到变曲率的锥面环,如图5所示。

由于这种方法采用的是直接精确切割至零件尺寸，因此焊接后无需后续加工。属于近净制造方法，省去了成形、机加工序，可实现该型零件的快速、低成本制造。该方法能否达到预想的目的，下面进行试验验证。

图3 两种相切曲线的展开方法Fig.3 Spreading method of two tangent curves

图4 多种直径的相切曲线展开Fig.4 Spreading of variable tangent curves

3 试验验证

试验中采用三坐标高压水切割设备对TC2钛合金板材进行切割，高压水切割设备型号为SQ3018，设备加工精度为±0.1mm（材料厚度≤2mm），切割速度3mm/s。由于板材尺寸为δ1.2mm×2000mm×1000mm，而展开料总长超过5000mm，因此将展开料尺寸分3段切割，为减小变形量，更准确地验证展开料尺寸，应采用变形量小的焊接方式。文献[6-10]中阐述了钛合金薄板采用激光焊可以较好地控制变形。因此，展开料的拼焊采用激光焊接。激光焊设备型号为JKH5106-4000，功率为1200W，焊接速度为600mm/min，氩气流量为10L/min。

焊后试件如图6所示，试验中焊接了4个异形环，采用型面检具检验试件的周长L（内部），万能角度尺测量试件锥角θ，高度尺测量试件高度H，检测结果见表1。

从4个试件的检验结果上看，试件的展开长度、锥角及高度均满足设计值。其中展开长度与理论值偏差≤0.5mm，锥角与理论值偏差≤18°，高度与理论值偏差≤0.1mm。

采用此快速制造工艺后，原有的焊接、成形、机械加工制造工艺的整个周期为21天，现有工艺的周期仅为5天。减少到原来的25%。此外，研制成本也大大减少，仅为原来的20%。取得了良好的技术和经济效益。改进前后的制造周期对比见图7。

该工艺也不仅仅局限于钛合金，也可以应用于其他材料。主要针对薄板、大直径环平直母线环类件，对于厚度在2mm以下，最小曲率半径与厚度比在300以上的平直母线环均可采用此种工艺。但对于厚板、小直径环的零件，由于材料刚性强，在装配或使用时会产生局部应力集中，因此不宜使用。

图5 改进后的制造流程Fig.5 Improved manufacturing process

表1 异型环的外型尺寸

图6 拼焊后异型环Fig.6 Abnormity ring after welding

图7 传统及现有详细制造流程对比Fig.7 Comparison of traditional and existing complete manufacturing processes

4 结论

（1）采用精确展开计算，直接裁切拼焊的方法制造的异型环周向、锥角、高度等主要尺寸精度均满足设计及装配要求，而且减少了成形工序、节省了大量的工装及设备使用费用，显著提高了零件研制周期，表明该方法是加工TC2薄壁钣金异型环的优异制造工艺。

（2）该方法也适用于其他金属材料的薄壁钣金异型环制造，使用时建议壁厚小于2mm、最小曲率半径与壁厚比在300以上为宜。

参 考 文 献

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