一种航空发动机转子制造方法技术

一种航空发动机转子制造方法，包括叶盘摩擦焊接步骤和旋转消除残余应力步骤，在旋转消除残余应力步骤中，通过加载包括变速阶段和匀速阶段的梯形频谱来达到消除焊接残余应力的目的。本方法在多级焊接的叶盘制造过程中能够逐级消除焊接造成的残余应力，方法简单，有效避免了残余应力累计造成的变形和开裂等风险，提高了叶盘成品质量。提高了叶盘成品质量。提高了叶盘成品质量。

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机转子制造方法


[0001]本专利技术属于航空发动机领域，具体涉及一种航空发动机转子制造方法。

技术介绍

[0002]随着航空发动机技术的不断进步，发动机转子的结构日益复杂，对连接部位的性能要求越来越高，同时随着材料技术的进步，钛合金、镍合金等难焊合金越来越多的应用于航空发动机转子的制造中来，使得传统焊接工艺难以应用于发动机转子的制造。摩擦焊作为先进固态焊接工艺，以其极高的可靠性和节能、省材的优点，成为当前航空发动机转子制造的主流工艺。
[0003]摩擦焊属于固态焊接工艺，在进行焊接时通过待焊接面相互摩擦提供热量，同时对焊接面提供压力使焊接面接合在一起，这个过程中焊接接头位置材料发生剧烈的塑性变形，使焊缝组织中存在很高的残余应力。利用摩擦焊工艺制造的航空发动机转子，其焊缝组织中残余应力以周向残余应力为主，同时伴随一定的径向残余应力，在一些实例中周向残余应力数值接近材料的屈服强度，对航空发动机转子的疲劳性能和尺寸稳定性造成了很大隐患。
[0004]常规消除残余应力的方法是进行焊后热处理，但航空发动机转子结构复杂，往往由多级盘件经多次焊接组装而成，反复热处理会对盘件本体的长时性能产生不利影响。而对多级焊接后的转子进行统一的热处理，则常常因为前序焊缝的残余应力未能及时消除，多道焊接工序的残余应力累积，造成转子组件整体扭转变形，甚至在焊缝区域出现微裂纹。这对航空发动机转子的生产效率和产品质量产生了非常不利的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种航空发动机转子制造方法，目的在于，提供一种集成工艺，在不影响叶盘本体长时性能的前提下，对叶盘进行摩擦焊接并消除焊缝组织的残余应力。
[0006]一种航空发动机转子制造方法，包括叶盘摩擦焊接步骤，及旋转消除残余应力步骤。其中，所述旋转消除残余应力阶段转动载荷加载频谱为循环的梯形频谱，包括变速阶段和匀速阶段，变速阶段又分为加速阶段和减速阶段。旋转为叶盘焊接件提供外加的应力载荷，以及时消除焊缝组织的残余应力，避免反复多次热处理对叶盘长时性能产生不利影响，又避免多级焊接后统一热处理存在的残余应力累积隐患。
[0007]进一步地，所述旋转消除残余应力步骤，通过所述变速阶段消除周向残余应力，通过所述匀速阶段消除径向残余应力。
[0008]进一步地，所述转动载荷加载频谱的计算方法是：
[0009]S1.根据金属性能手册，确定加工温度下所述航空发动机转子金属材料的性能参数。S2.根据所述航空发动机转子尺寸和焊接参数进行模拟计算，确定焊接区域径向和周向残余应力的数值范围，及消除残余应力所需施加的外应力。S3.根据转子尺寸，计算径向等效应力能够消除径向残余应力时的转速。S4.根据转子尺寸，计算周向等效应力能够消除周
向残余应力时的角加速度。S5.根据S3和S4计算得到的数值以及模拟计算得到的残余应力数值分布，确定每个加载周期中所述变速阶段和所述匀速阶段的时间以及总加载时间。
[0010]作为可选，所述变速阶段包括用于消除周向残余应力的加速阶段和低角加速度的减速阶段。利用急加速产生的周向应力消除焊缝组织的周向残余应力，在匀速阶段后以较低的加速度完成减速。
[0011]作为可选，所述变速阶段包括低角加速度的加速阶段和用于消除周向残余应力的减速阶段。利用较低的加速度完成加速，在匀速阶段后进行急减速，利用减速产生的周向应力消除焊缝组织的周向残余应力。
[0012]作为优选，所述消除残余应力步骤的加工温度为200℃
‑
350℃。
[0013]作为优选，所述叶盘摩擦焊接步骤使用的工艺为惯性摩擦焊。
[0014]作为优选，所述惯性摩擦焊采用的焊接参数为，旋转端转速为300rpm
‑
600rpm，转动惯量为1000Kg
·
m2‑
5000Kg
·
m2，顶锻阶段压力为100MPa
‑
500MPa。
[0015]作为优选，所述旋转消除残余应力步骤在所述摩擦焊设备上完成，在完成摩擦焊接步骤之后能够立刻进行旋转消除残余应力步骤，无需进行换装，提高加工效率。
附图说明
[0016]图1为航空发动机转子制造方法所采用的设备结构示意图；
[0017]图2为航空发动机转子制造方法旋转消除残余应力步骤梯形频谱示意图，其中横轴表示时间，纵轴表示转速。
[0018]上述附图目的在于对本专利技术作出详细描述，使本领域技术人员能够准确理解本专利技术的技术构思，并不构成对本专利技术实施方式的具体限定。需要理解，为了便于描述，上述附图只对与本专利技术的技术特征相关的部分进行了示意性的描述，并未严格按照实际比例画出全部设备、零件和细节信息。
[0019]附图标记含义：
[0020]1‑
旋转端定位夹具；2
‑
旋转端轴承；3
‑
旋转端机身；4
‑
飞轮；5
‑
旋转端叶盘；6
‑
移动端叶盘；7
‑
移动端固定夹具；8
‑
移动端定位夹具；9
‑
移动端轴承；10
‑
移动端机身；11
‑
移动端顶杆；12
‑
移动端液压缸。
具体实施方式
[0021]本专利技术提供一种航空发动机转子的制造方法，采用如图1所示的设备，设备包括旋转端和移动端两部分。其中旋转端连接驱动电机，驱动电机连接旋转端定位夹具1，旋转端机身3上设置有旋转端轴承2，使旋转端定位夹具1能够在驱动电机带动下进行转动。旋转端定位夹具1上安装有飞轮4，在驱动电机启动后利用飞轮4的惯性储蓄旋转动能，旋转端叶盘5同轴安装在旋转端定位夹具1的末端。移动端包括移动端液压缸12，以及与之连接的移动端顶杆11，用于提供摩擦焊顶锻阶段和保压阶段所需的压力；移动端定位夹具8通过移动端轴承9安装在移动端机身10上，移动端叶盘6同轴安装在移动端定位夹具8的末端，其待焊接面与旋转端叶盘5的待焊接面相对布置；移动端固定夹具7夹持在移动端叶盘6的边沿，防止其在焊接过程中跟随旋转端叶盘5一起旋转。
[0022]在叶盘摩擦焊接步骤，首先进行预处理：按照图纸和工序要求对叶盘毛料进行热
处理，消除前序加工造成的残余应力；再对焊接面进行焊前粗加工，去除表面氧化皮，同时保留单边1.5mm
‑
3mm的焊接余量。
[0023]接下来进行惯性摩擦焊接。按图1所示安装旋转端叶盘5和移动端叶盘6，将其分别与旋转端定位夹具1、移动端定位夹具8锁紧，同时用移动端固定夹具7夹紧移动端叶盘6。启动驱动电机，带旋转端定位夹具1、飞轮4、旋转端叶盘5转动，在转速达到300rpm
‑
600rpm时，将驱动电机与旋转端定位夹具1脱开，使旋转端叶盘5在飞轮4惯性带动下自由旋转，此时转动惯量范围为1000Kg
·
m2‑
5000Kg
·...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机转子制造方法，包括叶盘摩擦焊接步骤，其特征在于，所述制造方法还包括旋转消除残余应力步骤，在所述旋转消除残余应力步骤中转动载荷加载频谱为循环的梯形频谱，所述梯形频谱包括变速阶段和匀速阶段。2.根据权利要求1所述的航空发动机转子制造方法，其特征在于，所述旋转消除残余应力步骤通过所述变速阶段消除所述周向残余应力，通过所述匀速阶段消除径向残余应力。3.根据权利要求2所述的航空发动机转子制造方法，其特征在于，所述转动载荷加载频谱的计算方法是：S1.根据金属性能手册，确定加工温度下所述航空发动机转子金属材料的性能参数；S2.根据所述航空发动机转子尺寸和焊接参数，进行模拟计算，确定焊接区域径向和周向残余应力的数值范围；S3.根据转子尺寸，计算径向等效应力能够消除径向残余应力时的转速；S4.根据转子尺寸，计算周向等效应力能够消除周向残余应力时的角加速度；S5.根据S3和S4计算得到的数值，和模拟计算所得到的残余应力数值分布，确定每个加载周期中所述变速阶段和所述匀速阶段的时间以及总加载时间。4.根据权利要求3所述的航空发动机转子...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩秀峰，廖仲祥，张露，张国栋，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：