小直径大锥度高压涡轮机匣锻件整体成形技术研究.pdf

铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工120小直径大锥度高压涡轮机匣锻件整体成形技术研究覃允亭，王攀智，郑腾腾，杨家典，项春花，龚忠兴，林凌贵州航宇科技发展股份有限公司 贵州贵阳 550081摘要：介绍了一种Inconel 718材料、小直径大锥度的异形机匣环锻件整体成形的技术研究，通过设计相应的工步过程，结合设计相应的成形设备及工艺参数，对锻件进行整体成形，研究并掌握该类锻件成形的关键工艺参数，为后续该类小直径、大锥度高温合金机匣的整体锻造成形提供基础数据支撑，为大批量生产提供技术参数支持。关键词：大锥度；机匣；异形轧制；整体成形1 序言Inconel 718材料是含Nb、Mo的一种镍基合金，在650以下时具有高强度、良好韧性，以及在高低温环境中均具有优良的耐蚀性，且具有良好的焊接性1。该材料的产品零件依靠其优秀的性能广泛用于航空发动机零件制造领域，如高压涡轮机匣等重要零件的加工制造。在众多类型的机匣类航空发动机产品中，此类小直径、大锥度高压涡轮机匣因其形状较为复杂，直径较小，且存在较大的锥度，所以对于精密锻造加工行业来说有着不小的生产难度。由于该类形状的机匣广泛用于各型号的航空发动机中，如Leap系列航空发动机、CFM系列航空发动机及BR700NG等，因此解决此类机匣锻件在锻造过程中的成形与性能问题，对于产品的前景开发有着重大意义。另外，在研究过程中，还要面对竞争愈发激烈的业内竞争，在考虑生产可行性的同时，还需节省材料使用，节约成本，提高竞争力，设计一个尽可能精细化的产品锻造成形工艺，在确保产品性能合格的前提下，实现零件的大批量、连续且稳定高效的生产。2 小直径大锥度锻件结构分析2.1 零件结构分析小直径、大锥度高压涡轮机匣零件截面及主要尺寸如图1所示。其锻造生产的难点在于该零件最终直径较小，最小内径仅为537mm，而大头一端外径为772mm，因此两端直径差异较大。另外，零件内外不但存在多处法兰及台阶，而且还存在约34的一个大锥度，内外径有多处台阶结构，大小两端分布差异较大，若设计为简单的矩形锻件，在锻造保护余量为5mm的前提下，材料利用率仅为13%，这对材料投入、加工成本以及产品批量生产均存在较大不利影响。图1零件截面示意及主要尺寸2.2 异形锻件结构设计对于此类小直径、大锥度锻件产品，因其整体变形量小，两端尺寸差异大，所以需考虑在生产时大小头两端的尺寸是否匹配，还需考虑所使用的工艺方案是否能生产出满足其流线、性能要求的锻件2。综合现有锻造设备及生产经验，精化锻件余量，确保产品生产方案可行的前提下设计异形锻件铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工121结构，如图2所示。足设计要求的锻件。4 锻件生产过程4.1 生产过程设计结合现有主锻设备，该类机匣锻件的工业化锻造生产流程为：下料制坯胎模整形终轧，实际生产时其大致成形过程如图6所示。图2异形锻件结构图3 胎模整形及终轧仿真模拟过程图6锻件生产过程按上述方案，经初步计算得知，此设计方案相比矩形锻件的设计，可将材料利用率由原先的13%提高至39%，可大幅节省材料投入，且锻件大头部分约占锻件总重量的57%，坯料相对分布较为均匀，锻件的内外形面完全按照零件的外形轮廓进行设计，内外径上设计多个台阶结构，并依照锻件本身的锥度结构进行设计，可极大地减少生产成本。3 方案设计及仿真模拟验证3.1 方案设计针对此机匣锻件，初步设计的生产方案为自由锻制坯、胎模整形及轧制成形，其中关键的控制过程在于胎模整形，而胎模整形的最大目的在于将自由锻得到的坯料进行初步整形，以此得到此机匣锻件的大锥度，初步解决其成形过程中难度较大的“大锥度”问题，而后，确保最终轧制变形量满足30%的前提下，反向计算、设计机匣锻件的坯料尺寸，即可解决其成形过程中“小直径”的问题，其胎模整形及终轧仿真模拟3过程如图3所示。3.2 仿真模拟（1）胎模整形阶段仿真模拟 在胎模整形仿真过程中，坯料设定温度为1000，其仿真模拟结果如图4所示。（2）终轧阶段仿真模拟 在终轧仿真过程中，坯料设定温度为1000，其仿真模拟结果如图5所示。由整体的仿真模拟结果分析，最终可以得到满图5终轧仿真模拟结果图4胎模整形仿真模拟结果锻件的重量约为170kg，结合仿真模拟结果及现有设备，经自由锻制坯后，可以得到整形所需尺寸及形状的坯料，坯料进行胎模整形后，即可初步使用胎模整形得到一个大锥度，使坯料高度上各区域的坯料体积占比更接近于最终的锻件坯料体积分布，这是整个锻造的关键、重要过程。此工序制出的坯料分布越接近锻件最终的坯料分布，则越有利于锻件的最终成形、型面填充等。针对该锻件存在大锥度及多处台阶等结构，需充分考虑整形过程中的拉料、外径塌角等情况，为使得到的坯料更加接近于最终要求，胎模整形共分为3个步骤进行，分别铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工122为一次胎模整形、二次胎模整形及三次胎模整形，对应分别需要使用不同的专用工装模具，对应的整形过程如图7所示。终得到的锻件尺寸、形状及各项性能指标均满足锻件要求，各个工序对应的产品实物如图9所示。a）一次胎膜整形c）三次胎膜整形图7胎模整形过程示意c）终轧图9各工序对应产品实物b）终轧后坯料图8终轧过程示意b）二次胎膜整形 a）制坯b）胎膜整形a）终轧前坯料 经过整形后的锻件，其高度各区域的坯料分布已接近最终成形锻件的坯料分布，但在整形过程中，坯料的小头区域产生的变形很小，为确保满足最终锻件性能指标，需预留一部分变形量，对整形后的坯料进行终轧，以改善其内部合金组织。坯料经过三次胎模整形后，还需使用专用轧制模具对整形后的坯料进行终轧，其目的在于进一步轧制分料，将锻件最终的形状轮廓轧制出来，从而得到满足最终尺寸的锻件，并得到所需要的锻件内部组织、晶粒度等。结合现有碾环机设备，按锻件最终轮廓设计出合适的轧制模具，对整形后的坯料进行终轧，其终轧过程如图8所示。经过终轧的坯料，即可得到最终的符合设计要求的尺寸及形状。4.2 产品实物生产按原设计的成形方案，对该小直径、大锥度锻件进行实物生产，其生产过程均满足设计要求，最铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工1235 锻件性能测试完成所有锻造工序、尺寸满足设计要求后，锻件按相应制度进行热处理，而后产品进行解剖，并将解剖的产品按照相应的规范进行测试，各项测试结果均符合相应规范要求，结果见表1表3。表1室温拉伸试验结果试样编号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率（%）断面收缩率（%）113901080234021370114022423138011302338413801150214051390113022426139011502041技术要求127010301015表2高温拉伸试验结果试样编号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率（%）断面收缩率（%）111109172666211379592465311519522364411349552564511239172665611379522666技术要求10008601015表3晶粒度检测结果试样编号晶粒度/级16.526.537.046.056.566.0技术要求（ASTM）4.0由表1表3可知，按上述的方式锻造的锻件，其室温拉伸性能、高温拉伸性能及晶粒度的测试结果均符合预期设计要求，且均有较大的裕度。6 结束语1）经前期设计、分析以及结合实际产品生产，最终可得到满足预期设计要求的小直径、大锥度高压涡轮机匣锻件。2）通过实物锻件的生产，验证了锻造过程满足大批量、连续性生产的要求，且各项性能均符合设计指标，可对此类小直径大锥度的锻件进行工业化生产。参考文献：1 中国航空材料手册编辑委员会中国航空材料手册M2版北京：中国标准出版社，2001.2 华林，黄兴高，朱春东环件轧制理论和技术M北京：机械工业出版社，2001.3 任智勇机匣体锻件模锻成形过程有限元模拟J热加工工艺，2011，40（13）：69-71.20230506 征稿启事金属加工（热加工）特设感应加热栏目，涵盖感应热处理、感应熔炼、感应透热等领域，并面向广大热加工行业工作者征集优秀稿件，凡内容涉及相关工艺、设备、材料、检测技术、缺陷分析，以及节能环保和生产管理的技术或综述文章均可向我刊投稿。稿件一经录用可优先发表，并选择在金属加工全媒体平台相关微信公众号上发布。投稿路径：1.登录http：/ 网上投稿系统。2.邮箱：。金属加工（热加工）编辑部