航空发动机导管弯头增减结合制造技术研究.pdf
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1、 工艺材料 新技术新工艺 工艺与材料1 9 航空发动机导管弯头增减结合制造技术研究许爱军(长沙五七一二飞机工业有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 1 1 4)摘 要:针对典型航空发动机钛合金导管弯头零件形状复杂、薄壁、切削加工性差的问题,基于3 D打印技术和数控车削技术各自优势,设计了增材制造和减材制造相结合的制造工艺流程,即钛合金导管弯头毛坯制备采用3 D打印增材制造技术,解决了复杂异型结构成形难题;导管弯头精加工采用数控切削(减材)加工技术解决了加工精度问题,并优化了该零件3 D打印工艺参数和数控车床工装夹具,确保了制造精度和效率,为解决航空发动机钛合金导管弯头工艺难点提供了新的技术思路
2、。关键词:航空发动机;钛合金;导管弯头;3 D打印中图分类号:V 2 6 3.1 文献标志码:AR e s e a r c h o n M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y w i t h C o m b i n a t i o n o f I n c r e a s e a n d D e c r e a s e o f C o n d u i t E l b o w s f o r A e r o e n g i n e sX U A i j u n(C h a n g s h a 5 7 1 2 A i r c r a f t I n
3、 d u s t r y C o.,L t d.,C h a n g s h a 4 1 0 1 1 4,C h i n a)A b s t r a c t:A i m e d a t t h e p r o b l e m s o f c o m p l e x s h a p e,t h i n w a l l,a n d p o o r m a c h i n a b i l i t y o f t y p i c a l t i t a n i u m a l l o y c o n d u i t e l b o w p a r t s o f a e r o e n g i n e
4、 s,a m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s c o m b i n i n g i n c r e a s e a n d d e c r e a s e w a s p r o p o s e d b a s e d o n t h e a d v a n t a g e s o f d i g i t a l 3 D p r i n t i n g t e c h n o l o g y a n d N C t u r n i n g t e c h n i q u e.T h a t w a
5、 s t o s a y 3 D p r i n t i n g a d d i t i v e m a n u f a c-t u r i n g t e c h n o l o g y w a s u s e d f o r t y p i c a l t i t a n i u m a l l o y c o n d u i t e l b o w b l a n k p r e p a r a t i o n t o s o l v e t h e p r o b l e m o f c o m p l e x s p e-c i a l-s h a p e d s t r u c t
6、 u r e s f o r m i n g,a n d N C c u t t i n g m a c h i n i n g t e c h n o l o g y w a s u s e d f o r c o n d u i t e l b o w s t o s o l v e t h e p r o b l e m o f m a c h i n i n g p r e c i s i o n.T h e 3 D p r i n t i n g p r o c e s s p a r a m e t e r s a n d N C t o o l s w o r k f i x t
7、 u r e o f p a r t s w e r e o p t i m i z e d.T h e p r e c i s i o n a n d e f f i c i e n c y o f p a r t m a n u f a c t u r i n g w e r e i m p r o v e d,i t p r o v i d e d n e w t e c h n i c a l i d e a s f o r s o l v i n g d i f f i c u l t t o t i t a n i u m a l l o y c o n d u i t e l b
8、 o w s p r o c e s s o f a e r o e n g i n e s.K e y w o r d s:a e r o e n g i n e s,t i t a n i u m a l l o y,c o n d u i t e l b o w s,3 D p r i n t i n g 航空发动机因其工作环境恶劣、内部结构复杂、制造难度高,被誉为“工业皇冠上璀璨的明珠”。若将航空发动机比作人的心脏,那发动机管路则是连通各个“器官”的“血管”,用于输送“血液”“氧气”等重要物质的通道,对整体的运行发挥着至关重要的作用。导管零件作为发动机管路的主体,其加工质量要求通常非常
9、严苛,需重点关注其加工过程1-2。航空发动机外部管路导管零件,由于其厚径比较小,在弯曲成形时易产生弯管截面畸变、壁厚减薄等质量缺陷,加工难度较大。另外,航空发动机导管的装配密度很高,故对其整体管形精度要求非常高。传统航空发动机上外部管路系统均采用不锈钢材料,加工技术较为成熟,但重量较大。钛合金作为一种先进的耐高温、耐腐蚀、轻质高强高性能结构材料,在航空领域得到越来越广泛的应用。用钛管代替不锈钢管,可使管路系统减重5 0%。美、俄等国家已在航空发动机使用钛合金外部管路,但其技术细节及结构设计方法一直对外封锁3-4。国内使用钛合金导管零件起步较晚,且由于航空发动机在管路敷设空间及管路使用环境等方面
10、较为严苛,所以钛合金外部管路零件应用在航空发动机上的使用仍需要突破结构设计和加工制造等一系列技术难题。本文针对典型航空发动机外部导管弯头零件,基于金属3 D打印增材制造技术、数控切削加工技术,提出了增减结合的制造技术方案,应用于某型军用无人机发动机高强钛合金(T C 4)导管弯头零件制造过程,并通过实践运用验证了方案的可行性,为航空发动机零件轻量化设计与制造提供了新的思路。1 航空发动机导管类零件加工技术现状航空发动机外部管路数量多,空间布局复杂,零件种类繁多,形状大小各异,管路的敷设既要保证不超过发动机外部轮廓,又要在发动机自身附件和夹缝中穿行并保证足够的间隙,因此管路零件弯曲数量多,转弯半
11、径小,尺寸精度要求高,进而导致其制造难度大,制造周期长。图1 a所示为国外某军用航空发动机外部管路局部形貌,图1 b所示为导管及导管接头实物,由此可以看出管路敷设的密集和复杂程度。新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 1期 2 0 新技术新工艺 工艺与材料a)航空发动机外部管路局部形貌b)导管及导管接头实物图1 军用航空发动机外部管路以往的航空发动机导管类零件多采用不锈钢制造,因其具有良好的塑性加工性能和焊接性能,管材弯曲方式包括压弯、拉弯、绕弯、推弯和滚弯等5。2 0世纪末,随着C A D/C AM一体化制造技术的日趋成熟,国外先进航空制造企业开始基于C AT I A三维设计软件平台,结合虚
12、拟装配和数控弯管技术,实现了航空发动机导管的数字化设计与制造。随着先进航空发动机朝高涡轮前温度、高推重比、长寿命和低油耗方向发展,钛合金凭借其低密度、高比强度、高蠕变抗力等优点在导管制造上开始取代不锈钢。但钛合金的延展性和塑性大大低于不锈钢,给小弯曲半径的管路零件制造带来了困难。2 航空发动机钛合金导管弯头增减结合制造方案2.1 钛合金导管弯头零件制造难点某型无人机航空发动机导管弯头零件如图2所示,其工作温度接近5 0 0,采用T i 6 A l 4 V(T C 4)材质制造,主要存在如下加工难点:1)导管弯头大端外径从1 3.1 mm到1 4.4 mm呈喇叭形状,外形直径沿弯曲方向逐渐变化,
13、给加工带来了困难;2)管弯头尺寸小,壁薄,零件最薄处仅为0.3 mm,并且有9 0 的圆弧弯曲,弯制过程中易出现起皱和裂纹;3)导管弯头管嘴和内孔倒角需车削加工,但该零件的形状结构导致装夹困难,尺寸和形状精度难以保证;4)钛合金加工难度大,相对于已经广泛应用的不锈钢管材,钛合金管材虽然具有比强度高、重量轻的特点,但其延展率远低于不锈钢,塑性较差,无论是弯曲成形还是机械切削加工都比较困难。图2 钛合金导管弯头零件 已有研究表明,现有实际采购的航空发动机上的T A 1 6和T A 1 8管材可以实现弯曲半径R=2D-3D、弯曲角度9 0 的弯曲。该导管弯头零件已经处于理论弯曲极限尺寸。在试制中采用
14、了加热弯管的毛坯制备工艺,但由于导管弯头弯曲角度大,弯曲半径过小,壁厚薄,容易出现起皱和裂纹,造成零 工艺材料 新技术新工艺 工艺与材料2 1 件报废率高。钛合金导管弯曲缺陷如图3所示。a)管材弯曲成形b)弯曲缺陷 开裂c)弯曲缺陷 起皱图3 钛合金导管弯曲缺陷选用钛合金自由锻造毛坯,利用比较成熟的数控加工技术把多余材料加工去除的减材加工工艺。在试制过程中,采用五轴数控机床加工。由于导管弯头内孔孔径小而深,加工中排屑不畅,造成专用铣刀磨损快,抛光难度大,加工周期长,成本高,质量不稳定。钛合金导管弯头的切削加工如图4所示。a)导管弯头在数控机床加工时装夹状态b)导管弯头去掉装夹工艺头状态图4 钛
15、合金导管弯头的切削加工2.2 3 D打印制造技术优势3 D打印技术是快速成形技术的一种,又称为“增材制造”(A d d i t i v e M a n u f a c t u r i n g,AM)6。该技术带来了产品设计的灵活性,促使设计师可以不受传统工艺因素制约,提出性能优异的设计方案。对于结构复杂的产品,通过增材制造方式可以实现一次成形,并且可以进行薄壁、深腔或隐藏通道这些传统方式难以实现的设计,解放了传统制造模式对设计思维的约束7。该技术已广泛应用于航空航天、生物医疗、海洋船舶、模具、汽车、石油、化工、工艺礼品等各个领域8。其基本原理是通过C A T I A等三维软件构建起零件的三维实
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