航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管彎頭增減結(jié)合制造技術(shù)研究

許愛軍

(長(zhǎng)沙五七一二飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)因其工作環(huán)境惡劣、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度高,被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上璀璨的明珠”。若將航空發(fā)動(dòng)機(jī)比作人的心臟,那發(fā)動(dòng)機(jī)管路則是連通各個(gè)“器官”的“血管”,用于輸送“血液”“氧氣”等重要物質(zhì)的通道,對(duì)整體的運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。導(dǎo)管零件作為發(fā)動(dòng)機(jī)管路的主體,其加工質(zhì)量要求通常非常嚴(yán)苛,需重點(diǎn)關(guān)注其加工過程[1-2]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路導(dǎo)管零件,由于其厚徑比較小,在彎曲成形時(shí)易產(chǎn)生彎管截面畸變、壁厚減薄等質(zhì)量缺陷,加工難度較大。另外,航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管的裝配密度很高,故對(duì)其整體管形精度要求非常高。傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上外部管路系統(tǒng)均采用不銹鋼材料,加工技術(shù)較為成熟,但重量較大。鈦合金作為一種先進(jìn)的耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)高強(qiáng)高性能結(jié)構(gòu)材料,在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。用鈦管代替不銹鋼管,可使管路系統(tǒng)減重50%。美、俄等國家已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用鈦合金外部管路,但其技術(shù)細(xì)節(jié)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一直對(duì)外封鎖[3-4]。國內(nèi)使用鈦合金導(dǎo)管零件起步較晚,且由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)在管路敷設(shè)空間及管路使用環(huán)境等方面較為嚴(yán)苛,所以鈦合金外部管路零件應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用仍需要突破結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造等一系列技術(shù)難題。

本文針對(duì)典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部導(dǎo)管彎頭零件,基于金屬3D打印增材制造技術(shù)、數(shù)控切削加工技術(shù),提出了增減結(jié)合的制造技術(shù)方案,應(yīng)用于某型軍用無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)鈦合金(TC4)導(dǎo)管彎頭零件制造過程,并通過實(shí)踐運(yùn)用驗(yàn)證了方案的可行性,為航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件輕量化設(shè)計(jì)與制造提供了新的思路。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管類零件加工技術(shù)現(xiàn)狀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路數(shù)量多,空間布局復(fù)雜,零件種類繁多,形狀大小各異,管路的敷設(shè)既要保證不超過發(fā)動(dòng)機(jī)外部輪廓,又要在發(fā)動(dòng)機(jī)自身附件和夾縫中穿行并保證足夠的間隙,因此管路零件彎曲數(shù)量多,轉(zhuǎn)彎半徑小,尺寸精度要求高,進(jìn)而導(dǎo)致其制造難度大,制造周期長(zhǎng)。圖1a所示為國外某軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路局部形貌,圖1b所示為導(dǎo)管及導(dǎo)管接頭實(shí)物,由此可以看出管路敷設(shè)的密集和復(fù)雜程度。

以往的航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管類零件多采用不銹鋼制造,因其具有良好的塑性加工性能和焊接性能,管材彎曲方式包括壓彎、拉彎、繞彎、推彎和滾彎等[5]。20世紀(jì)末,隨著CAD/CAM一體化制造技術(shù)的日趨成熟,國外先進(jìn)航空制造企業(yè)開始基于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái),結(jié)合虛擬裝配和數(shù)控彎管技術(shù),實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝高渦輪前溫度、高推重比、長(zhǎng)壽命和低油耗方向發(fā)展,鈦合金憑借其低密度、高比強(qiáng)度、高蠕變抗力等優(yōu)點(diǎn)在導(dǎo)管制造上開始取代不銹鋼。但鈦合金的延展性和塑性大大低于不銹鋼,給小彎曲半徑的管路零件制造帶來了困難。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金導(dǎo)管彎頭增減結(jié)合制造方案

2.1 鈦合金導(dǎo)管彎頭零件制造難點(diǎn)

某型無人機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管彎頭零件如圖2所示,其工作溫度接近500 ℃,采用Ti6Al4V(TC4)材質(zhì)制造,主要存在如下加工難點(diǎn):1)導(dǎo)管彎頭大端外徑從φ13.1 mm到φ14.4 mm呈喇叭形狀,外形直徑沿彎曲方向逐漸變化,給加工帶來了困難;2)管彎頭尺寸小,壁薄,零件最薄處僅為0.3 mm,并且有90°的圓弧彎曲,彎制過程中易出現(xiàn)起皺和裂紋;3)導(dǎo)管彎頭管嘴和內(nèi)孔倒角需車削加工,但該零件的形狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致裝夾困難,尺寸和形狀精度難以保證;4)鈦合金加工難度大,相對(duì)于已經(jīng)廣泛應(yīng)用的不銹鋼管材,鈦合金管材雖然具有比強(qiáng)度高、重量輕的特點(diǎn),但其延展率遠(yuǎn)低于不銹鋼,塑性較差,無論是彎曲成形還是機(jī)械切削加工都比較困難。

圖2 鈦合金導(dǎo)管彎頭零件

已有研究表明,現(xiàn)有實(shí)際采購的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的TA16和TA18管材可以實(shí)現(xiàn)彎曲半徑R=2D-3D、彎曲角度≤90°的彎曲。該導(dǎo)管彎頭零件已經(jīng)處于理論彎曲極限尺寸。在試制中采用了加熱彎管的毛坯制備工藝,但由于導(dǎo)管彎頭彎曲角度大,彎曲半徑過小,壁厚薄,容易出現(xiàn)起皺和裂紋,造成零件報(bào)廢率高。鈦合金導(dǎo)管彎曲缺陷如圖3所示。

c) 彎曲缺陷——起皺

選用鈦合金自由鍛造毛坯,利用比較成熟的數(shù)控加工技術(shù)把多余材料加工去除的減材加工工藝。在試制過程中,采用五軸數(shù)控機(jī)床加工。由于導(dǎo)管彎頭內(nèi)孔孔徑小而深,加工中排屑不暢,造成專用銑刀磨損快,拋光難度大,加工周期長(zhǎng),成本高,質(zhì)量不穩(wěn)定。鈦合金導(dǎo)管彎頭的切削加工如圖4所示。

a) 導(dǎo)管彎頭在數(shù)控機(jī)床加工時(shí)裝夾狀態(tài)

b) 導(dǎo)管彎頭去掉裝夾工藝頭狀態(tài)

2.2 3D打印制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)是快速成形技術(shù)的一種,又稱為“增材制造”(Additive Manufacturing, AM)[6]。該技術(shù)帶來了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性,促使設(shè)計(jì)師可以不受傳統(tǒng)工藝因素制約,提出性能優(yōu)異的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,通過增材制造方式可以實(shí)現(xiàn)一次成形,并且可以進(jìn)行薄壁、深腔或隱藏通道這些傳統(tǒng)方式難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì),解放了傳統(tǒng)制造模式對(duì)設(shè)計(jì)思維的約束[7]。

該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、海洋船舶、模具、汽車、石油、化工、工藝禮品等各個(gè)領(lǐng)域[8]。其基本原理是通過CATIA等三維軟件構(gòu)建起零件的三維實(shí)體模型,然后沿某一坐標(biāo)軸方向以一定厚度對(duì)零件的三維實(shí)體模型進(jìn)行分層切片處理,也就是離散為二維圖形,并對(duì)該圖形規(guī)劃激光掃描路徑。在激光打印區(qū)均勻平鋪一層金屬粉末,隨后計(jì)算機(jī)根據(jù)激光掃描路徑控制激光束照射打印區(qū)域的金屬粉末,從而燒結(jié)成型得到當(dāng)前二維截面圖形實(shí)體。然后打印區(qū)下降一個(gè)層厚,重復(fù)上述激光燒結(jié)過程,逐漸堆積得到金屬零件產(chǎn)品,具體制造過程如圖5所示。

圖5 金屬3D打印制造流程圖

目前3D打印技術(shù)還未大面積應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域,尚處于研究和推廣階段,但3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)制造的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出來,主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

1)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異型零件的制造。如該導(dǎo)管彎頭大端呈喇叭形狀,且彎曲角度大,彎曲半徑小,采用傳統(tǒng)加工技術(shù)很難加工,3D打印技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工制造技術(shù)的不足。但是,現(xiàn)有3D打印精度通常為±0.1 mm,顯然,直接采用3D打印成型零件,無法滿足導(dǎo)管彎頭尺寸精度要求。

2)縮短制造周期。3D打印是一種基于數(shù)字化的制造手段,可以與現(xiàn)代航空制造技術(shù)相契合,大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造時(shí)間,提高加工精度與質(zhì)量。

3)減輕零件重量。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言,推重比是重要的性能參數(shù),故應(yīng)盡可能減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)重量。由于3D打印無需裝配,可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)零件形狀,去除多余材料,達(dá)到減輕重量的目的。

4)節(jié)約材料,降低成本。3D打印技術(shù)提高了材料的利用率,無需像傳統(tǒng)切削加工一樣去除大量材料,用在鈦合金、鎳基高溫合金等貴重金屬制造領(lǐng)域可以節(jié)約成本。

2.3 導(dǎo)管彎頭增減結(jié)合制造工藝方案

2.3.1 導(dǎo)管彎頭工藝過程設(shè)計(jì)

導(dǎo)管彎頭在前期試制過程中,采用高溫加熱后數(shù)控彎管工藝制備毛坯,良品率較低。因此,對(duì)導(dǎo)管彎頭工藝進(jìn)行了優(yōu)化,發(fā)揮3D打印和數(shù)控車削各自優(yōu)勢(shì),形成了增減結(jié)合制造工藝方案,即采用3D打印毛坯→車削加工→熱處理→表面拋光的工藝路線(見圖6),不僅解決了上述毛坯制備的工藝問題,而且解決了外形直徑漸變難以加工的技術(shù)難點(diǎn)。3D打印和數(shù)控車削應(yīng)注意銜接,如在3D打印毛坯設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)了工藝頭圓柱用于車削裝夾定位,以方便后續(xù)管嘴及內(nèi)孔倒角的數(shù)控車削加工。

圖6 導(dǎo)管彎頭工藝過程設(shè)計(jì)

2.3.2 導(dǎo)管彎頭毛坯的3D打印

導(dǎo)管彎頭毛坯采用FS Ti6Al4V鈦合金金屬粉末打印,采用了激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Sintering)技術(shù),打印檢驗(yàn)樣本10件,檢測(cè)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38973—2020《增材制造制粉用鈦及鈦合金棒材》,打印產(chǎn)品力學(xué)性能見表1。

表1 力學(xué)性能

SLS打印機(jī)首先在燒結(jié)平臺(tái)上由激光將物料燒結(jié)成第1層,激光源產(chǎn)生的高能量熱能使粉末材料融合;然后再加入第2層的物料,激光照射將第2層材料和第1層完全融合,經(jīng)過不斷重復(fù)激光和物料的層層疊加,最終獲得所需要的三維物體。在制造加工前,根據(jù)該零件數(shù)字模型設(shè)計(jì)了打印毛坯和支撐結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了多次工藝試驗(yàn),對(duì)各項(xiàng)打印參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,最終優(yōu)選打印參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)選打印參數(shù)

3D打印數(shù)字模型和實(shí)際打印的毛坯產(chǎn)品如圖7所示,檢驗(yàn)結(jié)果表明,該毛坯力學(xué)性能、形狀尺寸等完全符合設(shè)計(jì)要求。

a) 導(dǎo)管彎頭數(shù)據(jù)模型

b) 導(dǎo)管彎頭支撐設(shè)計(jì)

c) 導(dǎo)管彎頭毛坯3D打印實(shí)物

2.3.3 導(dǎo)管彎頭車削的工裝設(shè)計(jì)與實(shí)施

鈦合金強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差且化學(xué)親和力大,給切削加工帶來了較大困難,屬于典型的難切削加工材料[9-10]。導(dǎo)管彎頭管壁薄,徑向車削力大,形狀導(dǎo)致裝夾困難,在實(shí)際車削時(shí)零件振動(dòng)明顯,尺寸和形狀精度難以保證,且管嘴和大端內(nèi)孔都需要車削,若經(jīng)過多次裝夾加工,勢(shì)必造成定位誤差積累。因此,在零件毛坯上增加了2個(gè)工藝圓柱,用于車削中心定位,并設(shè)計(jì)車床上加工專用夾具(見圖8)。該夾具設(shè)計(jì)了2個(gè)形狀和位置精度較高的夾持圓柱,內(nèi)部的中心圓柱孔和U形窄槽用來定位工件的2個(gè)工藝圓柱,并用壓板壓緊。壓板中間用鎖緊螺釘將導(dǎo)管彎頭向另一垂直方向壓緊,以減小管嘴車削時(shí)的振動(dòng)。加工完畢,去除工藝頭,車削、拋光。導(dǎo)管彎頭零件成品如圖9所示,經(jīng)檢測(cè)完全符合質(zhì)量要求,證明了該夾具的可靠性。

a) 管嘴加工

b) 大端內(nèi)孔加工

圖9 導(dǎo)管彎頭零件成品

2.4 導(dǎo)管彎頭零件的試制驗(yàn)證

2.4.1 試制過程

采用2種常用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管零件加工方案和增減結(jié)合新技術(shù)方案,對(duì)導(dǎo)管彎頭零件進(jìn)行了試制對(duì)比(見圖10)。第1種是對(duì)鈦合金進(jìn)行彎管機(jī)加工毛坯,然后對(duì)毛坯進(jìn)行車削加工,彎管毛坯如圖10a所示;第2種是用整塊鈦合金毛坯,直接在機(jī)床上進(jìn)行機(jī)械切削加工,為保證零件形狀和尺寸精度,需要在五軸加工中心上完成,提高了制造成本(見圖10b);第3種就是增減結(jié)合加工,毛坯和成品如圖10c所示。

a) 彎管加工

b) 機(jī)械切削加工

c) 增減結(jié)合加工

試制結(jié)束后,對(duì)不同方法制造的零件進(jìn)行了形狀尺寸精密測(cè)量和無損檢測(cè),得出如下結(jié)論。

1)通過彎管機(jī)彎管加工的毛坯容易起皺和開裂,良品率極低,制造10件,合格率為0。經(jīng)過加熱后彎管成功制備了零件毛坯,但成本過高,該方案被放棄。

2)經(jīng)過三坐標(biāo)精密測(cè)量,機(jī)械切削加工成品存在加工變形,在幾何精度和尺寸精度上都要低于增減結(jié)合加工成品,尤其是內(nèi)孔加工難度大,拋光余量大,表面質(zhì)量較差,機(jī)械切削加工制造10件,合格率為90%。

3)經(jīng)X射線檢驗(yàn),機(jī)械切削加工成品與增減結(jié)合加工成品未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋和缺陷。

2.4.2 不同加工方案對(duì)比分析

不同加工方案對(duì)比見表3,通過3種加工方案的對(duì)比不難看出,基于數(shù)字化制造的鈦合金導(dǎo)管彎頭零件增減結(jié)合加工技術(shù)方案,在保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短制造周期等各個(gè)方面都展現(xiàn)了極好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。可以預(yù)見,在飛行器高性能、高可靠性、長(zhǎng)壽命和低成本需求日益增長(zhǎng)的背景下,金屬增材制造技術(shù)將成為復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]。

表3 不同加工方案對(duì)比

3 結(jié)語

增材制造技術(shù)將材料科學(xué)、機(jī)械加工和智能技術(shù)集合為一體,是現(xiàn)代制造業(yè)的一個(gè)重要變革[12],真正意義上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化加工。航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域廣泛使用的材料如鈦合金、鉻合金、鎳基合金等均適用于增材制造技術(shù),增材制造技術(shù)在航空產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用,將為航空產(chǎn)品的科研生產(chǎn)提供一種新思路[13]。

本文針對(duì)鈦合金導(dǎo)管彎頭零件制造難點(diǎn),提出了增減結(jié)合的制造方法和工藝流程,在毛坯制備環(huán)節(jié),運(yùn)用數(shù)字化3D增材制造技術(shù),解決了復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)成形難題,提高了材料的利用率,節(jié)約了成本;在工作部位精加工環(huán)節(jié),運(yùn)用數(shù)控切削(減材)加工技術(shù)及專用夾具,提高了零件加工精度和效率。該方案目前已成功應(yīng)用于某型軍用無人機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī),通過實(shí)踐驗(yàn)證了該技術(shù)方案的先進(jìn)性。