中介機(jī)匣曲面流道尺寸符合性的新型耦合設(shè)計(jì)方法

■ 史成龍 錢巍 郄喜望 南海 / 中國航發(fā)航材院

為滿足中介機(jī)匣的設(shè)計(jì)和使用要求，同時(shí)提高產(chǎn)品合格率、縮短研制周期，傳統(tǒng)的曲面流道尺寸符合性設(shè)計(jì)方法已力有未逮，融合仿真模擬、數(shù)字化采集、智能化分析和多變量精確應(yīng)用的新型耦合設(shè)計(jì)方法成為了攻克難題的關(guān)鍵技術(shù)。

鈦合金中介機(jī)匣位于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中段，連接高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)件。作為發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框架，鈦合金中介機(jī)匣除了承受發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量、振動(dòng)和機(jī)動(dòng)過載外，還起著對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣流分流的作用，如圖1所示。中介機(jī)匣曲面流道尺寸的偏差會(huì)直接影響內(nèi)外涵道的氣流量，進(jìn)而影響涵道比，而涵道比的偏差最終會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大小。因此，中介機(jī)匣曲面流道尺寸作為關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)，對(duì)流道輪廓度和粗糙度均提出了非常高的要求。

近年來，熔模精密鑄造鈦合金ZTC4以其近凈成形（指僅需少量加工或不再加工，就可用作機(jī)械構(gòu)件的零件成形技術(shù)）優(yōu)勢和優(yōu)異的綜合性能，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熔模精密鈦合金技術(shù)日趨成熟，對(duì)鈦合金鑄件也提出了尺寸100%符合設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)。但對(duì)于中介機(jī)匣實(shí)現(xiàn)尺寸100%符合設(shè)計(jì)的要求，采用傳統(tǒng)方法存在難度大且成本過高的弊端。在此背景下，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出一種新型耦合設(shè)計(jì)方法，來降低中介機(jī)匣的研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制時(shí)間和降低成本。

圖1 中介機(jī)匣內(nèi)涵流道和外涵流道示意

尺寸符合性關(guān)鍵因素分析

在制造中，對(duì)尺寸產(chǎn)生影響的因素主要包括模具、澆注系統(tǒng)、冷熱變形等。其中，澆注系統(tǒng)可以通過模擬和調(diào)整設(shè)計(jì)方案來降低影響，冷熱變形可以通過校型降低影響，但模具對(duì)鑄件尺寸的影響卻很難通過以上的措施來降低，因?yàn)閮?yōu)化工藝及決定鑄件尺寸的主要因素是蠟?zāi)３叽?，以及鑄件澆鑄成形過程中自由收縮率和結(jié)構(gòu)受阻收縮率。這兩種收縮率在澆鑄過程中較難實(shí)現(xiàn)有效的控制，尤其是對(duì)鈦合金鑄造來說，傳統(tǒng)意義上的局部加冷鐵等方法改變收縮率的效果不佳，所以需要建立尺寸的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，調(diào)整不符合圖紙要求的模具尺寸，來滿足鑄件尺寸要求并完成產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)。

針對(duì)上述關(guān)鍵影響因素，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首先從鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)中介機(jī)匣的熔模精密鑄造研制全流程（如圖2所示）開始分析，整理出所涉及的幾十個(gè)工序，每個(gè)工序包含的操作過程擴(kuò)展為5 ～10個(gè)步驟。從眾多的流程步驟中按照對(duì)曲面流道輪廓產(chǎn)生影響的大小程度分析排序，進(jìn)而梳理出對(duì)曲面流道輪廓影響最為重大的5個(gè)工序，包括模具設(shè)計(jì)與制造、蠟?zāi)Ｖ苽洹⑿蜌ぶ苽?、熔煉澆注和冷熱加工等，如圖2中紅框所示。

圖2 鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)匣研制主要流程

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)把對(duì)曲面流道輪廓尺寸影響最大的5個(gè)工序單獨(dú)列出，并借助“魚骨分析法”梳理出各工序影響曲面流道輪廓的數(shù)十項(xiàng)細(xì)節(jié)因素（如圖3所示），并總結(jié)出3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)匣模具內(nèi)腔模型設(shè)計(jì)技術(shù)、異形薄壁機(jī)匣曲面流道輪廓尺寸形狀控制（全輪廓度1mm）和大尺寸大質(zhì)量機(jī)匣流道表面完整性控制技術(shù)（粗糙度≤1.6μm）。由圖3可以看出，每個(gè)工序中對(duì)曲面流道輪廓尺寸的影響因素很多，同時(shí)這些影響因素所涉及的專業(yè)和領(lǐng)域眾多，而且不同工序的因素存在相互影響甚至交錯(cuò)影響。例如，設(shè)備問題、車間溫度、車間濕度、爐內(nèi)真空度等屬于裝備類因素；出模人員因素、型殼磕碰破損、澆注人為因素等屬于人為因素；模具設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、工藝設(shè)計(jì)不合理、熱工藝設(shè)計(jì)不合理等為設(shè)計(jì)因素。

圖3 影響因素魚骨圖分析

尺寸符合性設(shè)計(jì)總體思路與實(shí)踐

針對(duì)上述影響因素和關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首先借助鈦合金熔模精密鑄造平臺(tái)的自動(dòng)化水平的提升，包括不斷提升型殼制備、復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷數(shù)字化檢測、熒光檢測、模具結(jié)構(gòu)自動(dòng)化和機(jī)器人自動(dòng)打磨設(shè)備的自動(dòng)化水平，處理了圖3中的36個(gè)影響因素；其次充分利用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)對(duì)正向設(shè)計(jì)的促進(jìn)作用，通過蠟?zāi)３湫湍M、金屬液充型模擬、缺陷模擬等技術(shù)處理了圖3中的10個(gè)因素；然后對(duì)剩余的因素采用具體問題具體分析解決的方案處理了其中的12個(gè)因素；最后還剩以上方案均無法處理的5個(gè)因素，包括蠟?zāi)：丸T件的冷卻受阻收縮和自由收縮，以及鑄件熱自由收縮等。針對(duì)最后5個(gè)因素，團(tuán)隊(duì)調(diào)整思路，將這5個(gè)因素看成固定規(guī)律，由此找出中間隱藏的一致規(guī)律性，繼而依據(jù)收縮規(guī)律將整個(gè)流道的變化按物理特性分為兩個(gè)獨(dú)立且可定量評(píng)價(jià)的部分，將這些數(shù)據(jù)規(guī)律收入數(shù)據(jù)庫中。隨著數(shù)據(jù)的豐富，可以用整體收縮率來設(shè)計(jì)新機(jī)匣的模具內(nèi)腔模型，用分階段收縮率制作合格蠟?zāi)ＤＰ?，用以?yàn)收模具蠟?zāi)；蜉敵?D打印快速成形蠟?zāi)５闹谱饕蟆?/p>

此外，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在實(shí)踐中還引入了藍(lán)光非接觸數(shù)字化檢測設(shè)備及分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于研制全流程的數(shù)據(jù)收集和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱藏在表面現(xiàn)象背后規(guī)律的梳理、驗(yàn)證和推廣。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過對(duì)1000多萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的自動(dòng)采集和智能化處理，實(shí)現(xiàn)了高效輸出偏差數(shù)據(jù)的目標(biāo)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的梳理發(fā)現(xiàn)，單一參數(shù)設(shè)計(jì)理念無法滿足三環(huán)曲面流道輪廓的設(shè)計(jì)要求，只有多參數(shù)耦合設(shè)計(jì)才能突破目前曲面流道輪廓偏差大的技術(shù)瓶頸。

圖4 中介機(jī)匣實(shí)際掃描數(shù)據(jù)示例

設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證

通過本項(xiàng)目的實(shí)施，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將中介機(jī)匣的三環(huán)流道輪廓偏差由3mm波動(dòng)范圍控制到了1mm的范圍內(nèi)（如圖4所示），并且提供了良好的原始流道基底。經(jīng)過表面處理后，流道粗糙度實(shí)現(xiàn)了小于1.6μm的目標(biāo)，同時(shí)減少了大量的流道補(bǔ)焊、打磨等返工過程，周期縮短了1/3。經(jīng)過進(jìn)一步的分析還發(fā)現(xiàn)，借助數(shù)據(jù)庫中分階段收縮率制作的合格蠟?zāi)ＤＰ涂梢园褜?duì)鑄件曲面流道合格與否的判斷結(jié)果提前到對(duì)蠟?zāi)Ａ鞯篮细衽c否的判斷上，將判斷里程碑提前了30天。此外，根據(jù)蠟?zāi)Ａ鞯垒喞顢?shù)值可以及時(shí)報(bào)廢不合格的蠟?zāi)?，成本降低?0%，成品率也得到提升。

本項(xiàng)目的方法目前已經(jīng)在國內(nèi)所有型號(hào)的中介機(jī)匣上得到應(yīng)用，并應(yīng)用在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)上。此外，團(tuán)隊(duì)與GE航空集團(tuán)、羅羅公司和俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)制造集團(tuán)（UEC）開展了關(guān)于新一代發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣的研制合作，并將本方法應(yīng)用到新一代GE9X、PD-35和羅羅公司的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的研制中。

結(jié)束語

基于仿真模擬與數(shù)字智能化全流程尺寸檢測，創(chuàng)新性地建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件曲面流道尺寸符合性耦合設(shè)計(jì)方法，使流道輪廓尺寸波動(dòng)范圍由3mm縮小到1mm的范圍，極大地縮短了研制周期，并且降低了鑄件報(bào)廢率，近凈成形能力大幅提升。此外，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步制訂了項(xiàng)目的后續(xù)目標(biāo)：隨著所收集數(shù)據(jù)的增多，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫資源的不斷豐富，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬收縮率數(shù)值的補(bǔ)充，最終形成一個(gè)足夠豐富連續(xù)的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，當(dāng)有新機(jī)匣的研制任務(wù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在智能分析后輸出新機(jī)匣的曲面流道設(shè)計(jì)參數(shù)。