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(xué)明，翟 宏

（中車資陽機(jī)車有限公司 鍛造事業(yè)部，四川 資陽 641301）

鍛造是一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)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(jī)械制造和加工中最重要的一步，可以成形形狀較為復(fù)雜的零部件毛坯，并提高產(chǎn)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(shè)計(jì)中，較為關(guān)鍵的就是鍛造工藝和模具設(shè)計(jì)。

葉片是形狀結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的產(chǎn)品，應(yīng)用也是非常廣泛。葉片的鍛件毛坯與成品一樣形狀，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。葉片根據(jù)使用環(huán)境和用途，使用的材質(zhì)通常是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼或高溫合金結(jié)構(gòu)鋼。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼葉片通常用于風(fēng)機(jī)；而高溫合金結(jié)構(gòu)鋼一般是發(fā)動機(jī)的葉片，如航空發(fā)動機(jī)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(dǎo)出的葉片鍛件工藝圖。如圖2。

圖2 葉片鍛件工藝圖

根據(jù)建模計(jì)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(guī)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(yàn)證，第一種出坯方式，由于模鍛時(shí)榫頭的料不足，導(dǎo)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(shí)，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(jì)算不準(zhǔn)確，鍛件飛邊不是很均勻。第二次調(diào)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(shè)計(jì)

葉片產(chǎn)品形狀比較復(fù)雜，鍛造時(shí)如何做分模是關(guān)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(shí)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(shí)報(bào)錯(cuò)。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(bào)錯(cuò)。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(dǎo)出CAD圖。如圖4所示。

圖4 模具模型

（5）將模具模型完善，根據(jù)對應(yīng)的使用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，做出相應(yīng)的裝配燕尾、導(dǎo)鎖、鍵槽以及吊裝孔等。

（6）生成切邊模。

鍛模下模建模很復(fù)雜，需要應(yīng)用到三維里的面相交、延伸、合并及實(shí)體化等，如有多余的面未連接或相交，軟件會報(bào)錯(cuò)，有時(shí)軟件計(jì)算時(shí)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(zhǔn)點(diǎn)、軸和準(zhǔn)面（圖5b）；③依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)拉伸出需要的切邊刃口凸臺（圖5c）；④依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)遇到了很多問題，因曲面與實(shí)體不相交，始終無法實(shí)現(xiàn)合并后的曲面實(shí)體化切出落料腔，經(jīng)過了超過150步的反復(fù)查找修補(bǔ)后最終實(shí)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(jù)裝配標(biāo)準(zhǔn)做好切邊下模的外形，做好裝配的斜度和吊裝孔，再導(dǎo)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?yàn)榍羞吷稀⑾履Ｐ枰龀鲆欢ǖ拈g隙，一般在上模做出，只需要將生成的模型周邊切除相應(yīng)間隙尺寸部分。同樣需要做裝配部分，再并導(dǎo)出CAD圖（裝配部分）。

圖8 切邊上模CAD圖

3 結(jié)束語

本次葉片的鍛造工藝開發(fā)，在出坯、試模時(shí)，經(jīng)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(guān)鍵。經(jīng)過努力，將出坯工藝優(yōu)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?yàn)槟Ｐ拖鹊购昧藞A角，做分模面時(shí)，易出現(xiàn)不連接，在調(diào)整多次，還是提示有錯(cuò)，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(fā)現(xiàn)分模面不連接點(diǎn)和沒有切入鍛件點(diǎn)。這是本次葉片鍛件工藝開發(fā)獲得的最大收獲。

高溫合金葉片因?yàn)椴馁|(zhì)特殊，故加熱控制、鍛造溫度設(shè)定十分重要，坯料加熱須嚴(yán)格按相應(yīng)材質(zhì)的加熱曲線進(jìn)行預(yù)熱、升溫、保溫，且時(shí)間必須足夠。葉片材質(zhì)金屬流動性差，榫頭肩部難充滿，在模鍛時(shí)須控制好坯料達(dá)到模具的溫度，即始鍛溫度，所以爐溫設(shè)定一般要高于始鍛溫度20～30℃。以補(bǔ)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(shí)的始鍛溫度后，完全充滿，鍛件無缺陷，經(jīng)過試加工，完全達(dá)到客戶要求。另外鍛后還需要采用合理的冷卻方式。