一种高温合金叶片的锻造工艺及工装建模

雷文华，黄贵林，徐学明，翟 宏

（中车资阳机车有限公司 锻造事业部，四川 资阳 641301）

锻造是一个复杂的生产工序，是塑性加工中的体积成形，大部分属于二次塑性成形，是机械制造和加工中最重要的一步，可以成形形状较为复杂的零部件毛坯，并提高产品的性能。在国家提出智造的今天，锻造显得尤为重要，特别是模锻在锻造中占有重要的地位；在模锻的工艺设计中，较为关键的就是锻造工艺和模具设计。

叶片是形状结构极其复杂的产品，应用也是非常广泛。叶片的锻件毛坯与成品一样形状，结构复杂。叶片根据使用环境和用途，使用的材质通常是低合金高强度结构钢或高温合金结构钢。低合金高强度结构钢叶片通常用于风机；而高温合金结构钢一般是发动机的叶片，如航空发动机叶片。叶片分为动叶片和静叶。

1 叶片建模

建好模的叶片。如图1。

图1 建好模的叶片

导出的叶片锻件工艺图。如图2。

图2 叶片锻件工艺图

根据建模计算出锻件的最大截面积（含飞边1/2）约15290mm2，换算成圆约等于直径140，所以选材料规格150。

因叶片截面变化较大，锻件需要出坯，才能模锻。出坯的方案有两种：①与叶片外形接近；②将叶片的榫头部分做成整体。如图3所示。

图3 锻件出坯方案

通过试模验证，第一种出坯方式，由于模锻时榫头的料不足，导致最终锻件的143×103的角充不满，相反第二种出坯，榫头的料多成形台阶时，料挤压到榫头的肩部，充满情况非常好。第一次试模由于分料计算不准确，锻件飞边不是很均匀。第二次调整出坯尺寸。试模后，飞边基本比较均匀、坯料的下料重量合理。

2 叶片的模具设计

叶片产品形状比较复杂，锻造时如何做分模是关键。模具制作可以分以下步骤。

（1）需要将叶片的模型建好，并按热缩率收缩得到热锻件模型，并将拔模做出来。

（2）在热锻件模型上将分模面做好（隐藏叶片模型）。

在做模型分模面时需要注意：①分模面不能有不连接的地方，否则就不能将模具分开；且分模面必须完整的切入锻件。否则在模具分模时报错。②分模面不能有与分模方向（上下）平行的连接面，程序也会报错。③分模面延伸方向是分模方向（上下）的法向，即与分模方向垂直。还必须延伸至模具外。

（3）添加模具。添加的模具必须大于锻件分模方向的投影。

（4）将模具分开，分别得到上模和下模模型，并导出CAD图。如图4所示。

图4 模具模型

（5）将模具模型完善，根据对应的使用设备标准，做出相应的装配燕尾、导锁、键槽以及吊装孔等。

（6）生成切边模。

锻模下模建模很复杂，需要应用到三维里的面相交、延伸、合并及实体化等，如有多余的面未连接或相交，软件会报错，有时软件计算时会崩溃，就需要从头再来。具体步骤为（见下页图5）：①型腔建模（图5a）；②建立基准点、轴和准面（图5b）；③依据标准拉伸出需要的切边刃口凸台（图5c）；④依据标准切出需要的刃口凸台高度（图5d）；⑤修正完成后刃口凸台模型（图5e）。

在建切边模落料腔时遇到了很多问题，因曲面与实体不相交，始终无法实现合并后的曲面实体化切出落料腔，经过了超过150步的反复查找修补后最终实体化切出了落料腔。如图6所示。

图6 切边模落料腔

最后依据装配标准做好切边下模的外形，做好装配的斜度和吊装孔，再导出CAD图，如图7。

图7 切边下模CAD图

相对来说，切边上模（冲头）比较好做，只需要将模具分开的上模，切除除型腔的多余部分就生成了，另外，因为切边上、下模需要做出一定的间隙，一般在上模做出，只需要将生成的模型周边切除相应间隙尺寸部分。同样需要做装配部分，再并导出CAD图（装配部分）。

图8 切边上模CAD图

3 结束语

本次叶片的锻造工艺开发，在出坯、试模时，经过了两次试模，遇到了部分困难，像高温合金叶片类的锻件，出坯工艺十分关键。经过努力，将出坯工艺优化后，顺利得到了解决。

图5 下模建模

在叶片锻模和切边模建模过程中，必须先做好拔模部分，才有利于分模；还有在模具分模前，锻件模型尽量不要到圆角，因为模型先倒好了圆角，做分模面时，易出现不连接，在调整多次，还是提示有错，后来想到将锻件分模面部分圆角去除后，再做分模面，就比较容易发现分模面不连接点和没有切入锻件点。这是本次叶片锻件工艺开发获得的最大收获。

高温合金叶片因为材质特殊，故加热控制、锻造温度设定十分重要，坯料加热须严格按相应材质的加热曲线进行预热、升温、保温，且时间必须足够。叶片材质金属流动性差，榫头肩部难充满，在模锻时须控制好坯料达到模具的温度，即始锻温度，所以炉温设定一般要高于始锻温度20～30℃。以补偿从加热炉到模具之间的温度损失。榫头的在保证了锻造时的始锻温度后，完全充满，锻件无缺陷，经过试加工，完全达到客户要求。另外锻后还需要采用合理的冷却方式。