一種大截面比三角形截面薄壁扭曲管的成形方法與流程

本發明屬于航空發動機制造領域，涉及鈑金成形方法，具體涉及一種大截面比三角形截面薄壁扭曲管的成形方法。

背景技術：

新型航空發動機高壓渦輪導向器內冷氣導管材料為鎳基高溫合金，參見圖1，壁厚為0.2mm，導管長度約為67mm，其形狀沿長度方向存在彎曲和扭轉。其橫截面呈近似三角形，三角形截面最小銳角僅為24°，最小轉接圓弧半徑僅為1.1mm。其橫截面尺寸變化較大，最大截面邊長約為30×23×14mm，周長66mm，最小截面邊長約為16×13×9mm，周長37.5mm，最大、最小截面周長之比為1.76。

由于該導管尺寸小，橫截面尺寸變化大，并帶彎曲和扭轉，成形非常困難。對于變截面的細小管件，一般采用圓管進行內高壓脹大成形。由于該導管最大、最小截面尺寸差異大，若按最小截面尺寸確定圓管直徑，最大截面處會因脹量太大而破裂。

為了減小最大截面處的脹量，選用比最大截面尺寸小、而比最小截面尺寸大的一個比較適中圓管，脹形前就需要對管坯進行縮徑加工，使管坯截面周長均小于零件對應截面周長。但是，由于管壁太薄，而最小截面尺寸也太小，縮徑量很大，縮徑時容易產生失穩起皺或破裂，難于獲得變截面的圓形管坯。

如果采用其它結構的預制坯，都應該通過預成形使預制坯形狀接近零件形狀，因為預制坯的圓角半徑與零件要求的圓角半徑差別較大時，就很難通過脹大達到零件要求的圓角半徑。在脹大時，較小的內壓力就會使圓角兩個邊貼模，一旦貼模就會形成接觸摩擦，接觸摩擦將阻礙材料向角部流動。按一般認識，內壓越大，圓角半徑應該越小，但是根據有關資料的研究結果，摩擦作用將產生極限圓角半徑，當內壓增大到一定值時，圓角半徑將不再減小。如果內壓繼續增大，零件就會在圓角過渡處破裂。那么，采用何種形狀的預制坯、預制坯圓角半徑多大、以及如何獲得需要形狀尺寸的預制坯是能否獲得合格零件的關鍵，也是該零件制造的最大難點。

技術實現要素：

為了解決現有技術中的問題，本發明提出一種大截面比三角形截面薄壁扭曲管的成形方法，解決了小銳角三角形截面因極限圓角制約而導致的圓角成形不到位問題，解決了截面變化率大而導致的截面脹量差異大、成形破裂的難題，成形出合格零件，并提高了生產效率。

為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案為：包括以下步驟：

1)對板料折彎后沿縱向切割焊縫，并縱向焊接得到三棱錐管，所述三棱錐管的橫截面圓角半徑小于等于成品零件對應橫截面的圓角半徑，三棱錐管的焊縫在焊接面的中分線上，采用直焊縫，三棱錐管的大端頭增加脹大時用的工藝壓邊段和焊接引弧段，在小端頭增加形狀過渡段和焊接收弧段；

2)采用預成形模將三棱錐管鍛壓成與成品零件形狀接近的預成形件，預成形件產生彎曲和扭轉，并使三棱錐管的大端口部擴成錐形；

3)對預成形件退火后進行脹大成形，脹大成形模采用陰模和陽模，陽模與預成形件性狀相同，且脹大成形前將陽模深入預成形件的管腔內，脹大成形后開模切除兩端工藝段，即得到成品零件。

所述步驟1)中板料的形狀為共斜邊的兩個梯形拼接，且兩個梯形沿共斜邊對稱，該共斜邊為板料的中折彎線。

所述步驟1)中板料的兩端梯形上分別設有彎折線，彎折線向外分別設焊縫切割線，焊縫切割線分別向外增加切割焊縫的切割余量。

所述步驟1)中對板料切割焊縫采用線切割。

所述步驟2)中預成形模的上、下模合模后，采用水平的擴口型塊頂入三棱錐管的大端型孔內，將大端口部擴成錐形。

所述步驟2)中預成形前在三棱錐管內灌注石蠟。

所述步驟3)中脹大成形時在預成形件的大端口部加裝內壓邊圈。

所述步驟3)中陽模采用聚氨酯軟陽模。

所述步驟3)中陰模采用左右對開分瓣式。

所述步驟3)中脹大成形模由大于100噸的單軸四柱液壓機驅動。

與現有技術相比，本發明將薄板板料預制成三棱錐管進行內壓脹大成形，預制件結構簡單，容易制造，使預制件三角形截面的轉接圓弧半徑按成品零件對應轉角的最小圓弧半徑設計，減小了脹大成形時的極限圓角限制，保證了零件的形狀要求，同時按對應截面周長近似相等原則，對預制件截面三角形的邊長進行優化設計，減小了脹量，降低了破裂風險。本發明解決了新型航空發動機制造方面的一個技術難題，保證了新型航空發動機的研制要求，對國防建設具有重大的現實意義，本發明使冷氣導管的成形合格率大幅提高，而單臺發動機所需的冷氣導管數量大，所用高溫合金材料價格高，合格率的提高能夠大幅降低生產成本，用于批產能夠產生很大的經濟效益。

進一步，本發明采用向三棱錐管內灌注石蠟的方法進行預成形，防止了管壁起皺，采用鍛壓的方法將三棱錐管壓彎到接近零件形狀，使之能夠順利裝入脹大成形模里脹形。

進一步，預成形時將零件大端口部擴成錐形，脹大成形時在大端口部加裝內壓邊圈，解決了陽模對大端口部的擠壓損傷問題。

進一步，采用聚氨酯軟陽模成形，避免了液體介質內高壓成形復雜的密封要求，工藝簡單，成形效率高。

附圖說明

圖1為成品零件的結構示意圖；

圖2為板料的下料圖，a為中折彎線，b為右折彎線，c為右焊縫切割線，d為左焊縫切割線，e為左折彎線；

圖3為板料沖壓V形的示意圖；

圖4為板料兩邊折彎的示意圖；

圖5為板料線切割和焊接縱縫的示意圖；

圖6為預成形示意圖；

圖7為脹大成形示意圖；

圖8為抽取零件截面曲線圖；

圖9為扭轉后的零件截面曲線圖；

圖10為抽取三棱錐管截面曲線圖；

圖11a為預成形模的正面剖視圖，圖11b為預成形模的俯視圖，1為預成形模底座，2為預成形模頂桿，3為頂桿座，4為擴口型塊，5為預成形模上模板，6為上模，7為下模，8為預成形模模框，9為型塊導軌；

圖12a為脹大成形模的正面剖視圖，圖12b為脹大成形模的俯視圖，10為脹大成形模底座，11為脹大成形模模框，12為右半陰模，13為壓邊圈，14為壓頭，15為壓簧框，16為脹大成形模上模板，17為壓簧，18為左半陰模，19為頂板，20為脹大成形模頂桿，21為導柱。

具體實施方式

下面結合具體的實施例和說明書附圖對本發明作進一步的解釋說明。

本發明包括以下步驟：

1)對板料折彎后沿縱向線切割焊縫，并縱向焊接得到三棱錐管，板料的形狀為共斜邊的兩個梯形拼接，且兩個梯形沿共斜邊對稱，該共斜邊為板料的中折彎線a，板料的兩端梯形上分別設有左彎折線e和右彎折線b，彎折線向外分別設左焊縫切割線d和右焊縫切割線c，焊縫切割線分別向外增加切割焊縫的切割余量；三棱錐管的橫截面圓角半徑小于等于成品零件對應橫截面的圓角半徑，三棱錐管的焊縫在焊接面的中分線上，采用直焊縫，三棱錐管的大端頭增加脹大時用的工藝壓邊段和焊接引弧段，在小端頭增加形狀過渡段和焊接收弧段；

2)預成形前在三棱錐管內灌注石蠟，采用預成形模將三棱錐管鍛壓成與成品零件形狀接近的預成形件，預成形件產生彎曲和扭轉，預成形模的上、下模合模后，采用水平的擴口型塊頂入三棱錐管的大端型孔內，使三棱錐管的大端口部擴成錐形；

3)對預成形件退火后進行脹大成形，脹大成形采用左右對開分瓣的陰模和聚氨酯軟陽模，脹大成形模由大于100噸的單軸四柱液壓機驅動，聚氨酯軟陽模與預成形件性狀相同，且脹大成形前將聚氨酯軟陽模深入預成形件的管腔內，脹大成形時在預成形件的大端口部加裝內壓邊圈，脹大成形后開模并抽出聚氨酯軟陽模，切除兩端工藝段，即得到成品零件。

本發明具體包括以下步驟：帶材→沖切下料(見圖2)→沖壓V型(見圖3)→兩邊折彎(見圖4)→線切割縱縫(見圖5)→焊接縱縫(見圖5)→灌石蠟→預成形(見圖6)→除石蠟→退火→脹大成形(見圖7)→切除兩端工藝段得到成品(見圖1)。

本發明具體包括以下方面：

1、預制管坯設計：

預制三棱錐管采用板料折彎后進行縱向焊接獲得，三棱錐管的脹量應盡可能小，橫截面圓角半徑應小于等于零件對應截面圓角半徑。

(1)確定焊接面和焊縫位置：

參見圖2，焊接面選擇在比較平直的、成形時變形小的表面上，焊縫選定在焊接面的中分線上，采用直焊縫。

(2)抽取截面曲線：

參見圖8，沿縱向一定間距抽取橫截面曲線，必須包含最大截面和最小截面，截面變化劇烈和扭曲大的部位可加密抽取。

(3)縱向拉直：

做出一條與基準端面垂直的直線作為焊縫線，以橫截面焊接邊的邊線和中點為對正基準，將各橫截面在其自身平面內平移并串接到焊縫線上。

(4)截面扭轉：

按照對應橫截面周長近似相等的原則，對每個截面三角形進行優化設計，具體方法是：將原橫截面近似三角形的三個邊拉直，適當調整與焊接邊相鄰的兩個邊的邊長，使所有截面三角形焊接邊的對頂角處于同一直線上，三個角的轉接圓弧半徑分別按所在棱邊上各截面的最小圓弧半徑選取，然后按優化后的截面三角形構造近三棱錐三維曲面，扭轉后的扭轉后的零件截面曲線參見圖9。

(5)抽取最大直三棱錐：

選取兩個典型的截面三角形構造三棱錐，使三棱錐的體積最大，并能完全被近三棱錐所包容，這樣得到的三棱錐與零件對應截面周長最接近，也就是每個截面脹大量最小，抽取三棱錐管截面曲線參見圖10。

(6)增加工藝段：

根據工藝需要，對三棱錐管兩端頭進行適當加長，即在大端頭增加脹大時用的工藝壓邊段和焊接引弧段，在小端頭增加形狀過渡段和焊接收弧段。

2、下料尺寸確定

將優化設計的三棱錐管預制件以焊縫為分界線進行展開，然后在焊縫兩邊增加適當的搭接量，留作線切割焊縫的切割余量，成形后線切割焊縫可使焊縫平直，對接間隙小，有利于保證焊接質量，下料尺寸參見圖2。

3、關鍵工序實施

預成形：

采用預成形模將三棱錐管鍛壓成與零件形狀接近的預成形件，預成形后，零件發生彎曲和扭轉，能夠放入精成形模具中以便脹大，預成形前在管中灌注石蠟，預成形時管中產生內壓，防止管壁起皺。上、下模合模后，采用水平的擴口型塊4頂入三棱錐管大端型孔內，將大端口部擴成錐形，供脹大成形時壓邊之用。預成形模的結構如圖11a和11b所示，包括預成形模底座1，預成形模底座1的一端設置有頂桿座3，頂桿座3上設置有水平向的預成形模頂桿2，預成形模頂桿2連接擴口型塊4，擴口型塊4位于型塊導軌9上，預成形模底座1的另一端自上而下依次設置有預成形模上模板5、上模6和下模7，預成形模上模板5、上模6和下模7均設置在預成形模模框8內。

脹大成形：

使用大于100噸的單軸四柱液壓機，機床必須帶下頂桿，采用左右對開分瓣的陰模，方便零件裝卸，采用聚氨酯軟陽模成形，將軟陽模做成預成形件的形狀，大端留出20mm左右的補縮和抽模長度，成形前將軟陽模插入零件管腔里，成形后抽出軟陽模。脹大成形模的結構如圖12a和12b所示，包括脹大成形模底座10，脹大成形模底座10上設有脹大成形模模框11和導柱21，脹大成形模模框11內設置有右半陰模12和左半陰模18，右半陰模12和左半陰模18底部依次設置頂板19和脹大成形模頂桿20，右半陰模12和左半陰模18上端設置壓邊圈13，壓邊圈13上端設置有壓簧17和壓頭14，壓簧17和壓頭14上設置壓簧框15和脹大成形模上模板16。

本發明將薄板板料預制成三棱錐管進行內壓脹大成形，預制件結構簡單，容易制造，使預制件三角形截面的轉接圓弧半徑按零件對應轉角的最小圓弧半徑設計，減小了脹大成形時的極限圓角限制，保證了零件的形狀要求。同時，按對應截面周長近似相等原則，對預制件截面三角形的邊長進行優化設計，減小了脹量，降低了破裂風險，采用向管內灌注石蠟的方法進行預成形，防止了管壁起皺。采用鍛壓的方法將預制件壓彎到接近零件形狀，使之能夠順利裝入脹大模里脹形。預成形時將零件大端口部擴成錐形，脹大成形時在大端口部加裝內壓邊圈，解決了軟陽模對大端口部的擠壓損傷問題，采用聚氨酯軟陽模成形，避免了液體介質內高壓成形復雜的密封要求，工藝簡單，成形效率高。

由于新型航空發動機渦輪導向葉片是空心葉片，其內部的冷氣導管尺寸小、形狀復雜、成形難度大，成形方法不當很容易產生破裂，無法成形出合格零件。本發明針對這種情況，提出了一種制造三角形截面、大截面比冷氣導管的工藝方法，解決了新型航空發動機制造方面的一個技術難題，保證了新型航空發動機的研制要求，對國防建設具有重大的現實意義。使冷氣導管的成形合格率大幅提高，而單臺發動機所需的冷氣導管數量大，所用高溫合金材料價格高，合格率的提高能夠大幅降低生產成本，用于批產能夠產生很大的經濟效益。