叶片辊轧模具的设计方法

姜绍西+++李深亮

摘 要：针对目前叶片辊轧模设计中存在的问题，通过对生产现场叶片轧制情况进行总结和分析，并结合叶片轧制工艺技术的提升，形成一套辊轧模具设计的方法。文章论述的辊轧模具设计方法经过轧制试验验证，能够实现满足叶片无余量精密轧制过程的工艺要求，目前已工程化推广应用。

关键词：辊轧模具；设计与制造；无余量叶片

引言

叶片无余量精密冷辊轧是一种先进的叶片型面加工方法，由于其制造成本低、生产效率高以及可实现产品的组织性能较常规制造工艺更为优异等特点，倍受发达国家的重视。叶片辊轧模具做为叶片成型的关键工具，叶片辊轧模具型面没有具体设计方法，通常采用在粗坯的状态下，依靠人工进行试轧试修，周期长、试件消耗大。在模具报废后重新制造时，需要重复循环上述过程，造成了极大的浪费，同时影响叶片的交付进度和质量。因此，叶片辊轧模具的设计成为技术瓶颈。

通过对生产现场叶片轧制情况进行总结和分析，并结合叶片轧制工艺技术的提升，形成一套辊轧模具设计的方法。该方法经过轧制试验验证，能够实现满足叶片无余量精密轧制过程的工艺要求，目前已工程化推广应用，具体的辊轧模设计方法和步骤如下：

1 叶片辊轧可行性分析基础参数的确定

对叶片的几何外形尺寸和材料特性两个方面进行分析。几何外形尺寸用于确定辊轧模具的结构和叶片的轧制次数，同时确认辊轧能否直接辊轧成型还是辊轧后通过机械校型得到最终尺寸。此外，需要通过平板轧制试验获得叶片材料的滑移系数。叶片材料的滑移系数用于辊轧模设计和辊轧机调整。

2 确定叶片辊轧方向

选择利于金属流动的方向做为叶片的辊轧方向。首先检查叶片各截面最大厚度的分布情况，如果各截面最大厚度的连线近似与叶片的Z轴平行，则选择叶片Z轴方向做为叶片辊轧方向，也就是辊轧模具的滚动方向。如果叶片各截面最大厚度的连线与叶片Z轴有较大的偏差，则重新确定辊轧方向，形成新的滚动方向，保证叶片截面最大厚度的中心位置沿滚动方向均匀分布。

3 选择平衡角

在整个叶身长度上，叶片的截面弦切角是变化的，确定叶片弦切角中的平衡角做为零角度，即轧辊中心线的位置，这样会使叶片咬口处于一个倾斜的位置。选取适合的平衡角可降低辊轧过程中轧模对轧机的侧向压力，减少叶片的扭转，有利于轧模的制造和修正，降低轧模的制造难度。

4 叶片型面光顺

对于一些叶片的设计图原始坐标点，常常出现一些坐标点形成的曲线不够光顺且数据点特别密集，对此，需要对型面坐标进行处理。叶片型面处理的方法是利用三维软件在适当的公差范围内对坐标型面进行光顺，检查曲率梳的变化，在适当的公差范围内去处叶片型面上的拐点，形成新的叶片型面，叶片型面坐标点间距为1～1.5mm。

5 叶片截面选取

检查叶片设计图上所提供截面距疏密情况，截面距不亦过大或过小，截面距过大，易产生型面失真，截面距过小，型面加工时波纹度难以控制。对于型面变化剧烈的区域，截面适当加密，以控制型面的变化。如果叶身截面间距离大于7mm、距叶根的截面距大于3 mm，则应增加中间截面，以利于模具的制造和轧制过程中叶片型面的控制。

6 辊轧中截面选择

对于设计图给定一个叶片型面，由于叶身形状的变化和叶片的型面坐标点所提供的方式不同，设定的轧模滚动方向可能不是水平位置上，必须将叶片的截面中心位置放置与轧模的分度圆直径重合，保证轧模的叶盆和叶背作用到叶片的旋转速度接近平衡，有利于在辊轧后减少出现侧弯或者不出现侧弯。

7 叶片型面边缘处理

辊轧过程中叶片展宽在边缘出现飞边，需要对设计轧模边缘进行处理。一般处理方法为：从边缘侧向叶片型面增加1～2个补充点，补充点后要保证型面光顺，同时保证各截面间边缘要平滑，边缘处理易产生波纹，影响叶片的流动。对于边缘比较薄的叶片易出现卡点，但是卡点的长度一般不超过1mm，在处理边缘R时将卡点去除。

8 咬口位置的确定和处理

有榫头的压气机叶片，轧模咬口位置与榫头的高矮和转接R的大小有直接关系。通常咬口位置是距内缘板0.75～1R左右，对于高榫头则相应增加。辊轧初始阶段，载荷由零急剧到达稳定状态，此时轧模与毛料的接触面积小于正常轧制叶身时的接触面积，单位压力增大，在叶身上造成局部过压，形成勺形的压痕。为了消除这种过压，对轧模近根段进行修正，在根部加入补充截面，截面距离不大于2mm，而且增大轧模咬口部分的型腔，使咬口部位形成抛物线状的变化。

9 轧模出口的处理

轧模出口处理目的是为了减少叶尖剩余毛料对成品叶尖的影响。叶尖截面相比扭角更大，型面更薄，材料压下增更大，对设备和模具的损害加大。截面轧制停止，叶尖的剩余毛料将影响叶尖的型面。在叶片有效位置结束后增加适当长度，开始在不改变补充截面扭角的情况下，扩大型腔，既保证不影响叶尖型面扭角又降低了叶片压下比。

10 叶片截面与轧模截面的换算

叶片辊轧时产生前滑，即叶片脱开轧模的速度大于轧辊的圆周速度。若轧辊的圆周速度和叶片榫头转接座的移动速度一致，则叶身是被压缩的，这种压缩使叶片出现失稳而产生变形。为了消除这种压缩，在轧機上安装齿数大的齿轮，来提高夹叶片榫头的转接座的移动速度。在叶片辊轧模具设计时，按照叶片的前滑系数进行截面距的计算。

11 轧模轮廓设计

辊轧模具安装在辊轧机上、下轧辊轴上的环形凹槽内，辊轧模具的两侧面应与上、下轧辊轴上的环形凹槽相配合。辊轧模具的内环面与轧辊轴的小轴颈直径相同，轧模的两侧面上开有4个用于顶紧轧模的凹槽。轧模的内环面的轮廓角度为115°，轧模型面的角度从距轧模后端108°处开始。轧模的后段留有安装调整垫块的槽口，调整垫块用具调整上下轧模的咬口位置，保证盆、背型面的一致性。采用上述设计方法设计的辊轧模具见图1所示。

12 结束语

通过对叶片辊轧过程中金属流动的分析和叶片轧制试验确定的叶片辊轧模具的设计方法，该方法设计的辊轧模在实际轧制过程中，辊轧模具的修模量减少了50%以上，修模试件消耗量减少20～30片。在结合多自由度、多项调整叶片轧制技术对叶片进行轧制，模具通过人工简单的修理情况下，轧出满足设计图要求的无余量叶片，证明此设计方法合理可行。

参考文献

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