一種高溫合金葉片的鍛造工藝及工裝建模

雷文華，黃貴林，徐學明，翟 宏

（中車資陽機車有限公司 鍛造事業部，四川 資陽 641301）

鍛造是一個復雜的生產工序，是塑性加工中的體積成形，大部分屬于二次塑性成形，是機械制造和加工中最重要的一步，可以成形形狀較為復雜的零部件毛坯，并提高產品的性能。在國家提出智造的今天，鍛造顯得尤為重要，特別是模鍛在鍛造中占有重要的地位；在模鍛的工藝設計中，較為關鍵的就是鍛造工藝和模具設計。

葉片是形狀結構極其復雜的產品，應用也是非常廣泛。葉片的鍛件毛坯與成品一樣形狀，結構復雜。葉片根據使用環境和用途，使用的材質通常是低合金高強度結構鋼或高溫合金結構鋼。低合金高強度結構鋼葉片通常用于風機；而高溫合金結構鋼一般是發動機的葉片，如航空發動機葉片。葉片分為動葉片和靜葉。

1 葉片建模

建好模的葉片。如圖1。

圖1 建好模的葉片

導出的葉片鍛件工藝圖。如圖2。

圖2 葉片鍛件工藝圖

根據建模計算出鍛件的最大截面積（含飛邊1/2）約15290mm2，換算成圓約等于直徑140，所以選材料規格150。

因葉片截面變化較大，鍛件需要出坯，才能模鍛。出坯的方案有兩種：①與葉片外形接近；②將葉片的榫頭部分做成整體。如圖3所示。

圖3 鍛件出坯方案

通過試模驗證，第一種出坯方式，由于模鍛時榫頭的料不足，導致最終鍛件的143×103的角充不滿，相反第二種出坯，榫頭的料多成形臺階時，料擠壓到榫頭的肩部，充滿情況非常好。第一次試模由于分料計算不準確，鍛件飛邊不是很均勻。第二次調整出坯尺寸。試模后，飛邊基本比較均勻、坯料的下料重量合理。

2 葉片的模具設計

葉片產品形狀比較復雜，鍛造時如何做分模是關鍵。模具制作可以分以下步驟。

（1）需要將葉片的模型建好，并按熱縮率收縮得到熱鍛件模型，并將拔模做出來。

（2）在熱鍛件模型上將分模面做好（隱藏葉片模型）。

在做模型分模面時需要注意：①分模面不能有不連接的地方，否則就不能將模具分開；且分模面必須完整的切入鍛件。否則在模具分模時報錯。②分模面不能有與分模方向（上下）平行的連接面，程序也會報錯。③分模面延伸方向是分模方向（上下）的法向，即與分模方向垂直。還必須延伸至模具外。

（3）添加模具。添加的模具必須大于鍛件分模方向的投影。

（4）將模具分開，分別得到上模和下模模型，并導出CAD圖。如圖4所示。

圖4 模具模型

（5）將模具模型完善，根據對應的使用設備標準，做出相應的裝配燕尾、導鎖、鍵槽以及吊裝孔等。

（6）生成切邊模。

鍛模下模建模很復雜，需要應用到三維里的面相交、延伸、合并及實體化等，如有多余的面未連接或相交，軟件會報錯，有時軟件計算時會崩潰，就需要從頭再來。具體步驟為（見下頁圖5）：①型腔建模（圖5a）；②建立基準點、軸和準面（圖5b）；③依據標準拉伸出需要的切邊刃口凸臺（圖5c）；④依據標準切出需要的刃口凸臺高度（圖5d）；⑤修正完成后刃口凸臺模型（圖5e）。

在建切邊模落料腔時遇到了很多問題，因曲面與實體不相交，始終無法實現合并后的曲面實體化切出落料腔，經過了超過150步的反復查找修補后最終實體化切出了落料腔。如圖6所示。

圖6 切邊模落料腔

最后依據裝配標準做好切邊下模的外形，做好裝配的斜度和吊裝孔，再導出CAD圖，如圖7。

圖7 切邊下模CAD圖

相對來說，切邊上模（沖頭）比較好做，只需要將模具分開的上模，切除除型腔的多余部分就生成了，另外，因為切邊上、下模需要做出一定的間隙，一般在上模做出，只需要將生成的模型周邊切除相應間隙尺寸部分。同樣需要做裝配部分，再并導出CAD圖（裝配部分）。

圖8 切邊上模CAD圖

3 結束語

本次葉片的鍛造工藝開發，在出坯、試模時，經過了兩次試模，遇到了部分困難，像高溫合金葉片類的鍛件，出坯工藝十分關鍵。經過努力，將出坯工藝優化后，順利得到了解決。

圖5 下模建模

在葉片鍛模和切邊模建模過程中，必須先做好拔模部分，才有利于分模；還有在模具分模前，鍛件模型盡量不要到圓角，因為模型先倒好了圓角，做分模面時，易出現不連接，在調整多次，還是提示有錯，后來想到將鍛件分模面部分圓角去除后，再做分模面，就比較容易發現分模面不連接點和沒有切入鍛件點。這是本次葉片鍛件工藝開發獲得的最大收獲。

高溫合金葉片因為材質特殊，故加熱控制、鍛造溫度設定十分重要，坯料加熱須嚴格按相應材質的加熱曲線進行預熱、升溫、保溫，且時間必須足夠。葉片材質金屬流動性差，榫頭肩部難充滿，在模鍛時須控制好坯料達到模具的溫度，即始鍛溫度，所以爐溫設定一般要高于始鍛溫度20～30℃。以補償從加熱爐到模具之間的溫度損失。榫頭的在保證了鍛造時的始鍛溫度后，完全充滿，鍛件無缺陷，經過試加工，完全達到客戶要求。另外鍛后還需要采用合理的冷卻方式。