波瓣焊接组合零件整体成型工艺与模具技术

摘 要：通过对波瓣焊接组合零件的结构工艺分析，提出了波瓣焊接组合零件整体成型的方案，创新提出了采用带法兰拉深毛坯成型波形、并采用限位压边控制法兰厚度的加工工艺方案，阐述了工艺设计思路；同时针对法兰成型波形过程中材料局部凸起变形及破裂问题提出了旋转侧推预成型后再整形的工艺改进方案，并阐述了旋转侧推预成型模具结构方案及工作原理。

关键词：波瓣焊接组合；整体成型；法兰增厚；旋转侧推；整形

中图分类号：TG382 """"文献标志码：A

Integral forming and die technology for lobe welding assembly

LI Youchun， HU Jiamin*， BIN Haoyu， ZHANG Yunxin， LI Jianjun， CHEN Wen

（Aero Engine Corporation of China South Industry Co.， Ltd.， Zhuzhou 412002， Hunan， China）

Abstract： The paper proposes a scheme for the integral forming of the lobe welding assembly by analyzing the structure of the lobe assembly and an innovative processing technology of drawing cylindrical part with flange to form the waveform and limitingbinderpressing distanceto control the flange thickness is proposed. The idea of processing design process is described in this paper. Meanwhile， the scheme of rotary pushing waveform then sizing the lobe welding assembly is adopted to solve the problem of local convex deformation and cracking of the material whenthe flange transferring towaveform. And the rotary pushing die structure and working principle are described.

Key words： lobe welding assembly; integral forming; flange thickening control; rotarypush forming; sizing

0 引 言

波瓣焊接组合零件是航空发动机上的一个排气零件，它不仅可以加速航空发动机内外涵道流体掺混，提高发动机的推动比，还可以降低发动机排气噪声和红外辐射，在航空发动机领域得到了广泛应用［1-3］。波瓣焊接组合零件通常由多个尺寸完全相同的波瓣组成，在制造过程中，波瓣与波瓣之间通过焊接的方式连接而成［2］。由于零件焊缝数量多，焊接变形控制难度大，型面尺寸精度低，存在较大质量风险［4，5］。同时，零件加工周期长，加工成本高，严重影响零件的生产应用。采用整体成型技术具有明显的质量和成本优势。因此研究波瓣焊接组合零件的整体成形技术具有重要意义。本文以某波瓣焊接组合零件为研究对象，开展波瓣焊接组合零件整体成型工艺与模具技术研究，最后通过生产试制验证波瓣整体成型的可行性。

1 产品结构及材料

图1为某波瓣焊接组合零件，由波瓣和波瓣前段焊接组合而成。该零件采用16件单个成型的波形拼焊成一个整环，再与下部波瓣前段焊接，因此波瓣焊接组合零件共有17条焊缝。材料为GH4169合金，厚度为1mm。波瓣零件型面精度要求高，线轮廓精度要求0.4mm以内。

2 波瓣焊接组合零件加工工艺分析

波瓣焊接组合零件采用焊接组合工艺方案，则需要分别加工波瓣和波瓣前段。波瓣波形大端展开长度约为2980mm，小端周长为1278mm，大端长度为小端长度的2.33倍。GH4169合金材料延伸率无法达到100%以上［6，7］，因此采用拉深筒形毛坯胀形等工艺无法进行整体成形；同样采用有轴向焊缝的筒形毛坯则由于存在焊缝薄弱环节，更是无法胀形成型。目前国际上普遍采用单瓣成型加工后再组合焊接的工艺［8-10］。波瓣前段为典型的锥筒件，可以拉深成型。因此目前该类波瓣组合零件都是有17条焊缝的组合件。

3 波瓣焊接组合零件整体成型工艺的提出

根据波瓣焊接组合零件结构和尺寸，充分考虑高温合金材料的成型性，拟采用圆板料成型波瓣部分，同时结合翻边成型波瓣波形的工艺方法。波瓣焊接组合零件整体成型主要工艺路线为：下圆板料→拉深成型带法兰的筒形毛坯→法兰部位波瓣波形成型→波瓣切筒底→波瓣收口成型→波瓣整形，如图2所示。

在拉深工序中，考虑到波形部分在成型过程中会变薄，在毛坯拉深时通过限位拉深增厚法兰部位材料，保持压边间隙约为1.1倍料厚进行多次拉深，控制毛坯法兰处的壁厚分布情况，进而改善在后续翻边成型中材料各处的厚度均匀性并提高成型性能。拉深毛坯加工后需要将法兰部位加工出波形。由于波形部分在轴向存在负角，考虑先将法兰部位竖起来，再将波形往中心收拢成型最终形状，为此经拉深成型后，带法兰筒形件依次进行翻边成型、切筒底、波瓣径向收拢成型。为保证最终零件成型质量，最终工序为对零件进行整形。同时，为提高零件成型极限，在各成型工序中增加固溶热处理，以充分恢复材料塑性，防止零件在成型过程中发生开裂。

4 整体成型模具结构研究

4.1 零件翻边成型模具结构

在法兰边翻边为波瓣波形工序中，翻边圆弧内侧为垂直方向，内切圆为波瓣型面母线转接内切点位置。非圆孔极限翻边系数通常小于圆孔的极限翻边系数，其关系为［11］：

m′=m×α180°

（1）

其中，m为圆孔的极限翻边系数，α为非圆孔的圆弧对应的中心角（度），m′为非圆孔的极限翻边系数。

因此，翻边工序中波瓣锐角的内圆圆角应适当加大以增大圆弧中心角α处的实际翻边系数，说明直线段的存在，极限翻边系数可以减小。波峰波谷处圆角加大至最终设计值的1.5倍（相当于加大翻边底孔直径），如图3所示。由 "于翻边成型孔边延伸率通常比单向拉深要大，且经过增厚处理后，孔的极限翻边系数更小；为提高翻边成型可靠性，翻边成型后波形周向长度也可为设计值的85%左右，即周长按2533mm设计，单个波长最大约158.3mm，这样边缘最大延伸率约为28%，材料延伸率完全可以满足要求，翻边成型无风险。

4.2 波形收拢成型模具结构

完成波形翻边成型后需要将波形翻转成型以达到组合后形状尺寸要求。理论上可以沿锥面滑块沿径向往中心将波形往里直推，模具主要结构如图4所示。但通过模拟发现，在波形根部材料会往外凸出，且波谷处材料变得很薄也很严重，波谷处最大应变达0.27，等效应变已接近材料延伸率极限，波谷处存在破裂风险，波形收拢成型模拟验证情况如图5所示。在首次产品加工试验中，波谷处产生了破裂现象，且波形根部材料往外变形凸出。实际试验中情况与模拟情况基本一致。

分析认为，波形根部材料会往外凸出是由于零件成型时锥面压力有一个向下的分力，而波谷处在模具没有完全贴合前外侧处于自由状态，在向下压力的作用下材料就被往外挤从而形成凸起变形。同时，由于波形往内收的变形力通过冲头圆角传递，相当于点接触，存在应力集中，在收口后，波谷处材料变得很薄。

为此，提出斜向向上推模方案，通过模拟波形根部材料会往外凸出的情况有改善，但零件有16个波形，且每个波的推动方向不同，这样模具必将十分复杂，设计制造难度非常大，难以实现。单个波形依次成型的话，操作难度大，最后也还需要整形，多次定位加工效率很低，质量也难以保证。

4.3 收口成型模具改进探讨

为避免收拢时波谷破裂，必须改善波谷处的受力状况以提高材料变形均匀度。同时，为消除直推收拢时波形根部材料凸起变形，需要对该处施加压力。为此，提出了旋转推模具结构方案。该方案利用杠杆原理，将波瓣通过旋转方式将波峰波谷收拢至理论位置，型面尺寸再通过径向直推收拢方式进行整形保证。该方案模具结构如图6所示，其与径向收口模具的主要区别在于，其将图4中的整体侧推型块分成了图6中的侧推滑块和旋转块两部分，通过旋转块的半圆弧面作用于波谷的力将波峰波谷收拢至理论位置，受力方式由点变成了线，从而大大改善了零件成型性能。为确保模具结构可操作性，简化了旋转块结构，如图6所示，采用了半圆弧面的结构而非零件型面结构，加工制造简便，同时，在旋转推进过程中，旋转块下部紧贴波形根部，从而防止材料往外变形凸出，成型中也不会产生干涉。

从模拟结果（图7）来看，最大应变出现在冲头圆弧与坯料接触处（线接触），即侧壁处，约为0.09。该方案最大应变值明显小于直推方案的应变值，不到直推方案的一半，证明了该方案可以极大提高波瓣整体成型的可靠性，可以通过该方案完成波形的收拢成型，固溶后再采用整体直推的模具进行最终整形，以满足尺寸精度要求。

该方案实施后成功加工出了整体成型的波瓣（图8右为实物照片）。

5 结束语

通过对波瓣结构及尺寸特点的分析，提出了波瓣整体成型的工艺与模具新技术，实现了

波瓣的整体成型加工。与拼焊工艺相比，该零件没有焊缝，质量更稳定可靠。与单瓣成型加工后焊接相比，可以大大降低材料消耗，并提高了生产效率。

对类似波瓣零件的成型，可以根据该零件工艺、模具设计思路，采用类似的技术进行加工。该技术具有较好的推广应用价值。

不同于焊接组合加工方法，该技术有如下创新点：

（1） 提出了波瓣与波瓣前段整体成型加工的方法，避免了17条纵向及横向焊缝；

（2） 提出了用圆板材料翻边成型波瓣的方案，突破了传统工艺用环形或锥形坯料成型波形的工艺思路，为实现波瓣组合整体成型创造条件；

（3） 充分利用了拉深成型中法兰部位材料增厚度的特点，实现了成型材料储备最大化，提出了用限位压边实现法兰部位材料增厚储备方案及法兰多工序成型变壁厚控制方案，进一步提高了材料变薄储备量，降低了变薄破裂的风险，同时提高了成型可靠性及成型后材料厚度的均匀性。

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