王放達(dá) 邱述龍 李國(guó)平

（中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造是一項(xiàng)系統(tǒng)而又復(fù)雜的過(guò)程，其中葉片制造技術(shù)是整個(gè)制造過(guò)程的關(guān)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(dòng)機(jī)的質(zhì)量。中國(guó)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(duì)稱結(jié)構(gòu)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(gòu)中，由于缺少導(dǎo)向，沖頭在沖裁過(guò)程中會(huì)受沖裁力的影響而發(fā)生偏移，導(dǎo)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(jìn)一步改善與解決切邊模使用過(guò)程中遇到的質(zhì)量問(wèn)題，本文就該滾扎葉片切邊模的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 滾扎葉片的特點(diǎn)

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(gè)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，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(dá)5 mm。

圖1 葉片示意圖

2 切邊?，F(xiàn)有問(wèn)題

原有模具結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。通過(guò)對(duì)原有的葉片切邊模使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，造成滾扎葉片切邊模沖裁合格率低的主要原因?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面。

圖2 原有模具結(jié)構(gòu)圖

2.1 沖頭與陰模沖裁間隙設(shè)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(guò)大會(huì)導(dǎo)致凸凹模刃口處材料裂紋不重合以及由于葉片材料被過(guò)渡拉伸而存在的塌邊現(xiàn)象。在葉片葉身厚度相對(duì)較厚的區(qū)域，由于沖裁間隙過(guò)小會(huì)導(dǎo)致凸凹模刃口之間的材料被二次擠壓，其切斷面會(huì)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(guān)鍵指標(biāo)，為了進(jìn)一步提高葉片切斷面的表面質(zhì)量，必須嚴(yán)格把控沖頭與陰模之間的沖裁間隙。

2.2 沖裁過(guò)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(guò)程的關(guān)鍵，影響沖裁力大小的主要因素有葉片材料抗剪強(qiáng)度、葉片的厚度、葉片的輪廓周長(zhǎng)等。由于葉片呈變截面造型，其所需切邊外形為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，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(duì)應(yīng)區(qū)域的沖裁力分布嚴(yán)重不均衡，會(huì)導(dǎo)致沖裁過(guò)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(lái)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(dǎo)致模具快速磨損，使用壽命降低[5-6]。

3 切邊模改進(jìn)措施

通過(guò)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(guò)程中沖裁力分布不均勻[7-8]。針對(duì)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(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使沖頭在沖切過(guò)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(guò)程中因受沖裁力的影響而發(fā)生偏移。

（2）進(jìn)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(yīng)根據(jù)葉片截面厚度的變化情況進(jìn)一步調(diào)整沖裁間隙，從而實(shí)現(xiàn)變間隙沖裁。

（3）由于原有模具結(jié)構(gòu)采用后導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)柱阻力不對(duì)稱，模具沖裁不穩(wěn)定。因?yàn)樵撉羞吥５臎_切葉片為變截面沖裁，各個(gè)被沖截面處的沖裁力分布不均，采取后導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致沖裁過(guò)程中沖頭偏移，從而發(fā)生啃?，F(xiàn)象。因此，應(yīng)采取針對(duì)性措施優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)：第一，將后側(cè)導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)改為對(duì)角導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)模具整體的穩(wěn)定性；第二，在原有導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，再增加一副導(dǎo)柱導(dǎo)套，將模具改為四導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)。

（4）在導(dǎo)柱與導(dǎo)套之間增加滾珠導(dǎo)套，將原有的模具剛性導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)改為精密導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)。利用精密導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)不僅能夠進(jìn)一步保持模具沖裁過(guò)程中的沖裁間隙值，而且能夠進(jìn)一步防止模具在沖裁過(guò)程中因產(chǎn)生側(cè)向力而導(dǎo)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(jìn)方案及實(shí)施過(guò)程

4.1 增加沖頭導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

如圖3所示，將原有的模具刮料板改為導(dǎo)向板，改進(jìn)后的模具導(dǎo)向板與沖頭之間配0.005 mm的導(dǎo)向間隙，以確保沖頭在沖裁過(guò)程中不會(huì)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(dǎo)向結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

4.2 優(yōu)化沖裁間隙

在葉片材料沖裁分離的過(guò)程中，合理的沖裁間隙是影響葉片切斷面質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。因?yàn)槿~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(lái)進(jìn)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(gè)截面，如圖4所示。通過(guò)查詢手冊(cè)重新計(jì)算各個(gè)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(guò)渡的形式，從而確定葉片整體外形各個(gè)部位詳細(xì)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(gòu)

原有模具結(jié)構(gòu)采用后導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)柱阻力不對(duì)稱，模具沖裁不穩(wěn)定，剛性導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)模具使用久了容易發(fā)生啃?，F(xiàn)象，故采取以下措施對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。首先，將后側(cè)導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)改為對(duì)角導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)模具整體的穩(wěn)定性。其次，在原有導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，將模具結(jié)構(gòu)改為四導(dǎo)柱模架結(jié)構(gòu)，使模具沖裁過(guò)程中受力更穩(wěn)定。最后，在原有的模具剛性導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)中增加滾珠導(dǎo)套，將其改為精密導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，以提高模具上下模之間導(dǎo)向的精確度。模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖如圖5所示。

圖5 模具結(jié)構(gòu)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?yàn)闈L扎葉片被切部位厚度較厚且不均勻，在沖裁過(guò)程中受到的沖擊載荷相對(duì)于一般冷沖模較大，所以需要優(yōu)化模具材料。同時(shí)，由于該材料熱處理淬透性差，在精密切割過(guò)程中其內(nèi)部應(yīng)力不斷釋放，待加工區(qū)域與已加工區(qū)域之間的應(yīng)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(dǎo)致模具使用過(guò)程中出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。通過(guò)分析，最終確定選擇進(jìn)口DC53材料，其優(yōu)點(diǎn)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(dá)62～64 HRC，模具的強(qiáng)度及耐磨性大幅提高，從而提高了模具的加工工藝性。

5 驗(yàn)證效果

模具設(shè)計(jì)制造完工后進(jìn)行了試模驗(yàn)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(wú)毛刺翻邊現(xiàn)象。隨著使用過(guò)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(jìn)一步提升，無(wú)明顯的塌邊現(xiàn)象。模具在無(wú)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(yǔ)

本文在原有模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)被沖切滾扎葉片自身變截面造型的特點(diǎn)，分析了葉片沖裁過(guò)程中沖裁合格率低的原因。通過(guò)改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)，是對(duì)變間隙沖裁模的設(shè)計(jì)探索。這次模具的成功研制，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)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(gòu)的變截面切邊模具設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。