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硬核航空 整体叶盘的加工方法:精铸后抛光和线性摩擦焊加工

2019-11-27来源:上海信息港
硬核航空 整体叶盘的加工方法:精铸后抛光和线性摩擦焊加工

陈光/文

整体叶盘的加工方法之精铸后抛光

早期小型的带叶片的整体转子曾用过,例如J69T 29的轴流压气机转子既可用403合金钢锻件经机械加工而成,也可用17 4PH沉淀变化不锈钢精铸后经抛光而成。但是在其他发动机中还很少见到采用此种方法的。

锻件机械加工

这是将转子的锻坯在5坐标数控铣床上铣削加工而成。早期叶片较少的小型整体叶盘采用较多,但是目前已在大直径、叶片数多的大型整体叶盘中得到采用,例如在宝马 罗·罗公司研制的BR715中,它的风扇后两级增压压气机采用了整体叶盘结构,它们就是在数控的5坐标铣床上铣削加工而成的。

作者参观该厂时,厂方介绍时称,加工1件BR715整体叶盘增压压气机转子需时一天,且EJ200中的两个整体叶盘也改用了这种加工方法来加工。

硬核航空 整体叶盘的加工方法:精铸后抛光和线性摩擦焊加工

图27、线性摩擦焊工作原理示意图

5.3 电子束焊接

将叶片与轮盘分别加工好后,将一个个的叶片用电子束焊接法焊到轮盘的轮缘上。在早期的报道中,曾介绍过EJ200的整体叶盘采用了这一加工方法。

5.4 电化学加工(Electro ChemicalMachining,ECM)

电化学加工实质上是一种反电镀过程,浸在电解液槽中的工件与电流的正极连接,而做成叶型的工具成为阴极,接通电流后,工件表面的材料逐渐向阴极移动而形成所要求的型面(型面由处于阴极的工具型面来保证),从工件上被溶解掉的材料,被电解槽中高速流动的电解液带走。用电化学加工方法加工整体叶盘,从在锻坯上开出径向槽道即叶槽,到叶片的半精加工、精加工均可由它来完成,且不需用手工抛光。

加工出的叶片叶型厚度公差为±0.01mm,型面公差为+0.01mm。与用5坐标数控铣床加工相比,用电化学加工方法加工整体叶盘,会大大缩短加工时间,特别对于大的风扇整体叶盘,由于要从工件上铣削掉大量材料,效果更好。

一般用电化学加工可缩减工时85%左右;另外,它还可避免叶片在加工中产生的残余应力。

GE 公司自1985年发展了这种加工方法后,已先后用于 T700、YF120、GE23A、CFE738、F414与F110 GE 129R等发动机整体叶盘的加工中。

5.5 线性摩擦焊(LinearFrictionWelding)


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图28、用线性摩擦焊焊接整体叶盘的加工过程

5.5.1 线性摩擦焊

线性摩擦焊(LinerFriction Welding,LFW)是一种固态连接技术,类似于扩散连接。

扩散连接是将两个需连接的零件的连接面紧紧靠住,在高温、高压下,两零件配合表面间形成了材料原子的相互转移,最终使两者紧密连接成一体。 在这种连接中,由于相连接处的材料并未熔化,因而不会出现一般焊接中易发生的脱焊现象。

从结构上讲,连接处看不出“焊缝”,且其强度与弹性均优于本体材料。线性摩擦焊与扩散连接的不同之处在于:在扩散连接中,连接的工件是在炉中加温使其达到高温的;而在线性摩擦焊中 工件的高温是通过两配合面间的相互高速摩擦即高频振荡产生的,图27所示为其工作示意图。

5.5.2 线性摩擦焊加工整体叶盘

图28示出了整体叶盘采用线性摩擦焊的加工过程。首先将单个叶片与轮盘分别做出。如图28(a)所示,轮盘的轮缘处已作好连接叶片的凸座,而叶片根部处做有较厚的裙边,且由于轮缘上已有一段叶片的凸座,所以叶片比正常的叶片要短。

第二步将叶片紧压在轮盘轮缘的凸座上。如图28(b)所示,使其高频振荡,造成叶片底部表面与凸座表面间高速摩擦,产生了足以使两者之间原子相互移动所需的高温。

当达到所需的高温后,停止振荡并保持将叶片紧压在轮盘轮缘上,直到两者结合成一体为止。最后再在5坐标数控铣床上用棒铣刀将多余材料铣掉如图28(c)所示。图29示出所有叶片片身均已焊到轮盘上但尚未将多余材料加工的整体叶盘,对比图28(b),可以看出焊接处多出的材料。

采用线性摩擦焊加工整体叶盘有下列优点。(1)与用整体锻件在5坐标数控铣床上加工或电化学加工相比,线性摩擦焊可以节约大量贵重的钛合金。

例如,罗·罗公司为联合攻击机(JSF)用的升力风扇发动机生产整体叶盘的风扇转子时(该转子是世界上最大的整体叶盘,其外径为1.27 m),采用了整体锻坯用5坐标数控铣床加工,坯料重840kg,加工后成品件重97.6kg,即材料损耗高达88%。而采用线性摩擦焊时,由于在焊接前叶片已基本成形,所以焊接后铣去的材料不多。除此之外,采用线性摩擦焊还可减少加工时间。


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(2)可以对损坏的单个叶片进行修理,在风扇各级特别是在风扇第1 级叶盘制造中采用整体叶盘时,能否对整体叶盘进行修理是要考虑的一个重要问题。因为发动机在使用中,不可避免地会遇到外物特别是飞鸟打伤叶片的情况。

采用常规的即具有榫根的设计,可以轻易地更换损伤的叶片,而整体叶盘就不能更换叶片,因此如没有方便而适用的修理损坏叶片的方法,整体叶盘的应用就会受到限制。

有了线性摩擦焊的加工方法,就可以将损坏的叶片切去后再焊上新叶片。由于有这一优越性。F119等发动机风扇第1级转子也采用了整体叶盘。

(3)线性摩擦焊可以将两种不同材料焊在一起,这样可根据叶片与轮盘的工作条件选用不同的材料,使转子结构的重量进一步降低。

罗·罗公司与 MTU公司于2000年为 EF2000战斗机的生产型飞机提供的 EJ200发动机,其3级风扇整体叶盘就是用线性摩擦焊加工的。 罗·罗公司还为联合攻击机(JSF)飞机的备选F120发动机设计风扇单元体。在设计中,3级风扇均采用整体叶盘,且第1级将采用遄达800民用高涵道比涡轮风扇发动机(用于波音777)中采用的扩散连接超塑性成形的夹层宽弦风扇叶片。

这也是民用发动机中的先进技术移植到军用发动机中的事例。在洛克希德马丁公司的F 35联合攻击机中,采用了高推重比的升力风扇,该升力风扇的转子也由罗·罗公司研制。

作为升力风扇,它只在飞机起飞与着陆时使用,在飞机作水平飞行时不工作,因此要求它的重量非常轻,所以采用整体叶盘,而风扇叶片则采用了扩散连接 超塑性成形夹层宽弦风扇叶片。罗·罗公司已用锻件坯料经机械加工制成了这种世界上直径最大的整体叶盘,并承受了102%超转试验。

上述这两种风扇用的整体叶盘,罗·罗公司最终将采用线性摩擦焊将叶片焊到轮盘上。

据罗·罗公司有关人士称,当前用于新研制战斗机的发动机,如果不采用整体叶盘将是不可想象的事。

对于直径较小的整体叶盘,将仍然采用整体锻坯经机加或电化学加工;对于直径较大的整体叶盘,在发动机研制阶段,在近期还将采用上述的整体锻坯经机加或电化学加工加工方法,以便快捷地对叶片叶型进行优化处理,但当 EJ200与F 35的发动机转入批生产时,罗罗公司将在新建的厂房中用线性摩擦焊来加工整体叶盘。

普惠公司在为F 22研制的F119发动机中,全部风扇及高压压气机转子均采用了整体叶盘,第1级风扇工作叶片作成空心的,用线性摩擦焊将空心叶片连接到轮盘上。

这是用线性摩擦焊来加工最先进的发动机中整体叶盘的实例,表明这一新的加工方法将有较大的发展前景。

整体叶盘结构由于结构简单、零件数少、效率高、结实与可靠性高等特点,早在60年代初期就被一些小型与短寿命发动机采用,随后在小型具有混合式压气机的涡轴、涡桨发动机中得到广泛应用,但是在大型的涡扇发动机中,却迟至80年代中期才得到应用(EJ200),且受到较多的限制。

直到90年代初,对大型、多叶片的整体叶盘有了较好的加工方法。有了能在转子上对损坏叶片进行修复的工艺后,整体叶盘结构才在先进战斗机的发动机中得到较快的推广。


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不仅在新研制的发动机例如 F414、F119、F120与 F135等中,也在一些改进的发动机例如 F110 GE 129R 与F100PW 229A 等中得到应用,而且采用的级数也多,还能将多个整体叶盘前后焊接在一起形成整体转子。更为重要的是,易被外来物打伤的第一级风扇转子,也开始采用这一结构。

随着BR715与SNECMA的P.A.T.技术验证机中采用整体叶盘结构,这一结构也很快在大型民用涡扇发动机中得到推广。

21世纪初投入使用的遄达900、GE90115B则将整体叶盘的应用推向了一个崭新的阶段。为此,我们应该将这一既有悠久历史又是一项新颖的技术尽快移植到我国新研制的发动机中,从结构设计这一立场上,为大幅度提高国产发动机的性能作出贡献。

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