CN113787306B - 一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法 - Google Patents

一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，结合真空技术、热成形和变压边技术的多重优势，一步成形出航空发动机燃烧室帽罩零件，在热变形过程中动态调控压边力加载轨迹，实现材料流动和内应力的主动控制，从根本上解决热成形中零件和模具氧化和表面损伤的问题，成形后的零件无需热处理和整形，是一种低应力、少回弹、短流程的新型精准成形方法，非常适合帽罩零件的精确制造。

Description

一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法
技术领域
本发明属于金属板材热成形技术领域，尤其涉及一种航空发动机燃烧室帽罩的流动控制精准热成形方法。
背景技术
帽罩是航空发动机燃烧室火焰筒上的重要零件，新一代航空发动机均采用结构刚性更好的整体帽罩。火焰筒整体帽罩薄壁易变形、结构稳定性差、精度要求高、型面复杂，且使用的高温合金薄板常温成形性能差、变形抗力大、卸载回弹严重，导致其工艺过程复杂。目前针对整体帽罩制造的工艺路线一般为：下料→拉深成形→钻/冲孔→退火热处理→翻边→退火热处理→整形→切端面。为保证帽罩内外端直径尺寸精度，目前加工工艺需要反复退火热处理，并进行型面校形，制造周期长。由于高温合金薄板强度高，变形回弹大，各向异性强，零件切边后型面易扭曲，需要反复热处理和整形才能勉强满足精度要求，导致产品稳定性差，合格率低。同时帽罩零件型面往往包含局部特征，单靠冷成形工艺无法保证局部特征尺寸。
可见，目前帽罩零件冷成形回弹大、精度低、流程长，热成形缺乏材料流动控制方法导致壁厚不均，且高温氧化问题严重。
发明内容
为了实现燃烧室帽罩的精准成形，本发明提供了一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，通过结合真空技术、热成形技术以及变压边力技术，在对模具和材料加热的同时实时动态调控压边力加载轨迹，主动控制材料的流动速度与应力状态，获得几何形状、尺寸精度、表面质量与组织性能都满足航空发动机使用要求的整体帽罩。本发明的具体技术方案如下：
一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，包括以下步骤：
S1：工艺设计：计算坯料尺寸，加工坯料和热成形模具；
S2：流动控制热成形：结合真空、热成形和变压边，在热变形过程中动态调控压边力加载轨迹，一步成形燃烧室帽罩零件；
S3：脱模。
进一步地，所述步骤S2包括：
S2-1：将热成形模具安装在热成形设备上，将坯料定位安装；
S2-2：对坯料和热成形模具一起加热到成形温度，温度误差控制在设定范围内，保温；
S2-3：压边圈闭合，将坯料压紧，开始进给运动，拉深成形，同时根据设定的压边力加载路径调控压边力，根据变形阶段的要求主动控制材料流动，热成形期间温度误差控制在设定范围内；
S2-4：燃烧室帽罩零件成形结束，保温、保压。
进一步地，步骤S2-1中，将坯料和热成形模具一起放置在真空环境下成形。
进一步地，所述步骤S2-2中，加热速度为10～30℃/min，成形温度为900℃，保温时间为10min，温度误差为5℃以内。
进一步地，所述步骤S2-3中，成形速度为5mm/min，成形温度为900℃，温度误差为5℃以内。
进一步地，所述步骤S2-3中，压边力加载路径为：行程从0至46％D时，压力为初始压边力；行程从46％D至66％D时，压力上升至第一压边力；行程从66％D至92％D时，压边力上升至第二压边力；行程从92％D至100％D时，压力保持在第二压边力；其中，D为成形过程中的进给总行程。
进一步地，所述步骤S2-3中，所述初始压边力为(3000±100)N；所述第一压边力为(5000±150)N；所述第二压边力为(50000±500)N。
进一步地，所述步骤S2-4中，保压时间为10min。
进一步地，所述步骤S3的具体过程为：
S3-1：将燃烧室帽罩零件随炉冷却至常温，取出；
S3-2：通过激光切孔和切边获得最终燃烧室帽罩零件。
一种燃烧室帽罩零件，应用前述任意一项制成的燃烧室帽罩零件。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用热成形代替传统冷成形，能极大减小成形阻力和卸载回弹，提高零件成形精度，减少后续反复校形工序，缩短工艺周期，成形后的零件无须热处理和整形即可满足精度要求。
2.本发明采用真空技术，在真空环境中成形，能从根本上解决热成形中零件与模具氧化和表面损伤问题，延长模具寿命，减少模具成本。
3.本发明采用变压边技术，在热变形过程中动态调整压边力加载路径，实现对材料流动和内应力的主动控制，能有效避免起皱、破裂等缺陷，提高零件的壁厚均匀度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明的成形方法原理图；
图2为本发明实施案例帽罩零件形状图；
图3为本发明的热成形模具剖面示意图；
图4为本发明的工艺流程图；
图5为本发明流动控制热成形工序的温度变化曲线；
图6为本发明压边力加载路径示意图。
附图标号说明：1-凹模，2-压边圈，3-凸模。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提出了一种基于变压边和真空热成形的流动控制精准热成形方法。该方法结合了真空技术、热成形和变压边技术的多重优势，在热变形过程中动态调控压边力加载轨迹，实现对材料流动和内应力的主动控制，真空环境能从根本上解决热成形中零件与模具氧化和表面损伤问题，成形后的零件无需热处理和整形即可满足精度要求，是一种低应力、少回弹、短流程的新型精准成形技术，非常适合帽罩零件的精确制造。
如图1所示，本发明的成形方法原理是结合真空技术、热成形技术和变压边技术，坯料经流动控制热成形工序一步成形出所需零件形状，不需要后续的热处理和整形工序。
具体地，一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，包括以下步骤：
S1：工艺设计：计算坯料尺寸，加工坯料和热成形模具；
S1-1：根据帽罩零件尺寸，进行三维模型展开为二维，得到一个二维的环形坯料尺寸；根据模具的尺寸确定坯料尺寸的余量，确定帽罩坯料的几何尺寸，对高温合金板材进行线切割以加工帽罩坯料；
S1-2：根据燃烧室帽罩零件尺寸，设计加工热成形模具。
在步骤S1-1中，确定的帽罩零件坯料的形状为环形；
在步骤S1-2中，热成形模具经过回弹补偿和热补偿。
S2：流动控制热成形：结合真空、热成形和变压边，在热变形过程中动态调控压边力加载轨迹，一步成形燃烧室帽罩零件；
S2-1：将热成形模具安装在热成形设备上，将坯料定位安装，抽真空；
较佳地，步骤S2-1中，将坯料和热成形模具一起放置在真空环境下成形。
S2-2：对坯料和热成形模具一起加热到成形温度，温度误差控制在设定范围内，保温；
较佳地，步骤S2-2中，加热速度为10～30℃/min，成形温度为900℃，保温时间为10min，温度误差为5℃以内。
S2-3：压边圈闭合，将坯料压紧，开始进给运动，拉深成形，同时根据设定的压边力加载路径调控压边力，根据变形阶段的要求主动控制材料流动，热成形期间温度误差控制在设定范围内；
较佳地，步骤S2-3中，成形速度为5mm/min，成形温度为900℃，温度误差为5℃以内。
步骤S2-3中，压边力加载路径为：行程从0至46％D时，压力为初始压边力；行程从46％D至66％D时，压力上升至第一压边力；行程从66％D至92％D时，压边力上升至第二压边力；行程从92％D至100％D时，压力保持在第二压边力；其中，D为成形过程中的进给总行程。
较佳地，步骤S2-3中，初始压边力为(3000±100)N；第一压边力为(5000±150)N；第二压边力为(50000±500)N。
S2-4：燃烧室帽罩零件成形结束后，保温、保压。
较佳地，步骤S2-4中，保压时间为10min。
S3：脱模。
S3-1：将燃烧室帽罩零件随炉冷却至常温，取出；
S3-2：通过激光切孔和切边获得最终燃烧室帽罩零件。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
如图2所示，本实施例中的燃烧室帽罩零件材质为GH3625高温合金，壁厚为1.6mm，是一个环形薄壁曲面零件，且曲面上有12个圆周阵列分布的群孔，其轴对称界面由多段曲线连接而成，外径为258.88mm，内径为176.19mm。
如图3所示，本实施例中的热成形模具包括凹模1、压边圈2和凸模3组成，凹模1通过螺钉直接安装在热成形设备上，压边圈2和凸模3直接与热成形设备连接。
如图4所示，采用的燃烧室帽罩零件流动控制精准热成形方法包括以下步骤：
S1：工艺设计：计算坯料尺寸，加工坯料和热成形模具；
S1-1：以燃烧室帽罩零件尺寸为依据，选择合适的余量，确定帽罩坯料的几何尺寸；根据零件尺寸展开得到坯料尺寸为内径171mm，外径271mm，对1.6mm的GH3625板材进行线切割以加工燃烧室帽罩零件坯料；根据成形设备选择合适的余量，确定帽罩坯料的几何尺寸为外径306mm、内径120mm的环形；
S1-2：根据燃烧室帽罩零件尺寸，设计加工热成形模具，进行回弹补偿和热补偿；根据燃烧室帽罩零件尺寸设计了热成形模具，凹模1和凸模3的间隙为1.76mm，零件内径处模具回弹补偿量为0.10mm，燃烧室帽罩零件外径处模具回弹补偿量为0.10mm，模具的热补偿系数为0.99825；
S2：流动控制热成形：结合真空、热成形和变压边，在热变形过程中动态调控压边力加载轨迹，一步成形燃烧室帽罩零件；
S2-1：将热成形模具安装在真空环境热成形设备上，将坯料定位，抽真空；
S2-2：依据图5所示温度曲线，OA阶段以10℃/min的速度对坯料和热成形模具一起加热到900℃，温度误差控制在5℃以内，AB阶段保温10min，获得均匀的热成形温度；
S2-3：压边圈闭合，将坯料压紧，凸模3以5mm/min的速度开始进给运动，进行拉深成形，热成形期间依据图5所示BC阶段控制温度变化，热成形温度为900℃，温度误差控制在5℃以内；同时按照图6所示的压边力加载路径调控压边力，主动控制材料流动速度和方向，其中，F1为3000N、F2为5000N、F3为50000N，D1为10.60mm、D2为15.26mm、D3为21.20mm、D4为22.96mm；
S2-4：将成形结束后的零件保压10min，期间温度变化如图5所示的CD阶段，维持成形温度900℃不变。
S3：脱模。
S3-1：将零件按照如图5所示的DE阶段，随炉冷却至常温，取出；
S3-2：采用激光切割轮廓上的切孔和内外边，得到最终帽罩零件。
综上，本发明能够利用燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法有效成形出满足尺寸精度和使用要求的燃烧室帽罩，实现了材料流动和内应力的主动控制，从根本上解决了热成形中零件和热成形模具氧化和表面损伤的问题，成形后的零件无需热处理和整形，是一种低应力、少回弹、短流程的新型精准成形技术，非常适合帽罩零件的精确制造。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：工艺设计：计算坯料尺寸，加工坯料和热成形模具；
S2：流动控制热成形：结合真空、热成形和变压边，在热成形过程中动态调控压边力加载路径，一步成形燃烧室帽罩零件；
S3：脱模；
所述步骤S2包括：
S2-1：将热成形模具安装在热成形设备上，将坯料定位安装；
S2-2：对坯料和热成形模具一起加热到成形温度，温度误差控制在设定范围内，保温；
S2-3：压边圈闭合，将坯料压紧，开始进给运动，拉深成形，同时根据设定的压边力加载路径调控压边力，根据变形阶段的要求主动控制材料流动，热成形期间温度误差控制在设定范围内；
S2-4：燃烧室帽罩零件成形结束，保温、保压；
所述步骤S2-3中，压边力加载路径为：行程从0至46%D时，压力为初始压边力；行程从46%D至66%D时，压力上升至第一压边力；行程从66%D至92%D时，压边力上升至第二压边力；行程从92%D至100%D时，压力保持在第二压边力；其中，D为成形过程中的进给总行程。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，其特征在于，步骤S2-1中，将坯料和热成形模具一起放置在真空环境下成形。
3.根据权利要求1所述的一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，其特征在于，所述步骤S2-2中，加热速度为10~30℃/min，成形温度为900℃，保温时间为10min，温度误差为5℃以内。
4.根据权利要求1所述的一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，其特征在于，所述步骤S2-3中，成形速度为5mm/min，成形温度为900℃，温度误差为5℃以内。
5.根据权利要求1所述的一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，其特征在于，所述步骤S2-3中，所述初始压边力为（3000±100）N，所述第一压边力为（5000±150）N，所述第二压边力为（50000±500）N。
6.根据权利要求1所述的一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，其特征在于，所述步骤S2-4中，保压时间为10min。
7.根据权利要求1所述的一种燃烧室帽罩流动控制精准热成形方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：
S3-1：将燃烧室帽罩零件随炉冷却至常温，取出；
S3-2：通过激光切孔和切边获得最终燃烧室帽罩零件。
8.一种燃烧室帽罩零件，其特征在于，应用权利要求1~7中任意一项制成的燃烧室帽罩零件。
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