變截面滾軋葉片切邊模的設計研究

王放達 邱述龍 李國平

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002）

航空發(fā)動機的制造是一項系統(tǒng)而又復雜的過程，其中葉片制造技術是整個制造過程的關鍵所在[1]。葉片的制造質(zhì)量很大程度上決定了航空發(fā)動機的質(zhì)量。中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司承制的滾扎葉片切邊模因其所切葉片外形為非對稱結(jié)構且各處壁厚不一致，使切邊模沖頭各處沖裁力大小不同，沖頭與陰模之間按料厚需配不等的沖裁間隙，即葉片切邊為變截面變間隙沖裁。在原有的模具結(jié)構中，由于缺少導向，沖頭在沖裁過程中會受沖裁力的影響而發(fā)生偏移，導致沖頭與陰模之間的沖裁間隙發(fā)生變化，從而造成葉片切邊后的尺寸不合格[2-3]。為了進一步改善與解決切邊模使用過程中遇到的質(zhì)量問題，本文就該滾扎葉片切邊模的設計進行探討。

1 滾扎葉片的特點

葉片毛坯采用輥鍛軋制而成，軋制完成后需由葉片切邊模一次性切去四周多余部分。如圖1所示，整個葉身部位呈不規(guī)則曲面狀態(tài)，為變截面造型，所需切邊外形為非對稱結(jié)構，且葉片各處壁厚不一致，其中最厚的地方與最薄的地方壁厚差達5 mm。

圖1 葉片示意圖

2 切邊模現(xiàn)有問題

原有模具結(jié)構圖如圖2所示。通過對原有的葉片切邊模使用過程中出現(xiàn)的問題進行統(tǒng)計分析，造成滾扎葉片切邊模沖裁合格率低的主要原因為以下幾個方面。

圖2 原有模具結(jié)構圖

2.1 沖頭與陰模沖裁間隙設置不合理

觀察分析葉片的切斷面可知，在葉片葉身厚度較薄的地方，由于沖裁間隙過大會導致凸凹模刃口處材料裂紋不重合以及由于葉片材料被過渡拉伸而存在的塌邊現(xiàn)象。在葉片葉身厚度相對較厚的區(qū)域，由于沖裁間隙過小會導致凸凹模刃口之間的材料被二次擠壓，其切斷面會呈現(xiàn)毛刺與斷層現(xiàn)象[4]。由于沖裁間隙值是沖壓模具的關鍵指標，為了進一步提高葉片切斷面的表面質(zhì)量，必須嚴格把控沖頭與陰模之間的沖裁間隙。

2.2 沖裁過程中沖裁力分布不均勻

沖裁力是完成葉片材料分離這一沖切過程的關鍵，影響沖裁力大小的主要因素有葉片材料抗剪強度、葉片的厚度、葉片的輪廓周長等。由于葉片呈變截面造型，其所需切邊外形為非對稱結(jié)構，且葉片葉身各處壁厚不一致，其中最厚的地方與最薄的地方壁厚比接近4∶1，因此其相對應區(qū)域的沖裁力分布嚴重不均衡，會導致沖裁過程中模具沖頭與陰模發(fā)生偏移，從而使沖裁間隙更加不均勻，沖壓出來的葉片產(chǎn)品不合格率攀升，甚至出現(xiàn)沖頭及陰模刃口啃模的現(xiàn)象，導致模具快速磨損，使用壽命降低[5-6]。

3 切邊模改進措施

通過上述原因分析，造成葉片切邊模沖裁合格率低的原因主要是由于切邊模的沖裁間隙不合理以及葉片沖裁過程中沖裁力分布不均勻[7-8]。針對上述原因，可指定如下措施改善葉片切邊模的切邊質(zhì)量。

（1）在切邊模沖頭與陰模之間增加導向結(jié)構，使沖頭在沖切過程中與陰模之間的間隙始終保持在合理范圍內(nèi)，避免沖頭在沖切過程中因受沖裁力的影響而發(fā)生偏移。

（2）進一步優(yōu)化沖裁間隙，由于葉片被沖截面各處的厚度不均勻，應根據(jù)葉片截面厚度的變化情況進一步調(diào)整沖裁間隙，從而實現(xiàn)變間隙沖裁。

（3）由于原有模具結(jié)構采用后導柱模架結(jié)構，導柱阻力不對稱，模具沖裁不穩(wěn)定。因為該切邊模的沖切葉片為變截面沖裁，各個被沖截面處的沖裁力分布不均，采取后導柱模架結(jié)構會導致沖裁過程中沖頭偏移，從而發(fā)生啃?，F(xiàn)象。因此，應采取針對性措施優(yōu)化模具結(jié)構：第一，將后側(cè)導柱模架結(jié)構改為對角導柱模架結(jié)構，以增強模具整體的穩(wěn)定性；第二，在原有導柱導套導向的基礎上，再增加一副導柱導套，將模具改為四導柱模架結(jié)構。

（4）在導柱與導套之間增加滾珠導套，將原有的模具剛性導柱導套結(jié)構改為精密導柱導套結(jié)構。利用精密導柱導套結(jié)構不僅能夠進一步保持模具沖裁過程中的沖裁間隙值，而且能夠進一步防止模具在沖裁過程中因產(chǎn)生側(cè)向力而導致的啃?，F(xiàn)象。

（5）優(yōu)選模具材料，改善模具的加工工藝性，提高切邊模的刃口硬度，從而提高模具的使用壽命。

4 改進方案及實施過程

4.1 增加沖頭導向結(jié)構

如圖3所示，將原有的模具刮料板改為導向板，改進后的模具導向板與沖頭之間配0.005 mm的導向間隙，以確保沖頭在沖裁過程中不會發(fā)生偏移，從而保證沖裁間隙，穩(wěn)定沖裁質(zhì)量。

圖3 模具沖頭導向結(jié)構改進示意圖

4.2 優(yōu)化沖裁間隙

在葉片材料沖裁分離的過程中，合理的沖裁間隙是影響葉片切斷面質(zhì)量的關鍵指標。因為葉片的切斷面厚度不均勻，且厚度比較大，不適用于普通沖裁模具的統(tǒng)一間隙值，所以需要根據(jù)葉片厚度的變化來進行調(diào)整[9]。根據(jù)葉片被切部位不同位置的厚度線性變化率，可將葉片分成6個截面，如圖4所示。通過查詢手冊重新計算各個截面的沖裁間隙，相鄰兩截面之間部位的沖裁間隙采取線性過渡的形式，從而確定葉片整體外形各個部位詳細的沖裁間隙。

圖4 葉片厚度截面示意圖

4.3 優(yōu)化模具結(jié)構

原有模具結(jié)構采用后導柱模架結(jié)構，導柱阻力不對稱，模具沖裁不穩(wěn)定，剛性導柱導套結(jié)構模具使用久了容易發(fā)生啃模現(xiàn)象，故采取以下措施對模具結(jié)構進行調(diào)整。首先，將后側(cè)導柱模架結(jié)構改為對角導柱模架結(jié)構，以增強模具整體的穩(wěn)定性。其次，在原有導柱導套導向的基礎上，將模具結(jié)構改為四導柱模架結(jié)構，使模具沖裁過程中受力更穩(wěn)定。最后，在原有的模具剛性導柱導套結(jié)構中增加滾珠導套，將其改為精密導柱導套結(jié)構，以提高模具上下模之間導向的精確度。模具結(jié)構優(yōu)化示意圖如圖5所示。

圖5 模具結(jié)構優(yōu)化示意圖

4.4 優(yōu)化模具材料

原有模具沖頭及陰模材料均為T10A，是一種低淬透性的冷作模具鋼。因其內(nèi)部合金元素少，韌性差，不適用于受較大沖擊的模具。因為滾扎葉片被切部位厚度較厚且不均勻，在沖裁過程中受到的沖擊載荷相對于一般冷沖模較大，所以需要優(yōu)化模具材料。同時，由于該材料熱處理淬透性差，在精密切割過程中其內(nèi)部應力不斷釋放，待加工區(qū)域與已加工區(qū)域之間的應力集中極易造成裂紋，且部分裂紋不明顯、不易被發(fā)現(xiàn)，最終可能導致模具使用過程中出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。通過分析，最終確定選擇進口DC53材料，其優(yōu)點是韌性在冷作模具鋼中較為突出，制造的模具很少出現(xiàn)裂紋與崩裂現(xiàn)象，大大提高了使用壽命，并且熱處理高溫回火后硬度可達62～64 HRC，模具的強度及耐磨性大幅提高，從而提高了模具的加工工藝性。

5 驗證效果

模具設計制造完工后進行了試模驗證，結(jié)果顯示，滾扎葉片切邊模沖裁質(zhì)量大幅提高，其沖裁合格率由60.3%提高到了95.7%，且沖切出的葉片無毛刺翻邊現(xiàn)象。隨著使用過程中模具沖頭與陰模不斷磨合，沖切出的切片切斷面質(zhì)量得到了進一步提升，無明顯的塌邊現(xiàn)象。模具在無翻修的情況下沖裁合格數(shù)量從300片提升至1 100片，且模具壽命顯著提升。

6 結(jié)語

本文在原有模具結(jié)構的基礎上，根據(jù)被沖切滾扎葉片自身變截面造型的特點，分析了葉片沖裁過程中沖裁合格率低的原因。通過改進模具結(jié)構、優(yōu)化沖裁間隙、優(yōu)選模具材料等方式，有效提升了變截面滾扎葉片切邊模的沖裁質(zhì)量。變截面滾扎葉片切邊模的設計，是對變間隙沖裁模的設計探索。這次模具的成功研制，開創(chuàng)了中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司變截面冷沖模變間隙沖裁的先河，為其他類似結(jié)構的變截面切邊模具設計及優(yōu)化提供了可借鑒的經(jīng)驗。