航空發動機鋁合金機匣的製造方法

2023-07-03 23:44:06

專利名稱：航空發動機鋁合金機匣的製造方法
技術領域：
本發明涉及ー種具有複雜油路的航空鋁合金鑄件的製造方法，尤其是ー種具有複雜油路的航空發動機鋁合金機匣的鑄造以及表面處理方法。
背景技術：
機匣(case)是航空發動機的重要組成部分，不同種類的航空發動機具有不同形狀和結構的機匣，例如渦扇發動機圍繞風扇的風扇機匣，渦輪噴氣式發動機圍繞渦輪的渦輪機匣等等。無論是哪種機匣，其通常具有尺寸較大、壁薄且結構複雜的特點。例如，CN102091757 A中描述了ー些機匣的特點，並提出了適用於機匣類零件的整體機匣的鋳造方
法。 然而，實際上機匣類零件中通常還包括複雜的油路結構，這些油路結構通常是在鑄造過程中直接形成於鑄件中的。例如，對於鋁合金機匣來說，由於鋁合金等輕質材料在澆注過程中容易產生夾雜和縮松(孔)缺陷，因此鑄件中的複雜油路很容易漏油，影響到鑄件的合格率，因而機匣的可靠性低，生產成本也較高。對於鑄件中複雜油路的形成，在內燃機領域業已形成有ー種嵌鑄エ藝，例如，US7387102 B2中公開了ー種帶有油路的內燃機曲軸箱的鑄造過程，在該文獻中，曲軸箱中的油路是通過預先彎制連接形成的管道埋入澆注的鋼水中形成的。該文獻中描述的嵌鋳工藝對於本發明的航空發動機機匣類零件的製造來說屬於完全不同的技術領域，首先，該文獻中涉及的是內燃機曲軸箱，而本發明涉及的是航空發動機鋁合金機匣，其次，該文獻中涉及的是鋼鐵類材料的鋳造，不會出現本發明的鋁合金等輕質材料鋳造所存在的缺陷，或者即便鋼鐵類材料的鋳造存在類似的問題，但是由於內燃機的工作環境沒有航空發動機那麼惡劣，對於這些缺陷的要求不會如本發明的航空發動機鋁合金機匣的要求那麼高，因此，該文獻中所描述的エ藝僅僅只能作為ー種參考，其應用於本發明的航空發動機鋁合金機匣的製造，尚需進行ー些具備創造性的改造，方可將該不同技術領域的エ藝應用於本發明。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供ー種航空發動機鋁合金機匣的製造方法，以減少或避免前面所提到的問題。具體來說，本發明提供了ー種航空發動機鋁合金機匣的製造方法，其中，所述航空發動機鋁合金機匣中具有多條冷卻和潤滑油路，所述油路由預先彎制連接形成的管道理入澆注的鋁合金液中形成，所述油路在航空發動機鋁合金機匣的表面陽極化處理過程中不會對鋁合金機匣造成不利的影響。為解決上述技術問題，本發明提出了ー種航空發動機鋁合金機匣的製造方法，其中，所述航空發動機鋁合金機匣中具有多條油路，所述方法包括如下步驟(A)根據所述航空發動機鋁合金機匣中所述油路的形狀將鈦合金管分段彎製成油路構件，然後將所述油路構件在焊接夾具上焊接成油路管道；(B)根據所述油路的壓力要求對所述油路管道進行壓カ檢驗；(C)將檢驗合格的所述油路管道的所有開ロ用堵片焊接密封，防止澆注過程中鋁合金液進入所述油路管道內；(D)在所述油路管道上焊接定位杆並定位於鑄造型腔中；然後向所述鑄造型腔中澆注熔融的鋁合金液，冷卻後獲得機匣毛坯件；(E)對所述機匣毛坯件進行機械加工處理，並通過機械加工使所述油路管道的所有開ロ貫通，形成進、出油ロ ；(F)最後對所述航空發動機鋁合金機匣表面進行硫酸陽極化處理，得到符合設計要求的所述航空發動機鋁合金機匣。
優選地，構成所述航空發動機鋁合金機匣的鋁合金在25°C下15% 20%的硫酸溶液中的電極電位大於等於-I. 67，小於等於-I. 65 ;構成所述鈦合金管的鈦合金在25°C下15% 20%的硫酸溶液中的電極電位大於等於-I. 64,小於等於-I. 61。優選地，構成所述鈦合金管的鈦合金可選擇包含如下重量份的組分鐵0. 3 ;碳
0.08 ;氧0. 25 ;氮0. 03 ;氫0.015 ;鈦99. 325 ;優選地，步驟C中，所述堵片與所述油路管道材質相同。或者，優選地，構成所述鈦合金管的鈦合金可選擇包含如下重量份的組分鋁
5.0 ;鐵0. 3 ;碳0. 08 ;氧0. 15 ;氮0. 05 ;氫0. 015 ;鈦94. 405 ;優選地，步驟D中，所述定位杆與所述油路管道材質基本相同。優選地，構成所述航空發動機鋁合金機匣的鋁合金可選擇包含如下重量份的組分矽 4. 5 5. 5 ;銅:1. (Tl. 5 ;鎂 0. 4 0. 6 ;鐵彡 I. 0 ;鋁 93. I 91. 4。或者，優選地，構成所述航空發動機鋁合金機匣的鋁合金可選擇包含如下重量份的組分矽 6. 5 7. 5 ;鎂 0. 4 0. 6 ;鈦:0. I 0. 2 ;鈹:0. 04 0. 07 ;鋁 92. 96 91. 63。本發明提供的航空發動機鋁合金機匣的製造方法，既避免了不鏽鋼管嵌鋳工藝帶來的鑄件增重和不能硫酸陽極化處理的不足，又避免了銅管嵌鑄腐蝕エ藝耗時、耗材的不足。可應用於鑄有複雜油路的、具有表面硫酸陽極化要求的航空發動機鋁合金機匣的製造。


以下附圖僅g在於對本發明做示意性說明和解釋，並不限定本發明的範圍。其中，圖I顯示的是根據本發明的航空發動機鋁合金機匣的製造方法的ー個具體實施例中油路管道的結構示意圖。
具體實施例方式為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照

本發明的具體實施方式
。其中，相同的部件採用相同的標號。本發明涉及ー種具有複雜油路的航空鋁合金鑄件的製造方法，尤其是ー種具有複雜油路的航空發動機鋁合金機匣的鑄造以及表面處理方法。如本發明的背景技術部分所述，機匣為航空發動機的重要部件，本發明的製造方法適用於任何一種以鑄造形式形成的鋁合金材質的航空發動機機匣，該機匣具有多條冷卻和潤滑油路，其可以是風扇機匣，渦輪機匣等整體鋁合金鑄件或構成上述類別的機匣的、具有複雜油路的其中任意ー個部分的鋁合金鑄件。本領域技術人員應當明了，本發明的製造方法特別強調所適用的技術領域為航空發動機的鋁合金機匣，該機匣由鋁合金材料鋳造形成，其具有複雜的油路，並具有通常機匣所具備的尺寸較大、壁薄且結構複雜的特點，並且由於航空發動機的工作環境的特殊性，使得本發明的製造方法具備適用於本發明特殊的技術領域的唯一性和創造性，從而使得其它技術領域的鋳造技術難以直接應用於本發明。特別的，在具體實施例中，構成所述航空發動機鋁合金機匣的鋁合金可選擇包含如下重量份的組分矽4. 5^5. 5 ;銅1. (Tl. 5 ;鎂0. 4^0. 6 ;鐵彡I. 0 ;鋁93. f 91. 4。或者，在另ー個具體實施例中，構成所述航空發動機鋁合金機匣的鋁合金可選擇包含如下重量份的組分矽 6. 5 7. 5 ;鎂 0. 4 0. 6 ;鈦:0. I 0. 2 ;鈹:0. 04 0. 07 ;鋁 92. 96 91. 63。進ー步的，本發明的航空發動機鋁合金機匣的製造方法中，為了在鑄造鋁合金機匣的過程中能夠形成複雜的油路，避免通常尺寸較大、壁薄且結構複雜的鋁合金機匣在澆注過程中所形成的夾雜和縮松(孔)缺陷，本發明採用了油路嵌鑄エ藝。
也就是說，如圖I所示，本發明的製造方法中，首先根據航空發動機鋁合金機匣中油路的形狀將鈦合金管分段彎製成油路構件I，然後將所述油路構件I在焊接夾具上焊接成油路管道10。圖I中顯示的是根據本發明的航空發動機鋁合金機匣的製造方法的ー個具體實施例中油路管道的結構示意圖。本領域技術人員應該明了，航空發動機鋁合金機匣中的油路可能有很多條，因此焊接成的油路管道10可以是一條，如圖I所示，也可以焊接形成很多條不同的油路管道10。特別的，在ー個具體實施例中，構成所述鈦合金管的鈦合金包含如下重量份的組分:鐵0. 3 ;碳0. 08 ;氧0. 25 ;氮0. 03 ;氫0. 015 ;鈦99. 325。或者，在另ー個具體實施例中，構成所述鈦合金管的鈦合金包含如下重量份的組分鋁5. 0 ;鐵0. 3 ;碳0. 08 ;氧0. 15 ;氮
0.05 ;氫 0. 015 ;鈦 94. 405。關於上述機匣所採用的鋁合金的組分以及鈦合金管所採用的鈦合金的組分的選擇，乃是為了適應後續的製造方法中的表面陽極化處理步驟，亦即，由於鈦與鋁的電極電位相差不大，能夠滿足零件表面硫酸陽極化要求，從而可以避免表面陽極化處理過程中的電化學腐蝕。在ー個具體實施例中，優選地，構成所述航空發動機鋁合金機匣的鋁合金在25°C下15% 20%的硫酸溶液中的電極電位大於等於-I. 67,小於等於-I. 65 ;構成所述鈦合金管的鈦合金在25°C下15% 20%的硫酸溶液中的電極電位大於等於-I. 64，小於等於-I. 61 o下面將對此作進ー步的詳細說明。焊接完成的油路管道10需要根據油路的壓カ要求對所述油路管道10進行壓カ檢驗，以避免油路管道10存在焊接不牢等缺陷，避免後續工作漏油。油路管道的壓カ檢驗步驟對於航空發動機而言是特有的步驟，在其它領域不存在航空發動機需要高壓輸油的工作環境，因而現有技術不存在對油路管道進行壓力檢驗的技術啟示。另外，油路管道的壓カ檢驗步驟設置於機匣鋳造之前，可以避免鋳造之後再進行油路管道的壓カ檢驗發現缺陷導致機匣報廢的問題，因而本發明的製造方法所設定的壓カ檢驗步驟的先後次序對於本領域技術人員來說並非公知常識，其所能帶來的技術效果是非顯而易見的。然後，需要將檢驗合格的油路管道10的所有開ロ用堵片焊接密封，防止澆注過程中熔融狀態的鋁合金液進入油路管道內。所述堵片最好是採用與油路管道材質相同的鈦合金，以避免其它材料熔點太低堵塞油路管道或者硬度太大不便於後續的機械加工，例如在ー個具體實施例中，堵片由如下重量份的組分構成鐵0. 3 ;碳0. 08 ;氧0. 25 ;氮0. 03 ;氫
0.015 ;鈦99. 325。在涉及內燃機領域的US 7387102 B2中，嵌鑄的管道的開ロ設置在鑄件的軸承安裝區域，在澆注過程中會被堵塞，最後通過機械加工的方式將整個軸承安裝部分全部去除以露出軸承安裝區域，由於軸承安裝區域很大，可以將堵塞的管道部分完全切除從而使管道導通。而本發明中，機匣屬於薄壁結構，不可能存在較大的空間可以去除，因而如果鋁合金液堵塞了油路管道，就沒有辦法去除油路管道端部較大的部分以使其導通，因而該內燃機技術中關於管路導通的エ藝無法應用於本發明，並且本發明設置堵片焊接密封的方式エ藝簡單，易於操作，特別適於本發明的航空發動機鋁合金機匣的製造。之後，如圖I所示，需要在所述油路管道10上焊接定位杆2，並將定位杆2定位於鑄造型腔中；然後向所述鑄造型腔中澆注熔融的鋁合金液，冷卻後獲得機匣毛坯件。然後，對所述機匣毛坯件需要進ー步進行機械加工處理，並通過機械加工使所述油路管道的所有開ロ貫通，形成進、出油ロ。也就是去除機匣毛坯件上的澆注冒ロ之類多餘的部分，並將焊接的堵片打通，用以貫通機匣中的油路。機械加工形成的進、出油ロ可以在工作工程中分別連接潤滑油泵或冷卻油泵，用以對機匣提供潤滑和冷卻。最後，對所述航空發動機鋁合金機匣表面進行硫酸陽極化處理，得到符合設計要求的所述航空發動機鋁合金機匣。本步驟與機匣所採用的鋁合金的組分以及鈦合金管所採用的鈦合金的組分存在一定的關聯，其與現有技術存在明顯的差異。例如，由於航空發動機的使用要求中需要對鋁合金鑄件表面進行硫酸陽極化處理，因此，內燃機領域的嵌鑄エ藝根本就不會涉及這方面的問題，也不會為此提供可供參考的技術啟示。也就是說，本領域技術人員基於US 7387102B2所公開的內容，若將製造內燃機的鋼鐵嵌鋳工藝應用於本發明的航空發動機鋁合金機匣的製造，當嵌鑄之後，面臨表面陽極化處理的時候將會發現，內燃機中嵌鑄的管道有可能會在表面陽極化處理的時候與鋁合金機匣發生電化學反應，從而腐蝕鋁合金機匣。例如，如果嵌鑄在鋁合金機匣中的油路管道採用不鏽鋼管，由於不鏽鋼比重大於鋁，會增加鑄件重量。此外，因為不鏽鋼的電極電位高於鋁合金，在硫酸陽極化處理時將使鋁合金機匣發生電化學腐蝕。再比如，嵌鑄在鋁合金機匣中的油路管道採用銅管，但是銅管腐蝕耗時耗材，腐蝕是否徹底不方便檢查。如果存在銅殘留，因為銅的電極電位高於鋁合金，在硫酸陽極化處理時，同樣會使鋁合金機匣發生電化學腐蝕。因此，本發明中，為了對航空發動機鋁合金機匣實施硫酸陽極化處理，選擇採用鈦合金管制作成油路管道直接鑄入鋁合金機匣中。鈦合金管作為冷鐵起到激冷作用，在管壁形成緻密層。鈦合金管保留在鑄件中，可以承受油路壓カ而不會漏油。而且鈦的比重小於鋁，不會增加鑄件重量。鈦與鋁的電極電位相差不大，能夠滿足零件表面硫酸陽極化要求。另外，為避免電化學反應，在ー個具體實施例中，油路管道10上焊接的定位杆2可採用與油路管道材質相同的鈦合金，例如在ー個具體實施例中，定位杆2由如下重量份的組分構成鋁 5. 0 ;鐵 0. 3 ;碳 0. 08 ;氧 0. 15 ;氮 0. 05 ;氫 0. 015 ;鈦 94. 405。本發明提供的航空發動機鋁合金機匣的製造方法，既避免了不鏽鋼管嵌鋳工藝帶來的鑄件增重和不能硫酸陽極化處理的不足，又避免了銅管嵌鑄腐蝕エ藝耗時、耗材的不足。可應用於鑄有複雜油路的、具有表面硫酸陽極化要求的航空發動機鋁合金機匣的製造。本領域技術人員應當理解，雖然本發明是按照多個實施例的方式進行描述的，但是並非每個實施例僅包含ー個獨立的技術方案。說明書中如此敘述僅僅是為了清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為ー個整體加以理解，並將各實施例中所涉及的技術方案看作是可以相互組合成不同實施例的方式來理解本發明的保護範圍。
以上所述僅為本發明示意性的具體實施方式
，並非用以限定本發明的範圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結合，均應屬於本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種航空發動機鋁合金機匣的製造方法，其中，所述航空發動機鋁合金機匣中具有多條油路，其特徵在於，所述方法包括如下步驟 (A)根據所述航空發動機鋁合金機匣中所述油路的形狀將鈦合金管分段彎製成油路構件，然後將所述油路構件在焊接夾具上焊接成油路管道； (B)根據所述油路的壓力要求對所述油路管道進行壓力檢驗； (C)將檢驗合格的所述油路管道的所有開口用堵片焊接密封，防止澆注過程中鋁合金液進入所述油路管道內； (D)在所述油路管道上焊接定位杆並定位於鑄造型腔中；然後向所述鑄造型腔中澆注熔融的鋁合金液，冷卻後獲得機匣毛坯件； (E)對所述機匣毛坯件進行機械加工處理，並通過機械加工使所述油路管道的所有開口貫通，形成進、出油口 ； (F)最後對所述航空發動機鋁合金機匣表面進行硫酸陽極化處理，得到符合設計要求的所述航空發動機鋁合金機匣。
2.根據權利要求I所述的製造方法，其特徵在於，構成所述航空發動機鋁合金機匣的招合金在25°C下15% 20%的硫酸溶液中的電極電位大於等於-I. 67,小於等於-I. 65 ;構成所述鈦合金管的鈦合金在25°C下15% 20%的硫酸溶液中的電極電位大於等於-I. 64，小於等於-I. 61。
3.根據權利要求I或2所述的製造方法，其特徵在於，構成所述鈦合金管的鈦合金包含如下重量份的組分鐵0. 3 ;碳0. 08 ;氧0. 25 ;氮0. 03 ;氫0. 015 ;鈦99. 325。
4.根據權利要求I或2所述的製造方法，其特徵在於，構成所述鈦合金管的鈦合金包含如下重量份的組分鋁5. 0 ;鐵0. 3 M 0. 08 ;氧0. 15 ;氮0. 05 ;氫0. 015 ;鈦94. 405。
5.根據權利要求I或2所述的製造方法，其特徵在於，構成所述航空發動機鋁合金機匣的鋁合金包含如下重量份的組分矽4. 5 5.5 ;銅1. (Tl. 5 ;鎂0. ro. 6 ;鐵彡1.0 ;鋁93. I 91. 4。
6.根據權利要求I或2所述的製造方法，其特徵在於，構成所述航空發動機鋁合金機匣的鋁合金包含如下重量份的組分矽6. 5 7. 5 ;鎂0. 4 0. 6 ;鈦:0. I 0. 2 ;鈹:0. 04 0. 07 ;鋁92. 96 91. 63。
7.根據權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，步驟C中，所述堵片與所述油路管道材質相同。
8.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於，步驟D中，所述定位杆與所述油路管道材質基本相同。
全文摘要
本發明公開了一種航空發動機鋁合金機匣的製造方法，所述方法將鈦合金管焊接成油路管道嵌鑄於航空發動機鋁合金機匣中，用以在航空發動機鋁合金機匣中形成複雜的油路，最後進行硫酸陽極化處理，得到符合設計要求的所述航空發動機鋁合金機匣。本發明提供的航空發動機鋁合金機匣的製造方法，既避免了不鏽鋼管嵌鑄工藝帶來的鑄件增重和不能硫酸陽極化處理的不足，又避免了銅管嵌鑄腐蝕工藝耗時、耗材的不足。可應用於鑄有複雜油路的、具有表面硫酸陽極化要求的航空發動機鋁合金機匣的製造。
文檔編號B23P15/00GK102806444SQ20121030581
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月24日 優先權日2012年8月24日
發明者熊志民 申請人:中國南方航空工業(集團)有限公司