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不锈钢导气锥成形工艺研究 |
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作者：北京航空工艺研究所 尚建勤 |
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摘要：对某型发动机的重要零件不锈钢流线型面导气锥成形工艺进行了研究。介绍了有关成形工艺和模具结构。结果表明：采用在同一凹模上三次拉延和一次翻边之后再经焊接的方法是成形导气锥的有效方法，依此可以获得尺寸精度高、质量稳定可靠和重量轻的不锈钢流线型面导气锥。该方法对成形类似复杂零件具有参考价值。
关键词：不锈钢；流线型面；导气锥；成形工艺；焊接
一、前言
导气锥是某型发动机的重要零件。原导气锥(见图1)由一半球头冲压件与一直管件焊接而成，工艺简单，加工方便，但是，工作型面存在突变，致使通过气体的流场损失大，严重影响发动机的使用性能。解决这一问题的根本途径是，采用具有符合气体流动规律的流线型面导气锥(见图2)，然而，工艺复杂，制造困难。在专项工艺研究的基础上，终于研制成功流线型面导气锥，它不但完全满足设计和使用要求，而且，重量降低0.5kg以上。目前，该项技术已通过部级科技成果鉴定，并已被应用于实际生产，取得了良好的技术经济和社会效益。 
图1原导气锥结构图
图2流线型面导气锥结构图
二、结构和工艺特点
导气锥类似于直角弯头，大小端口内径之比约为3.5，两个端口附近柱面以外的部分，以符合气体流动规律的流线型面光顺过渡而成。零件图纸还规定了过渡型面的形状、尺寸及公差(具体要求省略)，结构不对称。端口内径的尺寸及公差分别为φ221±0.5和φ63±0.2，尺寸精度要求较高。零件材质为1Cr18Ni9Ti，厚度为2mm，壁厚不允许小于1.5mm，要求经受气密和耐压检验。
显然，直接成形这样一种型面复杂、结构不对称、尺寸精度要求高和有最小壁厚限制的整体导气锥是十分困难的，即使不考虑零件材料的流动和变薄极限，也将面临材料的严重起皱和破裂等非常棘手的问题。因此，导气锥的工艺问题首先是，在方便成形和后续加工并确保流线型面的前提下。如何将其一分为二，分别成形和加工，其次是如何消除和改善其在成形过程中的起皱、变薄和破裂等现象，再次是如何保证其最终的形状结构和尺寸精度。
三、工艺方案
成形导气锥的方案是拉延→翻边→焊接。工艺方案的关键首先是焊缝位置和形状的选择，如果选择科学，便可以降低成形难度，简化成形工序和工装，方便焊口加工，减少焊接变形，使焊缝最短以减少焊缝对导气锥有关性能的不利影响。经过试制和优化，将焊缝确定在距小端口面4mm处、与水平面成76°夹角的小端口圆柱面的斜剖面上，焊缝为一平面椭圆。现将位于焊缝左右的部分分别称做弯头和接头，接头是一带斜端面的直管件，不需要成形。其次是弯头的成形，成形弯头采用三次拉延→翻边的工艺方案。这里的多次拉延与通常的多次拉延不同，主要特点是每一次拉延使用同一个凹模，每一次拉延都有其侧重点。一次拉延重点解决底部悬空起皱，兼顾防止底部圆角处破裂，以成形弯头的大部分深度和底部轮廓；二次拉延主要解决凸缘起皱，兼顾防止底部圆角处破裂，成形弯头的整个深度；三次拉延着重解决底部圆角处变薄和破裂，使底部基本上实现流线型面，底部圆角半径到位。至此，弯头为下一步翻边工序做好了结构尺寸上的准备。预制翻边孔时，应使孔的中心下移，确保材料能够延伸到圆角半径r15以外的小端口圆柱型面上。
导气锥的成形工艺流程为：下料→三次拉延→预制翻边孔→翻边→铣切弯头边部→铣切接头→焊接→修整打磨→检验。
导气锥的形状结构、尺寸和公差依靠经验估算和修模保证。
四、模具结构
导气锥的拉延和翻边模具结构分别见图3和图4，拉延和翻边下模结构尺寸完全相同，实际只使用同一个下模，在不同成形阶段，只需更换相应的上模。
图3拉延模具结构图
1.上模板2.导套3.压料板4.凹模5.导柱6.下模板
7.成形模8.垫板9.压套10.弹簧11.螺杆12.凸模
图4翻边模具结构图
1.上模板2.固定模板3.导套4.导柱5.凹模6.冲头7.下模板
8.垫板9.成形模10.压料块11.压套12.弹簧13.螺杆14.楔块
在拉延时，压料板3在弹簧10的作用下，依次压紧毛坯、凹模4和成形模7，之后凸模12向下滑动，使毛坯成形，成形模起校形作用，凸模下滑到位后抬起，此时，压料板作卸料用。二、三次拉延时，在更换凸模之后，重复上述过程。
在翻边时，压料块10在弹簧12作用下，紧压翻边件，楔块14开始下移，冲头6通过楔面获得翻边力，楔块下滑到位后，翻边动作结束。楔块和压料块依次抬起，顶料杆同时顶起凹模5和成形模9，成形模左右分开，拿掉冲头，取出零件。再次翻边时，合紧后的成形模随下移的顶料杆进入到压套11内，凹模与压套借助定位销定位，将翻边件和冲头依次放入成形模和翻边件内，重复前述动作和过程。
成形模可以沿中轴面左右分开，以方便取件，其外表面是带14°锥角的圆锥面，与压套紧密配合，确保成形模左右两半始终沿分界面贴合。压套与下模板固定。凹模置于成形模之上，防止毛坯在成形时被成形模的分界面划伤，凹模与成形模之间是一调整垫片，凹模悬空在压套约0.5mm高处。在翻边时，使用限位块调整楔块的下移量，以防压伤弯头底部。模具材料可根据零件的批量要求，分别选用低、中和高档材料。模具结构类似挤压模具结构，采用二层组合凹模。模具工作部分的尺寸决定零件的尺寸精度，这里重点考虑成形件在成形和切边之后，材料回弹对零件结构形状、尺寸和公差的影响。
五、结论
(1)拉延→翻边→焊接工艺是制造流线型面导气锥的有效方法，采用该工艺可以获得尺寸精度高、质量稳定可靠和重量轻的导气锥。
(2)弯头的成形方法有效地解决了成形过程中的材料严重起皱、变薄和破裂等难题，因而该方法对成形型面复杂、结构不对称、尺寸精度要求高和底部曲面不规则的类似零件具有一定的借鉴意义。
(3)模具结构合理，能够满足一定批量的流线型面导气锥工业生产需要。(end)
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(6/10/2007) |
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