葉片全切模的結(jié)構優(yōu)化以及工藝應用研究

謝 強，覃事鵬，智緒旺

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002）

如圖1所示是我廠承制的一種航空發(fā)動機整流葉片的全切模。在模具的使用過程中，該模具首次使用沖切50多件零件就出現(xiàn)毛刺過大，沖頭刃口磨損甚至崩刃的現(xiàn)象，出現(xiàn)了壽命短、質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，一直困擾著葉片車間成品的產(chǎn)能及制造質(zhì)量，急需進行攻關并解決問題。為了進一步的改善與解決全切模中遇到的質(zhì)量問題，本文就該模具的結(jié)構與工藝進行詳細的闡述[1]。

圖1 模具結(jié)構示意圖

1 結(jié)構分析以及優(yōu)化

1.1 被沖葉片的分析

如圖2所示，被沖葉片呈不規(guī)則曲面體，各處厚度分布不均勻，其中最厚的地方與最薄的地方厚度差達5mm以上，凸凹模在沖裁過程中每一處所受到的沖壓反作用力不相等，模具在使用過程中容易發(fā)生側(cè)向移動；同時由于被沖葉片厚度不均勻，沖裁過程中必須對凸凹模之間的沖裁間隙進行嚴格控制。

圖2 被沖零件示意圖

1.2 現(xiàn)有模具的主要問題

結(jié)合以往的生產(chǎn)實戰(zhàn)經(jīng)驗分析，總結(jié)出模具有以下幾方面的問題：

（1）模具凸模長度80mm，卸料板與沖頭之間保持1mm的間隙，不能夠?qū)ν鼓＿M行導向。受葉片厚度不均勻的影響，導致沖裁過程中凸凹模各處沖裁力不一致凸模發(fā)生側(cè)移造成模具啃邊，被沖零件毛刺大。

（2）模具頂塊刃口呈銳邊，沖壓過程中受沖裁力的影響極其容易崩刃，導致鐵屑夾雜與凸模與凹模之間，模具使用過程中容易卡滯，凸凹模的型面部分易產(chǎn)生壓痕，導致被沖零件表面壓傷。

（3）從葉片的切斷面可以看出，葉片較薄的地方存在塌腳和拱彎的現(xiàn)象，而在葉片厚度厚的地方，其表面會呈現(xiàn)出薄而高的毛刺，進一步說明了沖裁間隙的設置不合理，各處的沖裁間隙應根據(jù)葉片厚度的變化進行調(diào)整[2,3]。

（4）加工工藝方法的影響，模具凸凹模的外形均由快走絲線切割一次切割成型，受加工設備精度的影響，其尺寸精度保證在±0.02mm之間，對于此類需要精確沖裁間隙的模具影響較大。

1.3 模具改進的措施

1.3.1 優(yōu)化卸料板與凸模間隙

在原有模具設計方案中，模具的卸料板型腔尺寸與凸模外形輪廓保持了單邊1mm間隙，使得模具的卸料板僅有卸料功能而沒有導向凸模的功能。這樣使得凸模在沖裁時的剛性大大降低，受沖裁過程中因沖裁力不均勻產(chǎn)生的側(cè)向力影響容易發(fā)生側(cè)移，甚至當側(cè)向力矩過大時，易使凸模發(fā)生斷裂。

改進措施：將卸料板型腔尺寸更改成與凸模外形輪廓一致，并在型腔的上端最R2。凸模的外形輪廓與卸料板之間配無間隙滑合，這樣更改后的卸料板不僅具備原有的卸料功能，而且在沖壓過程中能精確地對凸模起到導向作用。當凸模受側(cè)向力時，卸料板與凸模的滑配能夠有效保護凸模不發(fā)生彎曲。使得凸凹模之間沖裁間隙保持穩(wěn)定，保證產(chǎn)品的沖裁質(zhì)量。進一步的為了提高卸料板的耐磨性，將其材料由普通45鋼更改為SKD11，熱處理提升到HRC58～62。改進后的卸料板如圖3所示。

圖3 卸料板示意圖

1.3.2 改進模具頂塊

如圖4所示，原有模具中，為追求模具頂塊能夠與凸模型面之間光滑平齊，放置葉片時能夠做到全型面貼合，頂塊沿外形型面均呈銳邊。經(jīng)實際試用發(fā)現(xiàn)，模具在沖裁過程中頂塊銳邊部位極易崩邊。為了減少頂塊崩邊產(chǎn)生的鐵屑對模具二次損壞的風險，在頂塊沿外形輪廓與型面交接處做R1.5mm的圓角光滑過渡。

圖4 模具頂塊結(jié)構示意圖

1.3.3 優(yōu)化凸模結(jié)構

改進前的凸模刃口部分很尖，其刃口部分的夾角約為78°左右，在沖裁過程中極易磨損。由于采取的凸模材料為Cr12MoV，碳化物含量高，約20%左右，且常呈不均勻分布的條狀或網(wǎng)格狀，偏析嚴重，傳統(tǒng)熱處理難以改變碳化物偏析的狀況，熱處理后該材料的脆性較大，凸凹模使用磨損后，間隙變大，沖裁時易造成崩刃現(xiàn)象[4]。

改進措施：如圖5所示，通過改變零件在模具上的定位方式，將原來的葉盆定位變?yōu)槿~背定位，這樣就使原有凸凹模葉型面互換，凸模的刃口部分角度大于90°，增加了凸模結(jié)構強度，避免了凸模受沖裁過程中因沖裁力不均勻產(chǎn)生的側(cè)向力影響容易發(fā)生側(cè)移，甚至當側(cè)向力矩過大時，易使凸模發(fā)生斷裂情況的發(fā)生，有效的提高了凸模的使用壽命。

圖5 優(yōu)化后的凸模結(jié)構示意圖

1.3.4 優(yōu)化凸凹模之間沖裁間隙

合理的沖裁間隙是一套模具能否能夠正常使用的關鍵，多年的生產(chǎn)實踐證明，間隙尺寸的大小、分布的均勻性等，會直接影響沖裁件的斷面質(zhì)量、尺寸精度、沖裁力和模具使用壽命。在沖壓材料的分離過程中，凸凹模邊緣的裂紋橋接是影響缺口間隙合理性的關鍵因素。沖裁間隙大時，凸凹模刃口處材料裂紋不重合導致材料被過渡拉伸產(chǎn)生塌角；沖裁間隙小時，凸凹模刃口之間的材料會被二次擠壓，容易出現(xiàn)毛刺與斷層。只有將凸凹模沖裁間隙控制在一個合適的數(shù)值范圍內(nèi)，沖壓出來的零件才能獲得裁斷面較好的零件。

由于被沖葉片的各處厚度均不相同，需要根據(jù)葉片厚度的變化規(guī)律來不斷調(diào)整凸凹模之間的沖裁間隙。此次改進中將葉片橫縱兩個方向劃分為間距1mm的小截面，計算出各個截面之間的平均厚度，并通過查閱沖模設計手冊獲得各個截面的理論沖裁間隙。設定各個截面之間距離為X，獲得的理論沖裁間隙為Y，通過樣條曲線命令制圖得到合理的沖裁間隙曲線（圖6）。

圖6 沖裁間隙曲線示意圖

1.3.5 改進加工工藝方法

根據(jù)更改后的結(jié)構及優(yōu)化后的凸凹模之間的間隙值，為了保證沖裁間隙免受設備加工精度造成的影響，由原來的快走絲線切割一次加工成形改為由慢走絲精密線切割進行加工。精密線切割采取切一修二的加工方法，能夠很好地保證工件件的尺寸精度。在進行精密線切割加工時，以凹模型腔尺寸為準，凸模嚴格按照優(yōu)化后的沖裁間隙值來保證沖裁間隙；在凸模加工完成后，卸料板按照凸?；淝懈顏肀ＷC。

1.3.6 優(yōu)化凸模、凹模材料

原有模具凸模及凹模選取的材料是Cr12MoV。Cr12MoV作為一種高碳高鉻萊氏體鋼，由于其碳、鉻含量高，能形成大量的碳化物和合金化程度高的馬氏體，使鋼具有高硬度和高耐磨性。同時，鉻提供高淬透性和回火穩(wěn)定性。鉬提高鋼的淬透性并細化晶粒。釩可以磨碎晶粒，增加材料的韌性，還可以形成高VC硬度，進一步增加鋼的耐磨性，所以Cr12MoV鋼是制造冷作模具廣泛使用的材料。由于Cr12MoV碳化物含量高，約占20%，并且往往在帶狀或網(wǎng)狀中分布不均，偏析嚴重，傳統(tǒng)熱處理難以改變碳化物偏析，嚴重影響鋼材的力學性能和模具的使用壽命。因此Crl2MoV的強度、硬度、韌性均滿足不了現(xiàn)在模具的使用要求。

通過分析對比，我們選用了進口材料DC53模具鋼，DC53是日本大同公司為彌補SKD11冷成型模具鋼在高溫回火時硬度不足、韌性低而精制的冷作模具鋼。在正常熱處理條件下，殘余奧氏體幾乎完全分解。分解通常不適用深冷處理，即使在高硬度下也能保持高韌性。

DC53與Crl2MoV比較如下：

（1）DC53是在SKD11（Crl2MoV）基礎上進行改良，熱處理后硬度高于Crl2MoV，高溫（520℃～530℃）回火后硬度可達HRC 62-63，在強度方面超過Crl2MoV，其更高的強度，保證了模具磨損的減少，經(jīng)試驗，采取DC53材料的模具在沖裁200件葉片后，其磨損僅為0.006mm。

（2）DC53韌性度是Crl2MoV的兩倍,是目前常用冷作模具鋼中最高的。DC53的韌性在冷作模具鋼中較為突出，所以，用DC53制造的冷作模具很少出現(xiàn)裂紋和崩裂，大大提高了使用壽命。

（3）DC53較Crl2MoV相比，線切割加工后的殘余應力較小，經(jīng)高溫回火可大大減少殘余應力。所以，DC53在制作大型模具和要求精密之模具在線切割加工后的裂紋和變形得到有效抑制。

（4）DC53切削性、耐磨性超過Crl2MoV，因此，使用DC53可增加模具壽命和減少加工工序[5,6]。

2 試驗驗證

通過本次改進的葉片全切模制造完成后進行試模，模具沖壓500件合格葉片后仍然保持良好的工作狀態(tài)，被沖葉片的合格率穩(wěn)定在95%。隨著模具凸模與凹模之間不斷的磨合，沖壓出來的葉片斷面光亮帶所占比例不斷變大，沒有塌角與拱彎現(xiàn)象，切斷面呈現(xiàn)出的表面質(zhì)量較前期實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，遠超預期效果。

3 結(jié)語

通過分析原有模具結(jié)構，結(jié)合被沖葉片的形狀特點，從改進卸料板結(jié)構、優(yōu)化凸凹模沖裁間隙、頂塊結(jié)構的改善、調(diào)整加工設備、優(yōu)選凸凹模材料等舉措同步進行，實現(xiàn)了葉片全切模沖裁合格率的提高。經(jīng)歷此次全切模的制造工藝技術研究，對于航空發(fā)動機葉片全切模的理解進一步加深，為后續(xù)同類型葉片全切模的改進生產(chǎn)奠定了良好的基礎。