帶阻尼臺一級轉子葉片模鍛件制坯工藝研究

馬栓柱，臧德昌，蔡 梅，張 穎

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

某發動機風扇轉子裝配平衡組合件中的第一級轉子葉片零件如圖1所示。該葉片屬于寬弦長（葉身最大寬度131.3mm）、大扭角（最大扭角約30°）葉片。葉身長約300.7mm，葉身中部阻尼臺深度69mm，材料為TC4鈦合金。考慮到機加定位和加工余量要求，兼顧模鍛成形時鍛件出模的需要，設計模鍛件如圖2所示。該轉子葉片榫頭與垂直葉身軸線的平面成20.29°夾角，角度相對較大，不利于坯料的頂鍛聚集成形。鍛件榫頭最大截面處截面積相當于直徑?94棒料的面積，葉身處截面積相當于直徑?43的截面積，阻尼臺處截面積相當于?73棒料面積，故最大截面積相差79%。考慮到鈦合金鍛造溫度下變形抗力較大，金屬流動性差，鍛造溫度范圍窄，該模鍛件荒坯很難在5000kN平鍛機（3寸）上順利頂鍛成形。為了加快研制進度，縮短周期，滿足科研生產需要，急需探索荒坯的胎模鍛成形工藝。

圖1 第一級轉子葉片零件示意圖

圖2 第一級轉子葉片鍛件圖

1 試驗分析

1.1 截面積分析，繪制荒坯圖

為確定鍛件荒坯的形狀和尺寸，以及下料棒材的直徑和長度，對模鍛件各截面進行截面圖計算。計算時考慮到葉片鍛件成形不易打靠的特點，葉盆面取上差，單側毛邊厚度×寬度為2mm×10mm。沿鍛件軸線選取典型部位畫出截面圖形，鍛件形狀變化劇烈處截面取得密集些[1]，形狀變化平緩處截面取得稀疏些。繪制截面圖如圖3所示。可以看出模鍛件各截面所要求荒坯面積存在明顯差異，榫頭和阻尼臺處荒坯較大，葉身和葉尖處截面積較小。考慮到榫頭的傾斜角度，荒坯頭部若保證相應的斜度，模鍛成形效果會較好。根據計算結果和模鍛生產經驗[2]，設計滿足模鍛要求的荒坯圖，如圖4所示。

圖3 模鍛件各截面處的橫截面積

1.2 荒坯成形方案選擇

荒坯榫頭處（以下簡稱頭部，其余簡稱桿部）為傾斜20.29°的直徑?100圓臺，桿部兩端為?50圓柱，中部為?70圓臺，桿部截面差約49%。針對荒坯的形狀特點[3]，提出兩種成形方案。

圖4 荒坯圖

方案1：桿部法蘭聚集成形后頭部聚集成形。該方案考慮到TC4鈦合金的成形特性，主要在三向壓應力下鐓粗成形，金屬流動性好。荒坯形狀完全在胎模中成形，轉接過渡處由胎模保證，轉接較圓滑，有利于模鍛充滿成形。但該方案需要多套成形胎模，尤其是頭部聚集成形時桿部需采用分體模具，這樣才能保證荒坯在成形后順利取出。聚集成形時需要采用?50直徑規格的棒材，為滿足體積要求，需要較長的下料長度，聚集時產生失穩彎曲，導致荒坯出現較深的折疊缺陷。

方案2：頭部聚集成形后桿部拔長成形。該方案只需要一套聚集成形胎模，頭部成形后順利取出荒坯鍛件，然后對桿部進行卡壓、拔長。為提高桿部質量，設計制造三套簡易自由鍛工具（摔子）， 摔子直徑 ?70×寬100、?60×寬 53、?50×寬 72，分別用來整體摔桿、桿部中間分料和中間摔桿。聚集成形時需要采用?70直徑規格的棒材，成形性較好。

但該方案桿部自由鍛成形，尺寸不易控制，尤其是中部?70凸臺與榫頭間的距離。間距過大或過小都會嚴重影響模鍛成形充滿質量。同時拔長時出現多處棱邊，不能圓滑進行轉接和過渡，需要進行大量的打磨清理。

綜合考慮兩方案優缺點，最終采用方案2進行荒坯制備、設計胎模和間距控制樣板，如圖5、6所示。

1.3 成形過程模擬

圖5 鍛造用胎模

圖6 關鍵尺寸控制用樣板

圖7 成形過程等效應變

采用DEFORM-3D進行胎模鍛造過程模擬[4,5]，模型材料Ti6Al4V，剪切接觸摩擦模型，系數0.7，與胎模熱交換系數取5，鍛造溫度940℃。模擬結果等效應變場如圖7所示（因形狀對稱，取半體進行顯示）。鍛造開始時坯料首先接觸上下模腔底部，隨著上模的下移坯料中部進行自由鐓粗，外圓產生鼓肚。進行到100步時坯料外圓開始與模腔接觸，110步～124步顯示接觸面積越來越大，而且是與圖示中上模模腔的左側接觸，產生塑性變形，此時與上模腔右側基本無接觸。根據作用力與反作用力原理，勢必對上模產生向左方向的分力，導致胎模錯移。但由于此時上下模垂直距離僅為8.6mm，在7m/s的錘擊速度下即將瞬間打靠，產生的錯移不會太大，幾乎不影響荒坯尺寸。進行到140步時荒坯基本打靠。變形主要集中在中部法蘭處，心部等效應變最大（紅色區域），產生劇烈塑性變形，可能造成局部的溫度升高，生產時要注意錘擊速度和錘擊輕重，防止因變形熱效應而導致局部過熱[6]。桿部變形量較小。

2 投產試驗

為了探索鍛造成形過程中實際金屬流動規律、驗證模具的合理性、準確確定下料棒材規格尺寸以及熟練掌握鍛造操作順序，進行生產投產試驗。采用1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼材料代替TC4鈦合金進行試驗，以便節省材料成本。共投產6件直徑?72的棒料， 長度分別為 292mm、295mm、298mm、301mm、304mm和307mm。首先試驗長度為292mm和307mm的棒料，上下模腔充滿。采用不同長度棒料生產，主要造成榫頭部分傾斜法蘭的直徑不同（?100和?105），法蘭外徑未封閉成形導致相應法蘭厚度尺寸不同。

鍛造過程中主要存在如下問題：①成形過程中胎模滑移，并且上胎模不易夾持和準確定位，導致鍛件出現錯移和扭轉。②采用不同棒料生產出的鍛件只是傾斜法蘭尺寸不同，桿部經過卡壓、拔長后，鍛件總長度為310mm，比工藝要求短50mm。③榫頭與桿部過渡處，因對棒料進行卡壓分料，導致陡峭轉接。為避免模鍛時產生折疊需要進行大量的圓滑打磨。

針對試制中出現的問題，對胎模進行改進，設計防止模具滑移的外模套和20mm厚度的墊塊，裝配圖如圖8所示。將長度為295mm、298mm、301mm、304mm的棒料在改進后胎模中成形，荒坯錯移問題基本解決。同時鍛件總長度明顯增加，但法蘭直徑為?95mm×26mm，有不同程度的減小。為保證荒坯桿部和榫頭處圓滑轉接，在傾斜法蘭根部預留?70mm×10mm的過渡區。拔長成形后荒坯鍛件總長度315mm，比工藝要求短45mm。

圖8 初步改進后胎模

為了增加荒坯總長度，將其中試驗件2的桿部整體滾圓至直徑?70mm（消除出模斜度造成的金屬體積），桿部頂端滾圓至直徑?48mm,荒坯鍛件總長度355mm，基本滿足工藝總長要求。為了方便批量生產，仍需對現有胎模進行改進，增加荒坯鍛件的總長度[7]。原20mm厚度的墊塊不能很好滿足要求，經計算現有胎模桿部需增加45mm的墊塊，保證荒坯形狀、尺寸滿足模鍛要求，優化改進后胎模如圖9所示。同時下料長度確定為?70mm×340mm，最終成形試驗鍛件實圖（不銹鋼材料試驗件）如圖10所示。采用該荒坯進行模鍛成形，葉片模鍛件成形較好，毛邊分布均勻，獲得了形狀、尺寸和性能較好的優質鍛件，驗證了該制坯方法的可靠性和合理性。

圖9 優化后胎模

圖10 第一級轉子葉片荒坯鍛件實物圖

3 結論

（1）本文設計的荒坯鍛件可以滿足葉片模鍛件的成形要求，金屬分配合理。

（2）選取的荒坯鍛件成形方案（頭部聚集成形后桿部拔長成形）可行，可生產出所設計的荒坯鍛件。

（3）為了提高生產操作的便捷性，方便模具夾持和定位，對現有胎模進行了優化設計。

（4）計算機模擬結果反映了實際鍛造成形過程中金屬流動規律，為生產操作提供了技術支持。

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