汽輪機葉片鍛造模具自動生成的技術研究

摘要：汽輪機葉片品種系列多，葉片數量也比較大。葉片鍛造工藝條件復雜，設計周期長，設計任務繁重，因此迫切需要降低設計人員的設計強度。由于模鍛（模型鍛造）是將常溫或熱態的坯料放入模膛中進行塑性成形的鍛造方法，是鍛造生產的主要工藝，通常采用模鍛工藝來加工葉片。在UG軟件平臺上進行二次開發，能夠快速設計出葉片鍛造模具的CAD系統，這對汽輪機葉片鍛造行業具有十分重要的意義。

關鍵詞：汽輪機葉片；模具；UG/OPEN GRIP；二次開發

中圖分類號：TG316

文獻標識碼：A

1. 引言

葉片是汽輪機、航空發動機和燃氣輪機的重要零件。汽輪機葉片在火力發電過程中起到關鍵的能量轉換作用，是汽輪機的“心臟 ”。汽輪機中的葉片數量很大，一臺汽輪機有數千件大小葉片。據統計，葉片制造的工時約占汽輪機整機的1 /3，工裝量占整機的 1 /2左右，成本約占整機的 20% ～25%。

汽輪機葉片，尤其是大葉片主要采用螺旋壓力機模鍛工藝生產。和航空發動機葉片相比，幾何尺寸大，扭曲更為嚴重，鍛造的成形力更大，需要超大型壓力機生產。典型的汽輪機葉片結構由葉根、葉身、葉冠 3部分組成[1]，如圖1所示。

實際工作中設計一套完整的葉片鍛件和鍛模的過程十分復雜。首先要根據圖紙的設計葉片實體模型，接著設計飛邊體和毛邊槽，最后分模生成葉片鍛模 [2]。整個流程如圖2所示。

2. 飛邊體的設計

本文第1節中講到當今葉片的鍛造通常都是采用模鍛進行的，模鍛有兩種不同的方式：帶毛邊槽的開式模鍛和無毛邊槽的閉式模鍛。后者的最大優點是有利于塑性變形、節省毛邊的損耗。但無毛邊鍛造對鍛件坯料體積計算要求十分精確，而且要提高設備噸位，鍛模壽命也縮短了。所以目前應用并不廣泛，國內外普遍采用帶毛邊的開式模鍛[3]。

采用開式模鍛加工葉片，模具型槽周邊必須要有毛邊槽。由于毛邊槽的位置固定，而葉片實體上葉身、葉根和葉冠的位置不在同一平面上，為了將毛邊槽和葉片實體連接起來，設計時必須要有一條通道將毛邊槽和葉片實體連接起來。這條通道就被稱作“飛邊”。這樣一來，多余的金屬材料就可以通過飛邊流向毛邊槽了。

飛邊體的設計是在葉片實體分型面已經設計完成了以后，將分型面沿著一定的方向拉伸一定的距離形成的實體。該葉片的飛邊體拉伸方法是：

2.1.葉身處，將進氣邊處的分型面向+x方向拉伸一定長度，將出氣邊處的分型面向-x方向拉伸同樣的長度，得到飛邊體。

2.2.葉根處，葉身與葉根的相交處的余塊上的飛邊體的生成方法同葉身，是分型面沿著+x或-x方向和葉身拉伸同樣的長度；葉根上的飛邊體由于分型面有錯位，故其生成方法是找到錯開處的分型面，將這些分型面沿著-z的方向拉伸上述長度的兩倍；將余塊上的飛邊體和葉根上的飛邊體之間的空缺補足；葉根底面上的飛邊體是將底面上的分型面沿著-z的方向拉伸一定的長度。

2.3.葉冠處，將葉冠頂面的分型面沿+z方向拉伸一定的長度，再將葉冠與葉身之間的空缺部分補足。

拉伸后的飛邊體見圖3。

3. 毛邊槽的設計

開式模鍛的模具型槽周邊必需要有毛邊槽，其形式及尺寸大小是否合適對鍛件成形影響很大。所以，設計模具型槽的另一重要任務是確定毛邊槽形式及有關尺寸。

毛邊槽的形狀尺寸與鍛件的形狀尺寸有關，甚至與終鍛前坯料的體積及形狀也有關系。合適的毛邊槽形狀及尺寸大小，應當是既保證鍛件充滿成形和能容納多余金屬，還應當使鍛模有較長的工作壽命。目前國內外葉片鍛件生產廠家，常采用圖4所示的毛邊槽形式。

毛邊槽結構形式是由橋部和倉部組成。以圖4所示，h是毛邊槽橋部的高度，b是橋部的寬度；毛邊槽倉部的高度是h1，寬度是b1。為了在毛邊槽內產生足夠大的徑向阻力，并容納下所有的多余金屬，以及便于切除毛邊，毛邊槽的橋部高度應小些，寬度大些；倉部的高度和寬度都應適當。本文設計的葉片的毛邊槽橋部高度5.5mm，寬度12mm。圖4是該葉片設計的毛邊槽結構圖。

4 .鍛模的設計

4.1. 模塊的選擇

鍛錘上或壓力機上的葉片鍛模多采用鑲塊式，因為葉片鍛模工作壽命不長，用整體結構的鍛模，既浪費材料又延長制模周期[4]。有兩種鑲塊型式，如圖5-1和圖5-2。為了模具制造和使用上的方便，各廠家都將模塊的結構和尺寸標準化，表1為某葉片生產公司使用的模塊規格。

模具材料一般采用5CrMnMo，4Cr5W2VSi等。其硬度為HRC46～51。圖5-1所示模塊一側有4°的斜度，在斜面的上下兩側面留有長條形平面，制造模具時，便于定位。模塊裝在模座中靠鍥鐵固緊。這種模塊安裝調整比較方便，但模具因返修而變薄時需更換鍥鐵。圖5-2所示的模塊旁側不帶斜度，而模塊兩端除抬模孔外，還開有寬24毫米，深8毫米的長槽，上模座有一個舌形銷插入槽里，將上模掛位。這種模塊返修變薄，不需要更換鍥鐵，但它安裝調整比較麻煩。

4.2. 鍛模的造型

鍛模造型之前，已經造出了葉片鍛件、葉片鍛件的毛邊槽實體、分模面以及鍛模的模塊，只要對其做一定的運算，就可以得到鍛模的造型，這一部分也是通過程序自動實現的。步驟如下：

4.2.1.將葉片鍛件與毛邊槽實體做布爾和運算。

4.2.2.按照鍛模模塊參數建立鍛模模塊，并使模塊的中心位于坐標原點。

4.2.3.在鍛模模塊中減掉葉片鍛件和毛邊槽實體。

4.2.4.用分模面將鍛模分成上下兩個模塊。

4.2.5.對上、下模內的型腔邊緣轉角進行倒圓角，就可得到符合要求的葉片鍛模。

用分模面將鍛模分開后，鍛模的參數都將丟失，需要知道某個參數時，可以用UG的測量功能來獲得。

5. 葉片鍛模的自動分模程序及運行實例

本文采用的自動分模應用程序名為fanmo.grx，該程序采用UG/OPEN GRIP編程語言，通過人機交互方式，對不同型號的葉片進行自動分模，本程序通用性強，能夠適合各種不同的葉片。圖7是該程序的設計流程。具體的運行過程如下：

6. 結論

本文在總結了實際工作中葉片鍛件的飛邊體的設計過程、毛邊槽的設計過程以及鍛模的設計過程之后，使用UG/OPEN GRIP編程語言，采用人機交互方式，開發了葉片鍛模的自動分模程序。實踐證明該程序通用性強，操作簡單，大大提高了設計工作的效率，使工程設計人員能將更多的時間投入到創造性的工作中去，增強了產品的競爭力。

參考文獻：

[1] 李湘軍，王開全，高新等.汽輪機葉片精密模鍛件CAD軟件系統研究[J].汽輪機技術，2005，47（4）：306-308

Li X J， Wang K Q， Gao X， et al. The research of CAD software system of the precision forgings of turbine blade[J]. Turbine Technology， 2005，47（4）：306-308

[2] 蓋超.汽輪機葉片鍛造工藝余量自動加放技術的研究[D]. 無錫：江南大學機械工程學院，2007. 15-60.

Gai C. Research of the technology of automatic designing forging allowance in turbine blade[D]. Wuxi： Jiangnan University， 2007. 15-60.

[3] 張志文.鍛造工藝學[M].北京：機械工業出版社，1983.123-124.

Zhang Z W. Forging technology[M]. Beijing： Machinery Industry Press， 1983. 123-124.

[4] 粟祜.葉片精鍛[M].北京：國防工業出版社，1984.212-213

Su H. Blade Precision Forging[M]. Beijing： National Defence Industry Press， 1984.212-213.

[5] 張國新.汽輪機大葉片模鍛成形工藝[J].模具技術，2004（6）：26-30

Zhang G X. The Process of Turbine blade forging formation[J]. Die and Mould Technology， 2004（6）：26-30

作者簡介：蓋超（1978-） 男，江蘇無錫人，碩士，講師，無錫技師學院，模具制造專業課教師，主要從事模具設計與制造方面的研究；