一种大截面比三角形截面薄壁扭曲管的成形方法与流程

本发明属于航空发动机制造领域，涉及钣金成形方法，具体涉及一种大截面比三角形截面薄壁扭曲管的成形方法。

背景技术：

新型航空发动机高压涡轮导向器内冷气导管材料为镍基高温合金，参见图1，壁厚为0.2mm，导管长度约为67mm，其形状沿长度方向存在弯曲和扭转。其横截面呈近似三角形，三角形截面最小锐角仅为24°，最小转接圆弧半径仅为1.1mm。其横截面尺寸变化较大，最大截面边长约为30×23×14mm，周长66mm，最小截面边长约为16×13×9mm，周长37.5mm，最大、最小截面周长之比为1.76。

由于该导管尺寸小，横截面尺寸变化大，并带弯曲和扭转，成形非常困难。对于变截面的细小管件，一般采用圆管进行内高压胀大成形。由于该导管最大、最小截面尺寸差异大，若按最小截面尺寸确定圆管直径，最大截面处会因胀量太大而破裂。

为了减小最大截面处的胀量，选用比最大截面尺寸小、而比最小截面尺寸大的一个比较适中圆管，胀形前就需要对管坯进行缩径加工，使管坯截面周长均小于零件对应截面周长。但是，由于管壁太薄，而最小截面尺寸也太小，缩径量很大，缩径时容易产生失稳起皱或破裂，难于获得变截面的圆形管坯。

如果采用其它结构的预制坯，都应该通过预成形使预制坯形状接近零件形状，因为预制坯的圆角半径与零件要求的圆角半径差别较大时，就很难通过胀大达到零件要求的圆角半径。在胀大时，较小的内压力就会使圆角两个边贴模，一旦贴模就会形成接触摩擦，接触摩擦将阻碍材料向角部流动。按一般认识，内压越大，圆角半径应该越小，但是根据有关资料的研究结果，摩擦作用将产生极限圆角半径，当内压增大到一定值时，圆角半径将不再减小。如果内压继续增大，零件就会在圆角过渡处破裂。那么，采用何种形状的预制坯、预制坯圆角半径多大、以及如何获得需要形状尺寸的预制坯是能否获得合格零件的关键，也是该零件制造的最大难点。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种大截面比三角形截面薄壁扭曲管的成形方法，解决了小锐角三角形截面因极限圆角制约而导致的圆角成形不到位问题，解决了截面变化率大而导致的截面胀量差异大、成形破裂的难题，成形出合格零件，并提高了生产效率。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：

1)对板料折弯后沿纵向切割焊缝，并纵向焊接得到三棱锥管，所述三棱锥管的横截面圆角半径小于等于成品零件对应横截面的圆角半径，三棱锥管的焊缝在焊接面的中分线上，采用直焊缝，三棱锥管的大端头增加胀大时用的工艺压边段和焊接引弧段，在小端头增加形状过渡段和焊接收弧段；

2)采用预成形模将三棱锥管锻压成与成品零件形状接近的预成形件，预成形件产生弯曲和扭转，并使三棱锥管的大端口部扩成锥形；

3)对预成形件退火后进行胀大成形，胀大成形模采用阴模和阳模，阳模与预成形件性状相同，且胀大成形前将阳模深入预成形件的管腔内，胀大成形后开模切除两端工艺段，即得到成品零件。

所述步骤1)中板料的形状为共斜边的两个梯形拼接，且两个梯形沿共斜边对称，该共斜边为板料的中折弯线。

所述步骤1)中板料的两端梯形上分别设有弯折线，弯折线向外分别设焊缝切割线，焊缝切割线分别向外增加切割焊缝的切割余量。

所述步骤1)中对板料切割焊缝采用线切割。

所述步骤2)中预成形模的上、下模合模后，采用水平的扩口型块顶入三棱锥管的大端型孔内，将大端口部扩成锥形。

所述步骤2)中预成形前在三棱锥管内灌注石蜡。

所述步骤3)中胀大成形时在预成形件的大端口部加装内压边圈。

所述步骤3)中阳模采用聚氨酯软阳模。

所述步骤3)中阴模采用左右对开分瓣式。

所述步骤3)中胀大成形模由大于100吨的单轴四柱液压机驱动。

与现有技术相比，本发明将薄板板料预制成三棱锥管进行内压胀大成形，预制件结构简单，容易制造，使预制件三角形截面的转接圆弧半径按成品零件对应转角的最小圆弧半径设计，减小了胀大成形时的极限圆角限制，保证了零件的形状要求，同时按对应截面周长近似相等原则，对预制件截面三角形的边长进行优化设计，减小了胀量，降低了破裂风险。本发明解决了新型航空发动机制造方面的一个技术难题，保证了新型航空发动机的研制要求，对国防建设具有重大的现实意义，本发明使冷气导管的成形合格率大幅提高，而单台发动机所需的冷气导管数量大，所用高温合金材料价格高，合格率的提高能够大幅降低生产成本，用于批产能够产生很大的经济效益。

进一步，本发明采用向三棱锥管内灌注石蜡的方法进行预成形，防止了管壁起皱，采用锻压的方法将三棱锥管压弯到接近零件形状，使之能够顺利装入胀大成形模里胀形。

进一步，预成形时将零件大端口部扩成锥形，胀大成形时在大端口部加装内压边圈，解决了阳模对大端口部的挤压损伤问题。

进一步，采用聚氨酯软阳模成形，避免了液体介质内高压成形复杂的密封要求，工艺简单，成形效率高。

附图说明

图1为成品零件的结构示意图；

图2为板料的下料图，a为中折弯线，b为右折弯线，c为右焊缝切割线，d为左焊缝切割线，e为左折弯线；

图3为板料冲压V形的示意图；

图4为板料两边折弯的示意图；

图5为板料线切割和焊接纵缝的示意图；

图6为预成形示意图；

图7为胀大成形示意图；

图8为抽取零件截面曲线图；

图9为扭转后的零件截面曲线图；

图10为抽取三棱锥管截面曲线图；

图11a为预成形模的正面剖视图，图11b为预成形模的俯视图，1为预成形模底座，2为预成形模顶杆，3为顶杆座，4为扩口型块，5为预成形模上模板，6为上模，7为下模，8为预成形模模框，9为型块导轨；

图12a为胀大成形模的正面剖视图，图12b为胀大成形模的俯视图，10为胀大成形模底座，11为胀大成形模模框，12为右半阴模，13为压边圈，14为压头，15为压簧框，16为胀大成形模上模板，17为压簧，18为左半阴模，19为顶板，20为胀大成形模顶杆，21为导柱。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

本发明包括以下步骤：

1)对板料折弯后沿纵向线切割焊缝，并纵向焊接得到三棱锥管，板料的形状为共斜边的两个梯形拼接，且两个梯形沿共斜边对称，该共斜边为板料的中折弯线a，板料的两端梯形上分别设有左弯折线e和右弯折线b，弯折线向外分别设左焊缝切割线d和右焊缝切割线c，焊缝切割线分别向外增加切割焊缝的切割余量；三棱锥管的横截面圆角半径小于等于成品零件对应横截面的圆角半径，三棱锥管的焊缝在焊接面的中分线上，采用直焊缝，三棱锥管的大端头增加胀大时用的工艺压边段和焊接引弧段，在小端头增加形状过渡段和焊接收弧段；

2)预成形前在三棱锥管内灌注石蜡，采用预成形模将三棱锥管锻压成与成品零件形状接近的预成形件，预成形件产生弯曲和扭转，预成形模的上、下模合模后，采用水平的扩口型块顶入三棱锥管的大端型孔内，使三棱锥管的大端口部扩成锥形；

3)对预成形件退火后进行胀大成形，胀大成形采用左右对开分瓣的阴模和聚氨酯软阳模，胀大成形模由大于100吨的单轴四柱液压机驱动，聚氨酯软阳模与预成形件性状相同，且胀大成形前将聚氨酯软阳模深入预成形件的管腔内，胀大成形时在预成形件的大端口部加装内压边圈，胀大成形后开模并抽出聚氨酯软阳模，切除两端工艺段，即得到成品零件。

本发明具体包括以下步骤：带材→冲切下料(见图2)→冲压V型(见图3)→两边折弯(见图4)→线切割纵缝(见图5)→焊接纵缝(见图5)→灌石蜡→预成形(见图6)→除石蜡→退火→胀大成形(见图7)→切除两端工艺段得到成品(见图1)。

本发明具体包括以下方面：

1、预制管坯设计：

预制三棱锥管采用板料折弯后进行纵向焊接获得，三棱锥管的胀量应尽可能小，横截面圆角半径应小于等于零件对应截面圆角半径。

(1)确定焊接面和焊缝位置：

参见图2，焊接面选择在比较平直的、成形时变形小的表面上，焊缝选定在焊接面的中分线上，采用直焊缝。

(2)抽取截面曲线：

参见图8，沿纵向一定间距抽取横截面曲线，必须包含最大截面和最小截面，截面变化剧烈和扭曲大的部位可加密抽取。

(3)纵向拉直：

做出一条与基准端面垂直的直线作为焊缝线，以横截面焊接边的边线和中点为对正基准，将各横截面在其自身平面内平移并串接到焊缝线上。

(4)截面扭转：

按照对应横截面周长近似相等的原则，对每个截面三角形进行优化设计，具体方法是：将原横截面近似三角形的三个边拉直，适当调整与焊接边相邻的两个边的边长，使所有截面三角形焊接边的对顶角处于同一直线上，三个角的转接圆弧半径分别按所在棱边上各截面的最小圆弧半径选取，然后按优化后的截面三角形构造近三棱锥三维曲面，扭转后的扭转后的零件截面曲线参见图9。

(5)抽取最大直三棱锥：

选取两个典型的截面三角形构造三棱锥，使三棱锥的体积最大，并能完全被近三棱锥所包容，这样得到的三棱锥与零件对应截面周长最接近，也就是每个截面胀大量最小，抽取三棱锥管截面曲线参见图10。

(6)增加工艺段：

根据工艺需要，对三棱锥管两端头进行适当加长，即在大端头增加胀大时用的工艺压边段和焊接引弧段，在小端头增加形状过渡段和焊接收弧段。

2、下料尺寸确定

将优化设计的三棱锥管预制件以焊缝为分界线进行展开，然后在焊缝两边增加适当的搭接量，留作线切割焊缝的切割余量，成形后线切割焊缝可使焊缝平直，对接间隙小，有利于保证焊接质量，下料尺寸参见图2。

3、关键工序实施

预成形：

采用预成形模将三棱锥管锻压成与零件形状接近的预成形件，预成形后，零件发生弯曲和扭转，能够放入精成形模具中以便胀大，预成形前在管中灌注石蜡，预成形时管中产生内压，防止管壁起皱。上、下模合模后，采用水平的扩口型块4顶入三棱锥管大端型孔内，将大端口部扩成锥形，供胀大成形时压边之用。预成形模的结构如图11a和11b所示，包括预成形模底座1，预成形模底座1的一端设置有顶杆座3，顶杆座3上设置有水平向的预成形模顶杆2，预成形模顶杆2连接扩口型块4，扩口型块4位于型块导轨9上，预成形模底座1的另一端自上而下依次设置有预成形模上模板5、上模6和下模7，预成形模上模板5、上模6和下模7均设置在预成形模模框8内。

胀大成形：

使用大于100吨的单轴四柱液压机，机床必须带下顶杆，采用左右对开分瓣的阴模，方便零件装卸，采用聚氨酯软阳模成形，将软阳模做成预成形件的形状，大端留出20mm左右的补缩和抽模长度，成形前将软阳模插入零件管腔里，成形后抽出软阳模。胀大成形模的结构如图12a和12b所示，包括胀大成形模底座10，胀大成形模底座10上设有胀大成形模模框11和导柱21，胀大成形模模框11内设置有右半阴模12和左半阴模18，右半阴模12和左半阴模18底部依次设置顶板19和胀大成形模顶杆20，右半阴模12和左半阴模18上端设置压边圈13，压边圈13上端设置有压簧17和压头14，压簧17和压头14上设置压簧框15和胀大成形模上模板16。

本发明将薄板板料预制成三棱锥管进行内压胀大成形，预制件结构简单，容易制造，使预制件三角形截面的转接圆弧半径按零件对应转角的最小圆弧半径设计，减小了胀大成形时的极限圆角限制，保证了零件的形状要求。同时，按对应截面周长近似相等原则，对预制件截面三角形的边长进行优化设计，减小了胀量，降低了破裂风险，采用向管内灌注石蜡的方法进行预成形，防止了管壁起皱。采用锻压的方法将预制件压弯到接近零件形状，使之能够顺利装入胀大模里胀形。预成形时将零件大端口部扩成锥形，胀大成形时在大端口部加装内压边圈，解决了软阳模对大端口部的挤压损伤问题，采用聚氨酯软阳模成形，避免了液体介质内高压成形复杂的密封要求，工艺简单，成形效率高。

由于新型航空发动机涡轮导向叶片是空心叶片，其内部的冷气导管尺寸小、形状复杂、成形难度大，成形方法不当很容易产生破裂，无法成形出合格零件。本发明针对这种情况，提出了一种制造三角形截面、大截面比冷气导管的工艺方法，解决了新型航空发动机制造方面的一个技术难题，保证了新型航空发动机的研制要求，对国防建设具有重大的现实意义。使冷气导管的成形合格率大幅提高，而单台发动机所需的冷气导管数量大，所用高温合金材料价格高，合格率的提高能够大幅降低生产成本，用于批产能够产生很大的经济效益。