重型燃機燃燒室過渡段制造技術及應用

中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司（遼寧 110043）劉春偉 吳會萍 楊樹余

燃機燃燒室過渡段是引導燃氣流體轉接過渡零件，是將燃燒室火焰筒出口的圓形截面過渡為透平導葉前的扇形截面，通過改變截面形狀，使氣流通道截面積收斂到一定程度而達到渦輪進口截面要求的軸向流速，進行燃機燃燒室后部高溫燃氣整流，工作溫度約為900～1100 ℃。因此，過渡段零件設計上既要保證零件截面由圓形到扇形盡可能平滑過渡，降低阻流損失，還要保證零件型面截面積收斂速度適當，能夠改善出口流場均勻性。

從結構設計上看，燃燒室過渡段是由一組按固定角度排列的截面輪廓線被一條貫穿所有輪廓中心的順滑斜中心線串連成的異形筒體。零件是由圓形截面的進氣口和扇形方口截面的出氣口組成，中間由過渡截面按照各自固定的角度在斜中線上排列，最終形成一個完整的燃氣流通道。因形狀、結構復雜，型面變化劇烈，厚度變化大，難以保證剛度及熱強度，在高溫熱沖擊條件下易產生較大內應力，成為燃燒室結構中降低使用壽命的薄弱環節。而且，燃機功率不同，燃燒室尺寸亦不相同。這就導致過渡段零組件的加工工藝較為復雜，技術難度高，型別間差異也較大。

1.產品的結構特點

過渡段組件是形狀復雜焊接殼體的零件，結構如圖1所示，由4個主要零件和6個小零件焊接而成。這些零件有鈑金件、機加件及精密鑄件，零件材料有N263、FSX-414、L605及HAST X，焊接所需焊絲有B50A783和B21B111，在組合件上焊接的焊縫有13條，焊縫總長約3.2 m，每條焊縫都需分3層焊接。焊縫密度大、變形大，這就導致過渡段零組件的加工工藝較為復雜、技術難度高、型別間差異也較大。過渡段基體材料為N263，厚度為4.78 mm，形狀結構復雜、零件型面變化劇烈，型面的輪廓度為2.0 mm，沖壓成形困難，容易出現褶皺和減薄的現象。過渡段的外套材料為不銹鋼，零件型面復雜且型面上要求加工474孔，孔的位置度1.5 mm。由于零件型面復雜，且孔內不允許有重熔層，因此，孔加工方案確定及加工成為難點。

圖1 過渡段組合件UG模型

2.盒型沖壓拉伸技術的應用

采用“上下分型沖壓成形上下半部、再組合焊接”的總體工藝方案，工藝設計接近國際先進水平。圖2所示為過渡段的分型UG模型。通過對不同型別過渡段特性尺寸的分析研究，建立了沖壓成形模具結構選型預案，以毛料受力分析為基礎，預設3種結構方案：自由彎曲結構、帶壓邊彎曲結構和拉深結構。與產品分型特點相適應，設計出行程限位裝置、壓料限位塊等部件，突破了半部沖壓成形技術。

如果過渡段脊線的起伏較大，“波谷”進一步加深，即使采用帶壓邊的彎曲結構，也不能完全消除堆積褶皺。此時需采用盒形拉深校正結構，使毛坯在雙向拉應力作用下變形、流動，最后“鐓死”貼模。比較而言，此結構更容易控制毛料流動變形，可以獲得較理想的沖壓件，但因其結構特點和變形工藝的需要，毛料四周均需較大的工藝余量，材料利用率顯著降低。對過渡段而言，“拉深工藝”與“帶壓邊的彎曲校正工藝”在模具結構上無實質區別，差別僅在于毛料縱向尺寸的大小——毛料足夠長，沖壓后能夠在方、圓口兩側形成側壁便是“拉深”，否則就是“彎曲”。

圖2 過渡段上下分型UG模型

圖3所示是過渡段上半部的典型成形模具，其壓邊圈的結構采用的是曲面結構，與焊接結合線的形狀類似，此種結構可較好地解決成形過程中的毛坯“懸空”問題，因其分型面的形狀基本與過渡段的“脊線”一致，成形前，在減振力的作用下首先對坯料進行了預彎，這樣可實現縱向全型面同步進行變形，避免懸空區聚料現象。

3.空間型面檢測技術

過渡段半部成形后的零件為中空零件，且形狀復雜，無法經簡單測量進行評定。設計制造專用的測量支架（見圖4），以零件兩端內型面做間斷式線接觸支撐，消除因零件型面局部異形可能產生的偏差，同時以工藝孔做零件定位（成形時產生工藝窩，經加工后形成工藝孔）。以測量支架圓口支板上的定位銷及方口支板為基準，將定位銷軸線與零件型面的交點作為坐標原點，建立如圖4所示的坐標系。如此建立的三坐標測量用坐標系，與設計基準對應一致。

對零件21個截面進行逐一掃描。進行每個截面掃描前需按設計圖標定的截面位置、角度進行坐標轉換，即將三坐標掃描原點移至被測截面的幾何中心。三坐標測量機掃描獲得的點位坐標數據不能直接進行零件輪廓評定。需使用記事本、Excel、AutoCAD等應用軟件對測量數據進行轉換和執行數據采集，生成截面的掃描圖形，將其與相應的理論截面圖粘貼在一起進行尺寸比較、判定（見圖5）。圖5中白色線條為零件截面理論輪廓，綠色線條為數據轉換生成的實測截面形狀。

4.空間結合面的激光加工技術

過渡段焊接結合面為空間曲面，且零件為鈑金薄壁件。由于零件特殊的結構特點，因此加工中無法對零件進行壓緊。零件在成形過程中，由于“回彈”而造成零件兩側的型面與理論的型面有很大的差異，因此，在加工結合線過程中會造成加工工具與零件出現碰撞現象。在結合線加工過程中，由于零件自身的應力，加工后零件會出現不同程度的變形（每批有變化），因此，為了上下半部更好地配合到一起，加工中上下半部要同時加工，然后根據裝配情況，進行程序上的微調。綜上所述，采用五軸聯動激光設備加工結合面為最佳方案。

使用UG軟件，用point set功能在分型線上每3 mm生成一個點，根據弧長共產生256個點，將當前坐標系轉換成工作狀態的坐標系。圖6所示為激光編程用UG模型。通過object→type→point對每個點進行分析并生成文件，在word文件中編輯用于處理機器識別語言的宏程序，將其變成機器語言，編制出設備能識別的代碼。加工過程中通過激光設備五軸聯動實現空間型面切割。激光切割技術的開發應用極大地縮短了過渡段系列產品的開發研制進度，并使之得以迅速轉入大批量生產。

圖3 過渡段上半部盒型拉深、校正模具簡圖

圖4 三坐標測量支架及坐標系示意圖

圖5 掃描圖形與理論輪廓對比圖

5.空間曲線機械手焊接技術

按照圖樣要求，過渡段分型面的焊接要求采用鎢極氬氣保護焊，單面焊雙面成型。開始時我們采用手工氬弧焊，但工作效率低且零件焊透效果不好，焊縫寬度不均勻。通過引進德國Cloos公司Robert450機械手焊接系統，采用人工智能新技術，對焊接部位進行激光跟蹤，解決焊縫寬度均勻性及焊接合格率等問題，同時通過調整焊接參數，在提高生產效率的同時，還實現了單面焊雙面成型。目前已完全掌握了空間曲面機械手自動化焊接新技術，并已經有能力加工所有型別的過渡段和過渡段外套及襯套組件，以及部分型別火焰筒及其外套等產品。

6.安裝邊整體鍛件加工技術

該技術產生的自由鍛成形方法是一種優化的鍛造方法，能夠在普通鍛壓設備上立式成形，填補了鍛造行業的空白。利用此技術制造的整體鍛件，其金屬流線處于理想的連續且均勻分布狀態，零件的組織性較好，所實現的鍛件周廓均勻分布的完整流線是其他工藝方法不可比擬的。

安裝邊整體鍛件自由鍛成形工藝流程為：棒料→鐓粗、沖孔→擴孔→單邊拔長→扣角→整形→校型→預鍛→終鍛→去除毛邊、校正。

此技術與同類產品制造技術相比，在提高產品質量、節約原材料及減少加工費用等方面都有大幅度改善，其產品與原始產品相比，能夠節約原材料40%～60%，成本價降低50%以上。此項技術成果已獲得國家專利。

7.安裝邊斜孔電火花加工技術

電火花高速小孔加工除了要遵循電火花加工的基本機理外，還有別于一般的電火花加工方法，其主要特點是：①采用中空的管狀電極。②管狀電極中通有高壓工作液，以強制沖走加工蝕除產物。③加工過程中電極要作回轉運動，可以使管狀電極的端面損耗均勻，不致受到電火花的反作用力而產生振動傾斜。由于高壓工作液能夠迅速強制將放電蝕除產物排出，因此，這種電火花加工的特點就是加工速度很高，一般電火花小孔的加工速度可以達到30～60 mm/min，比機械加工鉆小孔的速度要快。電火花高速小孔加工最適合加工直徑為0.3～3 mm左右的小孔，而且理論上深徑比可以超過200∶1。

通過研究電火花加工特性，結合安裝邊斜孔結構特點（見圖7），經試驗、反復摸索加工參數，建立了一整套適應各型別安裝邊斜孔加工的數據庫，如電極制造公差、導向器導向孔徑的磨損量、冷卻液電導率、內冷卻水的壓力及電加工參數等，解決了小徑斜孔加工技術難題。

8.高壓水切割氣膜孔技術

水切割又稱水刀、磨料水射流，是最近20年發展起來的加工技術，它可加工的材料范圍十分廣泛，能切割各種硬質合金、金屬、硅酸鹽玻璃、陶瓷和大理石等材料。水切割的加工原理是：磨料與高壓水（水的壓力為380 MPa）首先進行混合，形成高速水射流，以極高的速度經聚焦管噴出，以一定的沖蝕動能沖擊工件表面，由此引起材料局部表面形成高度應力集中，產生沖蝕、剪切作用，直至材料失效而被去除。

圖6 編制激光切割程序用UG模型

圖7 安裝邊斜孔示意圖

燃燒室過渡段各型別過渡段外罩型面上有478～574個孔不等，從方口到圓口孔徑從φ（5.22±0.10）～φ（12.70±0.12）mm不等，所有孔位置度均為φ1.52 mm，表面粗糙度值為Ra=3.2 μm。如果采用機械加工方法加工，由于零件型面復雜、輪廓度較大，易造成零件與刀具碰撞而損傷設備，且加工時間較長，機加工留下毛刺也很難去除。如采用特種加工方法加工，會造成零件帶有重熔層，這也是設計不能允許的。高壓水切割加工切削力小，且與激光切割設備相比，它屬于冷加工范疇，在加工過程中產生很少的熱量，不會影響加工區金屬的金相組織（即加工后沒有重熔層），加工表面沒有毛刺，表面粗糙度值可以達到Ra=3.2 μm，加工效率是機械加工效率的10倍。加工時使用的軟件為Surface Cam專用軟件，通過設備的五軸聯動實現零件的加工。圖8所示為其加工軌跡模擬示意圖。

圖8 水切割加工軌跡模擬示意圖

9.結語

通過重型燃機過渡段的研制生產，建立了一套燃燒室過渡段加工工藝流程，掌握了過渡段加工的各項先進技術，解決了重型燃機燃燒室過渡段加工的國產化問題，并實現了工程化應用。

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專家點評

文中所述重型燃機燃燒室過渡段為大型異形筒件，形狀結構復雜，制造難度較大，在加工過程中使用了復雜型面沖壓拉伸成形、空間曲面檢測、激光切割、機械手空間曲線焊接、整體鍛件加工、斜孔電火花加工以及高壓水切割等多項加工技術，形成了一套完整的異形筒體加工制造方案，解決了大型異形筒體的加工難題，并積累了豐富的經驗，為其他類似零件的研制生產奠定了基礎。