金秀杰+梁巧云+蔺治强
摘 要：某型机叶片组件采用了新型结构，在叶片大端轴颈上装配了内衬套、外衬套及摇臂。内衬套与轴颈采用了小间隙小过盈配合的装配形式。对于这种叶片装配形式还是首次，没有经验可以借鉴，研制中造成了叶片和衬套的报废。文章针对某型机整流叶片轴颈与内衬套在装配中的问题，开展了工艺攻关，经多种方法的试验，提出了装配的有效措施，避免了叶片和衬套的报废损失，满足了设计要求状态，为新结构的叶片组件顺利研制提供了技术保障。
关键词：叶片轴颈；衬套；过盈装配
中图分类号：TK44 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0069-02
引言
整流叶片是通过叶片缘板安装部位或轴颈装配在发动机的机匣中，为压气机转子叶片提供确定方向、流量的稳定压缩空气，使压气机转子叶片得到稳定的工作条件，为燃烧室提供稳定的高压、温度空气，促使其能够正常工作。为了调整整流叶片的角度，采用了在叶片轴颈上装配内衬套、外衬套及摇臂机构。但由于内衬套与轴颈采用了过盈配合的装配形式，对于这种叶片装配形式还是首次，没有经验可以借鉴，在研制装配中造成了大量叶片和衬套的报废。因此针对该问题，开展了工艺技术攻关，保证产品质量，提高一次装配合格率。
1 叶片和衬套的结构及材料特点
某发动机整流叶片，由上下轴颈和叶身型面三个部分组成，大端轴颈长径比可达4.5，且尺寸及形状公差要求严格，叶型截面厚度的最大值为1.4左右，叶片型面总长50左右，如图1所示。叶片组件大端轴颈装配内衬套、外衬套、摇臂，如图2、图3所示。该叶片采用了钛合金，属难加工材料，此材料是一种典型的α+β型两项合金，是当前最常用的叶片合金。其材料特点是比强度高，具有较好的热强性和低温韧性，优良的耐腐蚀性能，但因其弹性模量小，也具有变形不易消除的特性。内衬套采用了马氏体不锈钢材料，经淬火回火后具有较高的硬度和耐磨性，常用于制造在腐蚀环境下的耐磨零件。其热性能为：熔化温度范围 1377～1510℃；热导率 λ（20℃）=29.3W/（m.℃）；线膨胀系数（20～200℃）α=11.0 10-6/℃；相变温度：Ar1=740℃[1]。
2 问题来源
如图2所示，轴颈与内衬套配合为间隙0.011～过盈0.013，由于这种叶片结构刚性较弱，装配间隙小，衬套装不正，导致衬套装不到底或卡到轴颈上端，并且会将叶片轴颈划伤，造成叶片和衬套报废。针对该项问题，开展了多种方法的工艺试验。
3 工艺试验及原因分析
叶片毛料为模锻件，按照典型结构零件的常规装配流程工艺，首先是要将叶片单件按设计要求尺寸全部加工完成，最终再进行衬套的装配。
3.1 工艺试验
（1）直接装配法：叶片轴颈尺寸与衬套尺寸按照极限尺寸计算，可有0.011的间隙至0.013的过盈。将安装板内侧进行支撑，将衬套放在叶片轴颈端面，用木锤敲击衬套端面，其结果基本是卡在轴颈上端。考虑靠人进行敲击，敲击力大小及力的均衡性不能控制，又在小型压力机上进行装配试验，但由于衬套与叶片轴颈靠手工对正，因此这种方法也未顺利完成，衬套卡在轴颈上端。（2）衬套加热法：衬套为不锈钢材料，经查阅其材料性能，对其进行加热至200℃，不会影响其材料性能。因此，对衬套进行了加热装配试验。将衬套放入200℃烘干箱中，保温2～3分钟，用工具快速取出对准轴颈，并用木锤敲击衬套端面，由于衬套与叶片轴颈不能完全对正，因此这种方法也未顺利完成，衬套卡在轴颈上端。（3）叶片冷却、衬套加热法：利用材料热涨冷缩的原理，对叶片轴颈采用了液氮冷却、衬套用大功率电吹风进行加热处理，进行了装配试验，其试验结果也是将衬套卡在轴颈上端。
3.2 原因分析
针对上述多种试验结果分析，衬套不能顺利装配到叶片轴颈的主要原因有两项。
3.2.1 轴颈尺寸精度对装配的影响。由于轴颈尺寸公差较小，在加工两端轴颈时，采用两端中心孔定位压紧，由于叶身型面已加工完，刚性较弱，在两端顶尖顶紧后，叶片产生弯曲变形现象，造成车磨加工后轴颈椭圆，其变形量直接影响装配。
3.2.2 专用装配夹具对装配的影响。从上述多种试验结果分析，衬套不能顺利安装，其主要原因是手工将叶片和衬套进行装配的方法，不能保证轴颈中心与衬套中心的准确对正。
4 采取的工艺措施
针对上述装配的影响因素，主要采取了相应的改进措施。
4.1 工艺路线的优化
以减少叶片变形、保证轴颈尺寸及形状精度为目标，分析其影响变形的主要原因如下：定位装夹方式对加工变形的影响、残余应力对加工变形的影响、切削力对弯曲变形的影响。
根据所分析的主要原因，针对性的采取技术措施，完善叶片加工夹具结构，合理规划叶片加工工艺路线和工序安排，对叶片单件和组件原工艺路线进行了优化，并优化加工切削参数。
叶片单件工艺：将叶身型面数控铣工序分为粗、精铣两道工序加工，通过控制切削量来降低数控铣型面的加工变形；同时在其中间增加去应力热处理工序，消除一部分加工应力，可减少后续的加工变形量；增加热处理后叶片的大小轴颈磨削加工工序，通过控制两端轴颈的同轴度来有效控制叶片加工弯曲变形量；增加浇注低熔点合金工序，提高叶片刚性，保证后续轴颈加工的尺寸精度；取消了两端轴颈的切断工序，增加了磨削引导轴颈工序，如图4所示。
叶片组件工艺：在原工艺的基础上，细化了装配工序操作及要求，并在组件中增加了两端轴颈的切断工序，如图5所示。
4.2 装配夹具设计
为了保证叶片轴颈和衬套中心对正，并能采用平稳的压力将衬套压到轴颈底部，满足设计要求，设计了专用夹具，结构见图6所示。
4.3 工序要求细化
按照工艺试验的结果，对工艺规程的操作步骤、技术条件进行细化要求。
操作步骤：（1）装配前，检查叶片大端安装板外侧，保证装配表面无任何污物、因加工时材料变形产生的凸起及毛刺。（2）装配前，将叶片与内衬套进行试装配，保证内衬套能够顺利进入叶片的引导部分，对于不合格叶片允许返修叶片引导轴。（3）装配过程中，将内衬套放入烘干箱内加热至300℃左右时将辅助套放入烘干箱内与内衬套共同保温5min，将内衬套及辅助套在烘干箱内装配好后，迅速将其取出，与装夹在夹具上的叶片装配，并迅速摇动棘轮扳手，将内衬套与叶片轴颈装配完好，保证内衬套与叶片压紧到位。
5 措施效果验证
将技术措施应用到叶片研制中，大端轴颈与内衬套装配合格率达到了98%以上。
通过上述改进措施的验证和实施，我们掌握了弱刚性叶片轴颈与衬套的小间隙或小过盈的装配方法，积累了一定的技术经验，同时为其他结构相近的叶片装配得到了一定的技术基础及借鉴作用。
参考文献：
[1]夏恭忱，石玉珍.中国航空材料手册[Z].1988，9：705.
