某型飛機平尾轉軸焊接及熱處理的研究和控制

　　摘 要：平尾轉軸是連接某型飛機平尾與機身的主要受力部件，但由于其外形結構較復雜，型腔外形和內形均為理論型面，且型腔壁厚隨理論外形變化而變化，故采用一般的焊接工藝和熱處理方法難以滿足產品質量和性能的要求。 本文通過研究平尾轉軸兩處疲勞關鍵區的焊接缺陷和熱處理變形，并結合當前先進的工藝方法，綜合得出較理想的焊接工藝和熱處理方法。
　　關鍵詞：平尾轉軸 焊接 熱處理變形 工藝控制
　　中圖分類號：V2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　1 引 言
　　平尾轉軸是飛機平尾部件的主要受力件和關鍵件，部件存在兩處疲勞關鍵區，該件又稱為疲勞關鍵件。關鍵件在產品形成過程中大都加工難道大、質量難以控制，容易造成產品質量的不穩定，達不到產品的設計要求，從而影響整個產品的質量性能和交付進度。為了達到和滿足產品的設計使用要求，在產品形成過程中選擇何種工藝過程和方法是尤為重要的。除工藝準備充分、工藝順序安排合理，還需要尋求先進的工藝方法和特種工藝，才能滿足產品的質量性能要求。
　　2 零件結構分析和采取的工藝控制方法
　　飛機平尾轉軸如圖1所示。
　　
　　
　　2.1 零件左端結構焊接和熱處理分析
　　零件左端為一回轉體，采用常用的機械加工方法容易滿足其形狀和幾何尺寸精度要求。但是該區域存在一處疲勞關鍵區B1，B1區域由左轉軸與主體焊接而成。焊接工藝給零件形狀精度和幾何尺寸精度帶來以下問題：
　　（1）該零件材料均為30CrMnSiA，從材料上分析，30CrMnSiA屬于高強度鋼，含碳量較高，其焊接性能非常不好，焊接時要求預熱和保溫溫度較高、時間較長、不易焊透；且焊后變形量大，易產生夾渣和裂紋。為了消除焊接應力，焊后回火去應力要求的保溫時間也較長，且易產生氧化皮層。
　　（2）該零件焊接后要求進行熱處理：σb =1175MP±100MP，但熱處理過程中焊縫容易產生裂紋和脫碳。
　　（3）由于以上缺陷，會減低焊縫強度。而該焊縫正處于疲勞關鍵區B1區域，如果不能保證焊縫質量，將不能滿足疲勞關鍵的要求，對整個產品造成不可估量的質量事故和重大經濟損失。
　　2.2 零件右端結構和熱處理分析
　　 零件右端為理論型腔，用常規的機械加工方法無法滿足要求，只能用4坐標以上的數控機床進行數控加工。零件熱處理后再進行數控加工，不但對數控加工的設備要求很高，數控刀具在加工熱處理零件時刀具磨損特別厲害，對數控刀具的剛性要求也特別高，否則會影響熱處理零件加工后的尺寸精度。
　　 采用熱處理方法對零件進行處理，處理后都存在變形。熱處理后還會留下一定的氧化皮和脫碳層，從而降低零件的幾何尺寸精度，影響產品質量。如圖1所示零件右端存在一處疲勞關鍵區B2，與翼面理論外形面直接貼合飛機蒙皮，如果形面稍有變形，不但影響裝配，還給整個產品質量和性能造成非常大的影響；因此，熱處理前將零件加工到成品尺寸的這一方法不可取。為了改進這一質量狀況，嘗試對理論型腔各處留有少許余量，熱處理后再進行數控精加工。熱處理后留有少許余量的優點是既不會對數控刀具造成太大的磨損，又能保證理論型腔幾何形狀和尺寸精度，滿足質量和性能要求。
　　3 采取的工藝控制方法
　　3.1 焊接方法的選用和控制
　　為了解決以上的焊接缺陷且不降低焊縫強度，必須尋求新的特種焊接工藝方法，并增加對焊縫進行特種檢查的手段。
　　3.1.1 零件左端焊接采用特種焊接工藝——真空電子束來進行焊接，并按照《電子束焊接規范》（GJB-1718-93）的要求進行控制。真空電子束焊接對零件的熱影響區域范圍小，焊接后變形量小，不易產生氧化皮和焊接夾渣，焊縫強度高，采用這種方法可較好地滿足焊接質量要求。
　　3.1.2 對焊縫按照Ⅰ焊縫要求進行100％的X光射線檢查和100％磁粉探傷檢查，以進一步確認和控制焊縫的質量。
　　3.2 熱處理方法的選用和控制
　　 3.2.1 為了降低熱處理變形、氧化皮和脫碳層的影響程度，采用真空熱處理的方法。真空熱處理加油淬火對零件的熱處理變形影響最小，零件表面幾乎沒有氧化皮，脫碳層只有0.02mm，滿足零件熱處理要求。
　　 3.2.2 為了便于熱處理淬火介質充分進入腔體內部且便于熱處理淬火排氣，右端開了一個直徑為15mm的通氣孔，以充分保證熱處理的質量。
　　3.2.3 對焊縫按照Ⅰ焊縫要求進行100％的X光射線檢查和100％磁粉探傷檢查，以進一步確認和控制焊縫的質量。
　　3.3 熱處理前后工藝余量的分配
　　 熱處理前后工藝余量的分配有以下三鐘情況：
　　 3．3.1 熱處理前不給零件余量，則熱處理后的零件稍有變形就會影響零件的產品質量和性能；
　　 3.3.2 熱處理前給零件余量過大，則會增加熱處理后零件的數控加工難度，加快刀具的磨損，降低零件的加工精度；
　　 3.3.3 熱處理前給零件余量過少，雖然對熱處理后零件的加工有利，但也可能不能包容熱處理的變形量，影響零件的產品質量和性能。
　　 從以上三種情況余量分配綜合考慮，確定了熱處理前后工藝余量的分配：除該零件左端內孔外，其余內外面均留2mm余量在熱處理后再進行精加工，這種工藝余量較為合適，能夠滿足零件精度和質量的要求。
　　四 結 語
　　 伴隨軍事科技的飛速發展，新時期的四代、五代戰機通常都以高馬赫數和大特技飛行，這對飛機上關鍵件的質量穩定性要求更高，當前除了選用新材料代替傳統的碳鋼外，從經濟角度考慮，更多的是選用先進的加工方法和特種工藝，以提高零件的加工精度和穩定性，保證飛機在高強度下飛行的可靠性。