复杂油管路铸件内腔多余物的预防和控制.pdf
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1、8912023年第7 期/第7 2 卷工艺技术FOUNDRY铸造复杂油管路铸件内腔多余物的预防和控制朱春雷1,朱小平2,3,仪凡4,吴海龙,郝圆亮,郑宗文,杨武强2(1.北京钢研高纳科技股份有限公司,北京10 0 0 8 1;2.河北钢研德凯科技有限公司,河北保定0 7 2 7 50;3.北京科技大学材料科学与工程学院,北京10 0 0 8 9;4.中国航发南方工业有限公司,湖南株洲412 313)摘要:针对熔模铸造和砂型铸造航空发动机复杂油路管路铸件的多余物,总结了内腔多余物的种类,分析了每种多余物的形成原因,评估了多余物的清理难度,并从铸件毛坏结构设计、工艺设计、工序设计、生产管理等方面提
2、出了多余物的全流程全面预防和控制策略。关键词:多余物;铸件;内腔;预防和控制;全流程作者简介:朱春雷(19 8 4-),男,博士,主要研究方向为轻质合金熔模精密铸造及砂型铸造工艺开发。电话:0312-3960700,E-mail:中图分类号:TG245文献标识码:B文章编号:10 0 1-49 7 7(2 0 2 3)07-0891-06基金项目:国家科技重大专项(J2019-VIII-0002-0163)。收稿日期:2022-04-30收到初稿,2022-08-06收到修订稿。航空航天发动机多余物的危害极为严重。例如,操纵系统中如果出现多余物,将造成操纵系统不到位甚至卡死;管路内部如果出现多
3、余物,会造成管路堵塞,油气流量降低,严重时油气供应中断,将导致系统压力过大造成管路破裂或附件爆炸;滑油系统的多余物不但会堵塞管路,使管路不能正常供油,而且多余物还会造成发动机成附件磨损严重,甚至会造成抱轴、烧坏发动机等故障。国内外均报道了多起因多余物诱发的航空航天发动机故障。因此,航空航天发动机对多余物是零容忍的,需要严格预防和控制。目前,先进航空航天发动机结构设计越来越复杂,集成化程度越来越高2-3,这给多余物的预防和控制带来很大的挑战。以航空用涡轴/涡浆发动机的进气机匣和附件传动机匣部件为例,通常都集成了供油、供气、供水、供线以及附带油箱等功能,这些油路、气路、水路都附着在部件上。这些复杂
4、油管路的机匣部件通常采用砂型铸造或熔模铸造工艺制造4-5。由于铸造工艺生产流程较长,在铸件生产、检验和加工过程中均可能产生多余物,也均需要控制和检测多余物,这给复杂供油管路铸件的多余物预防和控制增加了难度。本研究以铸造工艺制备的复杂油管路机匣铸件为对象,分析复杂油管路铸件内腔多余物的类别、产生原因,评估其清理难度,并提出多余物全流程预防和控制策略,为航空航天用复杂油管路铸件的多余物控制提供参考。1多余物的定义及分类按照GB/T40539一2 0 2 1航天器多余物预防和控制要求,多余物是产品中存在的由外部进入或内部产生的与产品规定状态不符的物质。文献1 指出,多余物是指产品在生产过程中,因机械
5、加工、装配等工作残留在组合金、部件和整机(包括附件、成件)中的一切与产品设计图样、技术条件规定无关的物品。文献7 指出,多余物指粘附和残留在航空发动机零组件上一切不需要的多余物质,特别是内部油路的多余物。本文研究对象为采用砂型铸造或熔模铸造制备的复杂油管路铸件,其多余物主要出现的位置为复杂型腔或油管路内表面。按照GB/T40539一2 0 2 1,复杂油管路铸件的多余物可分为内生多余物和外来多余物。按照材质,又可分为金属多余物和非金属多余物,其中金属多余物主要包括铸瘤、飞边、残留金属芯骨,非金属多余物主要包括残留陶芯、残留砂芯、残留沙粒、残留锈斑、加工屑末等。按照多余物是否可移动,可分为固定多
6、余物和移动多余物。此外,焊瘤也是复杂油管路Vol.72No.72023892工艺技术铸造FOUNDRY铸件常见的一种多余物,主要形成于工艺孔或缺陷补焊过程中,难以界定是内生还是外来的,但这种多余物属于固定的多余物。结合上述分类,本研究的复杂油管路铸件的多余物主要分类见表1。表1复杂油管路铸件内腔多余物分类Table 1 Types of inner reminders in castings with complicated pipelines多余物种类来源材质是否可动形成工序清理难度清理检查铸瘤固定浇注难补焊前补焊前劈缝和飞边内生金属固定浇注中补焊前补焊前残留金属芯骨固定/移动浇注中补焊前补
7、焊前残留陶芯固定清壳/清砂中补焊前补焊前残留砂芯固定清壳/清砂中补焊前补焊前外来非金属残留沙粒或钢丸移动喷砂、抛丸难终检前终检前加工屑末移动机械加工难终检前终检前超标焊瘤金属固定补焊难热处理前热处理前2多余物的形成原因理论上,生产过程的任一环节均可能产生或引入多余物7 。为有效预防和控制复杂油管路铸件内腔和管路的多余物,本研究逐一分析每种多余物的形成原因,以为多余物的全流程防控提供参考。(1)铸瘤。铸瘤是附着在铸件内腔或管路上一种固定的金属多余物。铸瘤形成的原因与铸造工艺密切相关。对于熔模铸造工艺,复杂油管路铸件的内腔和管路通常采用陶瓷型芯来实现。若陶芯表皮含有气泡,在浇注过程中,高温金属熔体
8、接触到陶芯时,陶芯内部的气泡受热膨胀,瞬间产生的气压冲破陶芯表皮,金属熔体将进入陶芯内部,待凝固完全后形成金属铸瘤,金属铸瘤尺寸可大可小,与陶芯内的气泡直接相关。此外,对于焙烧不充分或者后续引入水分的陶芯,在高温金属液的热冲击下,陶芯表面也可能形成分散的小空洞,在铸造之后也可能形成尺度相对较小的铸瘤。对于石膏型铸造,在石膏料浆灌注过程中,若料浆中气泡较多,待料浆充型到内腔或管路时,如果内腔和管路没有足够的排气孔,这些气泡在石膏凝固后将保留在石膏型中,尽管后续的高温焙烧(对于铝合金、镁合金铸件,焙烧温度通常超过7 0 0)可以排除这些气泡,但留下在表面的空洞或者表皮的空洞,在金属充型和凝固后均可
9、能形成金属铸瘤。对于砂型铸造,其形成原因与熔模铸造的陶芯和石膏型的陶芯类似,但由于砂型只能进行150 左右的烘烤,砂型内水分更多,浇注过程中发气量更大,如果排气通道设置不合理,在内腔和管路内极易形成金属铸瘤)。由此可见,金属铸瘤类多余物主要形成于浇注过程,但与制芯过程密切相关,主要由陶芯或砂型含有气泡或水分所致。(2)劈缝和飞边。劈缝和飞边是一种金属多余物,通常形成于砂型或陶芯的分型面位置。如果组型过程中,砂型或陶芯尺寸控制不精确,不同砂型或陶芯之间留有间隙,在浇注过程中金属液流入间隙则形成劈缝或飞边。此外,劈缝和飞边的形成还与陶芯有关。如果陶芯强度不够或者结构设计不合理,熔模铸造和石膏型铸造
10、陶芯在型壳焙烧过程中,由于陶芯与型壳、石膏材质不同,高温焙烧过程中易因膨胀系数不匹配而出现陶芯断裂,在浇注过程中,金属液进入断裂缝隙,进而形成飞边。由此可见,劈缝和飞边主要形成于浇注过程中,但与分型面设计以及陶芯设计密切相关。(3)残留金属芯骨。复杂油管路铸件的内腔或管路,均需采用陶芯或型芯制备。对于一些薄壁的、直径较小(6 mm以下)、长度较长的型芯,为保证型芯的强度和韧性,通常在制芯过程中埋入金属丝作为芯骨。但对于这些薄壁陶型芯,如果制芯控制不好,芯骨容易偏心而靠近表面,浇注过程中,高温金属液冲击型芯,易出现芯骨漏出,严重时出现移位,在金属液凝固后芯骨进入金属中。在后续清理型砂或陶芯后,金
11、属中的芯骨很难清理,从而形成残留金属芯骨多余物。因此,残留金属芯骨形成于浇注过程中,但与制芯过程密切相关。(4)残留陶芯。残留陶芯是一种非金属的多余物,这在采用陶芯的熔模铸造和石膏型铸造铸件中尤为普遍。残留陶芯主要形成于复杂型腔或管路的一些很难清理到的盲孔位置。形成原因有两方面,首先是工艺窗口或工艺孔设计不合理,在陶芯清理时,高压水或喷砂均很难到达这些盲孔位置,进而形成残留陶芯;另外一方面,陶芯强度很高,通过物理冲击或化学溶解等方面也很难清理,由于铝合金和镁合金铸件所需的陶芯强度较低,因而这种现象在铝合金、镁合8932023年第7 期/第7 2 卷工艺技术FOUNDRY铸造金铸件并不常见,但陶
12、芯强度较高的高温合金铸件,例如含有气流通道的单晶叶片,残留陶芯的现象相对常见。可见,残留陶芯多余物主要形成陶芯清理过程中,但与工艺孔设计和陶芯选材有直接关系。(5)残留砂芯。残留砂芯是一种非金属多余物,主要出现砂型铸造铸件中。对于部分长度较长,尤其是出现盲孔的内腔和管路,如果工艺孔位置设计不合理,高压水很难清理砂型;对于部分结合力较强的残留砂型,如果缺少必要的工艺孔,即使后续采用钻头等工具也很难清理。因此,残留砂芯主要形成于砂型清理过程中,但与砂型工艺设计密切相关。(6)残留砂粒或钢丸。本文所述的残留砂粒或钢丸,主要指喷砂或抛丸残留的,这是一类既可固定也可移动的非金属多余物,主要形成于喷砂过程
13、,也是最容易被忽略的一种多余物。尽管形成过程很简单,但涉及的工序较多,清理难度较大。例如,通常需进行一次喷砂,对于管路结构较复杂的铸件,喷砂后若不能完全吹砂刚玉砂,铸件在荧光渗透检验过程中,荧光液或清洗剂会将砂粒沾到金属表面,在后续热处理过程中,残留的荧光液会与金属表面发生反应,增加了沙粒与表面结合力,使得本是移动的多余物变成了固定的多余物,增加了清理难度。这种现象在铝合金和镁合金铸件的浸渗或者熔液氧化过程中也会形成。(7)加工屑末。这是在加工过程中残留在内腔或管路的金属多余物。加工过程中掉入内腔和管路的金属屑未,在切割液的粘附作用下,具有一定的结合力,考虑到铸件在加工前通常均已完成了工艺窗口
14、或者工艺孔的补焊,这时再清理金属屑末,难度极大。因此,加工屑末形成于加工过程,但清理难度极大,(8)焊瘤。焊瘤是缺陷和工艺孔补焊过程中形成的一种金属多余物。按照焊接标准要求,工艺孔补焊是允许一定量的下塌。但对于流动性较好的铝合金和镁合金熔体,下塌量可能超过管路截面的1/3,严重时堵塞整个管路。对于敬开的内腔或直径较大的、结构较简单的直管路,可以采用笔磨等工具打磨下塌焊瘤,但对于管路直径较小的、结构复杂的管路,无法通过笔磨打磨下塌焊瘤,因此,这种焊瘤多余物的处理难度极大。可见,焊瘤形成补焊过程,但清理难度极大。3多余物的清理难度分析鉴于多余物的危害性,铸件内腔的多余物是必须清理干净的。每种多余物
15、的清理方法不同,多余物的清理难度也各有不同。(1)铸瘤。铸瘤多余物与金属铸件结合面积较大,属于铸件本体的一部分,只能通过合金磨头打磨去除。铸瘤的产生位置通常是随机的,对于复杂油管路铸件,如果铸瘤的位置远离工艺孔,由于牵引合金磨头的导杆通常不能拐弯,磨头很难达到铸瘤的部位,而且由于受到管路结构的限制,即使磨头可以接触到铸瘤,但由于磨头不能定位,旋转磨头打磨时很容易打磨到没有铸瘤的部位,使得无铸瘤区壁厚减薄,而铸瘤区很难被打磨到。目前,专利12-13 报道了一种柔性铣刀打磨技术,通过柔性弹簧形成柔性刀杆,并牵引铣刀去打磨管路铸瘤,但这种技术尚处于保密和试验阶段,尚未实现工业化生产。可见,金属铸瘤的
16、清理难度极大。(2)劈缝和飞边。相对于金属铸瘤,由于与金属铸件本体结合面积相对较小,且劈缝和飞边通常壁厚较薄,这类多余物的清理难度相对较低,但清理之后,容易出现飞边残根。结合零件设计原理,如果飞边残根高度较小(1mm以内),且残根不会脱落,考虑到较低的残根对管路流量影响不大,这类残根通常可以超差接收。因此,劈缝和飞边的清理难度相对较低。(3)残留金属芯骨。残留金属芯骨通常嵌入到铸件本体内部,如果不破坏铸件本体,残留芯骨是无法清理的。因而,这类多余物的清理难度也极大。(4)残留陶芯和残留砂芯。对于铸件而言,残留陶芯和残留砂芯,均属于非金属多余物,这类多余物在航空发动机部件中是不允许存在的。考虑到
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