某型号涡轮机匣的工艺试制与改进方案研究

周 辉 孔祥水 宋碧秋

(中航动力株洲航空零部件制造有限公司 湖南·株洲 412002)

1 零件结构特点

涡轮机匣是航空发动机上的关键部位，它与压气机机匣和中介机匣，内置燃烧室、火焰筒、燃气涡轮导向器等部件相连接，工作温度约为320℃。

某型号涡轮机匣是其中最具代表性的一个零件。其外观如下：

该机匣最小壁厚为0.8mm，由前安装边、后安装边和机匣壁焊接组成的，属于典型的薄壁焊接件，焊接技术是关键，同时零件刚性差，加工过程中极易产生变形，尺寸及位置精度很难保证。尤其是小头安装边上3个7H7的孔相对于基准A、B、C的位置度误差要求不大于0.05，其中基准A为大安装边安装面，基准B为大安装边上的3个7H7的孔，基准C为3个7H7中的角度为0°的孔。这一要素成了我们零件试制的拦路虎，久攻不下。

2 零件材料特性及加工特点

2.1 零件材料特性

前安装边的材料为Z5CNU17-04，是马氏体沉淀硬化型不锈钢，它具有较高的强度、耐腐蚀，抗氧化和可焊性，适用于制造 400℃以下的高强度耐蚀零件。相当于国产牌号0Cr17Ni4Cu4Nb。

后安装边的材料EZ3NCT25是Fe-25Ni-15C基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化。相当于国产牌号GH2132。在650℃以下具有高的屈服强度和持久蠕变强度，并且具有很好的加工塑性和满意的焊接性能，适合制造在650℃以下长时间工作的航空发动机高温承力部件。

机匣壁和凸台的材料为NC22DNb，是以钼、铌为主要强化元素的固溶强化型镍基高温合金，相当于国产牌号GH625。具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，从低温到980℃均具有良好的拉伸性能和疲劳性能，并且耐盐雾气氛下的应力腐蚀。

2.2 高温合金与不锈钢的切削加工特点

（1）刀具磨损剧烈，刀具寿命下降。

（2）加工硬化现象十分严重，已加工表面硬化程度可达基体硬度的1.5～2倍。

（3）切削时容易粘刀，增加切削加工难度。

（4）切屑硬而韧，不容易被折断，造成切削过程中切屑处理很麻烦。

（5）切削力大。

（6）切削温度高，车削GH2132时，在一样的切削条件下，切削温度大约为45钢的1.5～2倍。

3 涡轮机匣加工过程简介

工艺流程：配套-钳工-超声波清洗-钳工-自动氩弧焊-X光-时效处理-钳工-超声波清洗-自动氩弧焊-X光-稳定处理-滚压两焊缝-校正-车端面-车安装边-钻定位孔-冲孔去毛刺-配套-修配-超声波清洗-手工氩弧焊-校正-X 光-检验-配套-打磨-手工氩弧焊-吹砂-检验-荧光检查-检验-车工-数车小头-数车大端外圆及端面-数铣凸台-数铣各孔-攻螺纹-数铣孔定位-攻丝-数铣孔定位-攻螺纹-磨削小安装边-数铣孔小头-数铣大头-去毛刺-荧光-检验-配套-安装衬套-终检-超声波清洗。

4 零件试制中出现的问题

工序名称 出现的问题 原因分析自动氩弧焊 反面焊缝超宽，有未熔合和氧化现象1.焊接规范不当2.反面氩气未保护好数铣代替钳工钻孔 4.1孔径超差，由于在斜面上加工孔，刀具容易漂移手工氩弧焊1.一个凸台整圈氧化 反面氩气未保护好2.焊工操作不方便，操作空间不够 焊接夹具设计不够合理钳工1.凸台的位置校正困难2.凸台位置度测具只能测量孔的位置度，计量工作量大1.焊接变形大2.测具设计不合理X光检验 发现凸台焊缝内部裂纹 1.焊前零件清理得不干净2.焊接参数选用不当荧光检查 发现凸台焊缝表面微裂纹 焊接参数选用不当数车 内孔 260+0.081 0圆度超差 零件装夹变形数铣 13+0.2 0孔离大端面的距离偏小 零件没有装到位数铣 3－ 6+0.15 0的位置度超差 1.零件定位面不平2.零件装夹变形数铣3孔 7H7相对于小头三孔的位置度超差，要求为 0.05，实际为0.058 1.夹具设计不够合理2.零件装夹变形数铣3孔 7H7相对于大端3孔 7H7的位置度超差，要求为 0.05，实际为0.062 1.夹具设计不够合理2.零件装夹变形

通过质量检验发现，影响涡轮机匣加工质量的主要因素是凸台焊接和精密小孔的加工。

5 影响凸台焊接和精密小孔加工质量的原因分析与工艺改进

X光与荧光检查发现涡轮机匣最多的焊接缺陷是裂纹。裂纹是最严重的一种缺陷，它不但减少接头的有效工作面积，降低接头强度，还由于裂缝有一个尖锐缺口、将引起较大的应力集中，因而能引起裂缝的继续扩展，由此导致整个构件的突然断裂。特别是承受动载时，这种缺陷是很危险的。所以焊接接头中如有裂缝，必须铲除补焊。产生裂纹的原因很复杂，下面是它的原因分析鱼刺图。

将凸台焊接产生裂纹的主要原因确定为焊前零件清理不干净和焊接参数选用不够合理。影响精密孔的加工精度的主要措施是消除装夹变形，提高零件刚度，决定从以下几方面进行工艺改进。

5.1 焊接方面的工艺改进

针对焊缝裂纹的问题，采取措施一、重新调整焊接规范；措施二、严格要求钳工工序将零件基体打光并清理干净。采取以下措施：

（1）从工艺规程上改进，将定位焊与连续焊分成两步进行；

（2）申请连续焊接夹具，原焊接夹具只作为定位焊接用；

（3）定位焊接以后、连续焊接之前增加一道钳工工序，利用位置度测具校正凸台的位置；

（4）改进凸台位置度测具，增加测量凸台端面位置度及倾斜度的测量面；

（5）要求定位点焊的焊点不能太大，一定要能被连续焊缝所覆盖。

5.2 为消除零件装夹变形采取的措施

由于涡轮机匣是薄壁零件，加工过程中很容易产生变形，采取措施如下：

（1）提高零件定位面的平面度，增加钳工研磨大端面；

（2）因为零件定位圆有椭圆，加大夹具定位孔的尺寸，保证零件能自如地放进夹具，不致引起装夹变形；

（3）修整夹具的支靠面，不平度小于0.01mm；

（4）操作者在压紧零件时，沿圆周对称均匀压紧作用力尽量保持一致。

5.3 为提高精密孔的位置度而采取的措施

加工零件前后安装边上3圈精密孔。为了保证位置度，达到设计要求，采取过定位提高定位精度，防止零件变形，同时提高夹具的制造精度，合理选择切削用量的措施。

（1）工件的六点定位原理以及过定位。一般情况下，应该避免使用过定位，然而对于涡轮机匣这种刚性差而精度要求比较高的零件来说，为了提高定位精度，则必须使用过定位。

此外，由于涡轮机匣是薄壁件，刚性差，零件的变形容易使孔的位置度发生变化，采用三个定位孔过定位的方法有利于防止零件因变形而造成的位置度偏移。这种具有一定概率特性的综合效应，就是多孔定位能获得高定位精度的根据。但是为了防止过定位出现问题，对定位件的尺寸、形状和位置精度必须严格要求。而工件定位基准也必须具备足够的精度。当定位可能出现紧度时，其局部接触应力和工件结构上的变形，都必须在允许的范围内进行。而且装卸工件时的作用力应适当。

（2）通过夹具定位精度提升并选择合理的切削用量，装夹时注意作用力一致，能够加工出合格零件。

6 结束语

某型号涡轮机匣的试制现已取得了阶段性的进展，已经通过了客户的首件认证，并已拿到了批生产订单。为新机研制打下了基础，也为以后加工类似薄壁焊接件积累了经验。