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尺寸大、综合技术要求高

2019-04-17 19:05

  直十一型直升机的旋翼榖、尾桨系统由惠阳公司自主设计制造,是我国自主研制的代表性直升机核心动部件产品。上世纪末,该直升机旋翼榖、尾桨系统鉴定定型并交付使用,获得了国防科技一等奖和航空科技一等奖。直十一型直升机旋翼榖不同于铰接式结构旋翼毂,不再通过铰接结构的金属构件和轴承的转动,而是通过其旋翼毂星形件直臂的弹性变形来实现旋转位移,这就可以大大简化结构、减轻重量。

  但是,星形件却要承受拉伸、弯曲和扭转载荷以及摆振、挥舞运动和其他振源引起的振动载荷,致使旋翼毂星形件要在极为复杂和恶劣的载荷状态下工作,因而对星形件的结构、尺寸精度、形位偏差、表面粗糙度都有极高的技术要求。星形件通过模具直接热压成型,各项技术要求均由成型模具来保证实现,因此,星形件热压成型模具成为星形件加工制造的关键设备。一场不断攻克难关、不断开拓创新、不断求索创造的历程由此展开。

  直升机旋翼、尾桨系统是直升机关键的核心动部件。我国自行开发研制的直十一型直升机旋翼毂属于无铰式的星形柔性结构,主桨毂支臂在工作时绕三个相互垂直正交的坐标轴产生旋转位移,即绕旋翼轴的变距、在旋转平面内的水平摆动和相对于旋转平面的挥舞。旋翼毂主体构件是星形件,采用复合材料热态模压制成,热压成型模具成为星形件加工制造的关键设备。

  此前,直九型直升机旋翼毂星形件热压成型模具系高价从法国随专利一起购置,因此我国自行研制的直十一型直升机旋翼毂星形件只能立足于国内自行设计制造。该项磨具形体结构复杂,尺寸大、综合技术要求高,需要用低膨胀性能的铟瓦合金锻坯进行数控加工。惠阳公司参与人员经多方调研,借鉴成熟技术,几经改进,顺利完成了热压模具的设计。

  热压成型模具制造的第一个重大关键难题,就是大型铟瓦合金锻轧毛坯件的加工供应。当时国内从未冶炼成功过具有特殊性能的铟瓦合金,更未进行过其铸锭锻轧。惠阳公司通过中航总外贸系统与俄罗斯、日本等国进行洽谈询价,报价极为昂贵,且铟瓦合金钢冶炼添加的微量元素硒极易挥发又是人体致癌物,俄、日等国先后拒绝了数量有限的订购。为保证型号任务的需要,公司决定在国内寻找可靠供应商。惠阳公司遍访国内各大钢厂,最后与上海钢铁研究院洽商成功,联合组织冶炼铟瓦合金,终于冶炼浇铸成功重达3吨合格的铟瓦合金铸锭。

  然而,新的问题又出现了。在上海地区没有敢于承担风险的协作钢厂对合金铸锭进行锻轧。公司几经寻找,最后,太原钢厂同意承接铸件的锻轧。由于初次进行铟瓦合金大铸锭的锻轧,热压工艺参数选取欠妥,铸锭轧制后开裂而报废。公司随即派专业技术人员赶赴生产现场,与有关人员深入分析事故原因,探索改进措施,重新冶炼、浇铸、锻轧,终于锻轧出合格的星形件热压成型模具机械加工毛坯。铸锭从上海运往太原,锻坯从太原运往西安,专车长途转运,专人精心护送。

  解决模具加工毛坯后,其复杂型面数控加工成为重大关键。借助当时中航CAD/CAM预研成果,公司与航空技术研究院签订了星形件模具CAD/CAM系统及其模具开发合同。由航空技术研究院组织南京航空航天大学、中航工业北京航空精密机械研究所、中航工业北京航空制造工程研究所、中航飞机西安飞机分公司、惠阳公司进行联合开发。由惠阳公司负责模具的设计总成,试加工、星形件试压制和总验收。

  然而,在制造过程中却出现了加工件变形的问题。原因是铸锻轧过程中为防止开裂而未进行淬火。这就让模具的加工处于两难的境地。如果不作热处理而继续进行数控加工,变形量超大,致使模具报废。如果再对模具加工半成品补充做淬火热处理,必然要引起开裂,最终也使模具加工制造失败。

  课题组会同西安飞机分公司的相关人员紧急会商,果断决定采取一切措施尽快妥善处置。冒着极大风险,课题组租借大型热处理电炉对工件进行高温回火处理而不再做淬火处理,以求进一步消除工件的残余应力并防止引起新的变形和开裂。工件的后续加工情况表明,采取的特殊热处理措施及时有效。直十一型机旋翼毂星形件热压成型模具加工任务终于圆满完成。

  模具随即被运往保定,经检测合格投入生产使用。该模具连续试压和检测结果显示,国产模具优于同类进口的直九直升机星形件模具,且耗资仅为外购价的五分之一。1997年初,由中国工程院院士雷天觉等专家组成的鉴定委员会对星形件模具制造任务的完成给予高度评价,课题顺利通过评审。评审认为,模具的研制成功,标志着该课题在大型、复杂、精密复合材料桨毂模具设计、 瓦合金钢材料的冶炼锻轧技术、冷加工技术、焊接技术、热处理技术等方面处于国内领先地位,填补了国内空白。

  在当时,应用CADCAM技术在复杂曲面的描述、求交、裁剪、过度和多岛屿内槽加工的刀位计算,多重检查面的精确检查及刀位计算方法,大型复合材料桨毂模具的整体设计制造技术和系统工程管理等方面均达到了国际先进水平。模具课题荣获了时为中航总公司颁发的部级科技进步二等奖。

  直十一型直升机主桨毂研制的另一关键是桨毂吸振器大型弹簧的制造。该弹簧为钢丝直径13毫米的一级精度、合金钢大直径弹簧,为保证其使用的抗疲劳性能且有良好的表面状态,弹簧必须在常温下冷状态缠绕成型。当时,我国航空系统从未加工制造过此类大弹簧,国内的铁路机车和其他设备所用大弹簧也都是加热状态缠绕成型。即使使用专用缠绕机进行冷态缠绕,也很难解决相关技术难题。此类大型弹簧出现国内无人能做的状况。

  为确保新机任务的完成,公司决定组织技术攻关,自行加工制造大弹簧。由一线工人和技术骨干联合组成的攻关组研究分析技术、改装设备,通过反复试验、上下求索,在一次次失败中吸取经验教训,终于制造出了合格的专用弹簧。旋翼毂吸振器经组装调试、地面装机试车和飞行试验表明,研制的弹簧完全符合设计要求,解决了新机研制的关键。

  时光荏苒,当年轰轰烈烈的直十一型直升机研制任务已成为过去,不少参与型号任务的老领导、老同志都先后作古,但他们的业绩和航空报国的精神早已铭刻在共和国光辉的航空史册,薪火相传。(中国航空报)

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