CN100545850C - 轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法 - Google Patents
轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法，属模具加工领域，设计步骤是：1.叶片辊轧可行性分析，确定设计参数；2.叶片辊轧方向的选择与确认；3.叶片平衡角的选择与设计；4.叶片型面的光顺处理；5.叶片截面的选取；6.辊轧模中截面的选择；7.叶片型面的边缘处理；8.咬口位置的确定和处理；9.轧模出口的处理；10.叶片截面与轧模截面换算；11.辊轧模外形的设计。其中辊轧方向取Z’轴为最佳，平衡角取β平＝(β尖+β根)/2，中截面中心放置在与轧模分度圆直径R68重合处，咬口位置距内缘板为0.75～1R，本方法便捷，设计周期短，合格率高。
Description
技术领域
本发明属模具设计领域，进一步说是关于无余量叶片用辊轧模的设计方法。
背景技术
叶片辊轧模具是对叶片实施冷变形的工具，金属的流动是通过辊轧模具来实现的，它已成为一种先进的叶片型面加工方法，倍受发达国家重视，然而叶片辊轧模型面获得基本处于照搬叶片设计图纸尺寸，甚至轧模型腔都是封闭的，如图1所示，原有的设计方法没有考虑叶片的辊轧方向、平衡角、中截面、型面边缘及轧模咬口和出口设计等设计处理问题，因此设计出的盆模和背模型面很难辊轧出合格叶片，需经工人试初轧试修而成。
发明内容
针对现有技术不足之处，本发明提供一种设计合理，方法便捷，设计周期短，指导模具产出合格率高，轧制出叶片的废品率小的无余量叶片辊轧模的设计方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是对决定盆模和背模的主要项目进行设计，包括有：
1.叶片辊轧可行性分析，确定设计参数；
2.叶片辊轧方向的选择与确认；
3.叶片平衡角的选择与设计；
4.叶片型面的光顺处理；
5.叶片截面的选取；
6.辊轧模中截面的选择；
7.叶片型面的边缘处理；
8.咬口位置的确定和处理；
9.轧模出口的处理；
10.叶片截面与轧模截面换算；
11.辊轧模外形的设计。
其中：
1.叶片辊轧可行性分析，确定设计参数中
首先要对叶片结构、尺寸及叶片材料进行分析：
1)适于辊轧叶片结构及尺寸是：单榫头或无榫头结构，叶片长度小于100mm、宽度小于30mm，并确定能否直接辊轧成型或辊轧后通过机械校型得到最终尺寸；
2)适于辊轧叶片的材料为铝合金、不锈钢及高温合金；
3)适于辊轧的叶片进行辊轧试验获得叶片滑移系数k。
2.叶片辊轧方向的选择与确认
通过分析叶片型面特性，确认叶片的辊轧方向，即金属流动方向，具体作法是：
1)首先检查叶片各截面的Cmax的分布情况，叶尖、叶根截面的Cmax的连线与叶片的Z轴夹角不大于3。，则选择叶片Z轴方向做为叶片辊轧方向，Z轴方向也就是辊轧模具的滚动方向；当叶片各截面的Cmax的连线不与叶片Z轴平行并且有较大的偏差时，则重新确定辊轧方向，形成新的坐标Z′轴，即用叶尖和叶根Cmax连线做Z′轴，保证叶尖和叶根之外的截面Cmax的均匀分布在Z′轴左右。如图2所示，上述的Cmax——叶型最大厚度。
3.叶片平衡角的选择与设计
首先检查叶片的叶根和叶尖的弦切角的变化。几乎所有的叶片的截面弦切角都是变化的，如图3所示，确定叶片弦切角中的平衡角做为辊轧模的零角度，即轧辊中心线的位置，平衡角的计算方法是：
β平＝(β尖+β根)/2
β平与β根之差不大于5°时，使用β根＝β平
式中：β平-平衡角，β尖-叶片尖角，β根-叶根角。
4.叶片型面的光顺处理
是利用模具设计软件UG的曲线光顺功能，在适当的公差范围为0～0.05mm内对坐标型面进行光顺，检查曲率梳的变化，在公差范围内去除叶片型面上的拐点，然后形成新的叶片型面。
5.叶片截面的选取
根据叶片设计图上所提供切面的截面距疏密情况而定，截面距不亦过大或过小，截面距过大，型面加工时波纹度难以控制；截面距过小，则样板数量多而且制造困难，对于型面变化剧烈的区域，截面加密，以控制型面变化，叶身截面间距离大于7mm、距叶根的截面距大于3mm，则增加中间截面，以利于模具的制造和轧制过程中叶片型面的控制。
对于叶根和叶尖部分设计图已经给出叶身以外的补充截面，直接使用，对于未给出补充截面的叶片要进行截面的补充，对于叶根部分和叶尖部分增加补充截面的方法，使用模具设计软件UG的延伸功能、直线插分或曲线插分等方法来设计。建议将整个叶片的截面进行重新分布，如果在第一步选择了新的Z’轴，则要按垂直与新的Z’轴方向进行重新确定截面位置，以满足轧模制造过程中的需要，新形成的叶片型面坐标点的间隔为0.5～3mm，如图4所示。
6.辊轧模中截面的选择
是将叶片的截面中心位置放置与轧模的分度圆直径重合。
7.叶片型面的边缘处理。
为了有利于叶片在辊轧过程中的金属流动，满足开式辊轧的要求，需对叶片型面的边缘处理，其方法为：叶身全长上左延长段、右延长段值允许不一致，边缘厚度值除了咬口和出口的值不一致以外，各截面为同一的数值。从边缘侧向叶片型面增加保证型面光顺的1～2个补充点，各截面间边缘要平滑，如果边缘处理的不够理想，对于有特殊公差要求的叶片型面，将需要重新设计截面坐标。叶片型面存在卡点，在处理边缘圆角时将卡点去除，去除卡点的长度为1～3mm，其中A＝0.1～0.5mm、h1＝0.5～5mm和h2＝0.5～5mm。具体形式如图5所示。
8.咬口位置的确定和处理
在一般情况下，咬口位置是距内缘板075～1R左右，对于高榫头则相应增加，对轧模近根段进行修正，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，量为Δ值，使咬口部位形成抛物线状的变化，咬口位置与内缘板距离为H＝0.5R～2R，咬口位置与咬口方式如图6所示。其中R——叶根半径。
9.轧模出口的处理
是在叶片有效截面结束后增加长度，这段的长度一般在5～6mm左右，增加部分的型面应按照型面曲率光顺延伸，且型腔厚度Cmax逐渐增大，Cmax增大范围由0.2～1mm。
10.叶片截面与轧模截面换算
由于叶片在辊轧过程中型面产生滑移，需对叶片截面距进行换算：
公式为：A＝(2πR1L)/(360k)
式中：L-叶片截面距，R1-辊轧模半径，k-滑移系数，A-轧模角度
11.辊轧模外形的设计如图7所示
(1)辊轧模的宽度为60～70mm；
(2)轧模内圆环的扇面角度为110～130°，轧模外轮廓扇面角度为100～120°；
(3)型面和外轮廓转接圆角半径为3～10mm；
(4)在轧模后定位端增加用于调节辊轧模配合间隙的垫槽，防止错移的轧模咬口现象发生，垫槽长5～20mm，宽2～6mm；
(5)每侧面有2个定位凹槽，中心距30～50mm，定位凹槽向心切面夹角30～50°。
附图说明
图1是现场使用的轧模型腔示意图；
图2是本发明叶片Z轴重新确定示意比较图；
图3是本发明平衡角示意图；
图4是本发明轧模截面重新选取示意图；
图5是本发明轧模截面边缘处理示意图；
图6是本发明叶片咬口位置选择修正示意图；
图7是本发明轧模处轮廓设计结构示意图；
图8是图7A-A断面示意图；
图9是图7C-C断面示意图；
图中：1盆模，2背模，3叶片，Z坐标轴，Z’新建的坐标轴，H咬口与缘板间距，A边线厚度，h1左延长段，h2右延长段，R叶根半径，4内弧面，5调整垫槽，6工作型曲，7外弧面，8定位凹槽。
具体实施方式
参照附图，对本发明做进一步说明。本发明的技术方案是对决定盆模和背模的主要项目进行设计，包括有：
1.叶片辊轧可行性分析，确定设计参数；
2.叶片辊轧方向的选择与确认；
3.叶片平衡角的选择与设计；
4.叶片型面的光顺处理；
5.叶片截面的选取；
6.辊轧模中截面的选择；
7.叶片型面的边缘处理；
8.咬口位置的确定和处理；
9.轧模出口的处理；
10.叶片截面与轧模截面换算；
11.辊轧模外形的设计。
1.叶片辊轧可行性分析，确定设计参数中
首先要对叶片结构、尺寸及叶片材料进行分析：
1)适于辊轧叶片结构及尺寸是：单榫头或无榫头结构，叶片长度小于100mm、宽度小于30mm，并确定能否直接辊轧成型或辊轧后通过机械校型得到最终尺寸；
2)适于辊轧叶片的材料为铝合金、不锈钢及高温合金。
3)适于辊轧的叶片进行辊轧试验获得叶片滑移系数k。
2.叶片辊轧方向的选择与确认
通过分析叶片型面特性，确认叶片的辊轧方向，即金属流动方向，具体作法是：
1)首先检查叶片各截面的Cmax的分布情况，当叶尖、叶根截面的Cmax的连线与叶片的Z轴夹角不大于3°，则选择叶片Z轴方向做为叶片辊轧方向，Z轴方向也就是辊轧模具的滚动方向；当叶片各截面的Cmax的连线不与叶片Z轴平行并且有较大的偏差时，则重新确定辊轧方向，形成新的坐标Z′轴，即用叶尖和叶根Cmax连线做Z′轴，保证叶尖和叶根之外的截面Cmax的均匀分布在Z′轴左右。如图2所示，上述的Cmax——叶型最大厚度。
3.叶片平衡角的选择与设计
首先检查叶片的叶根和叶尖的弦切角的变化。几乎所有的叶片的截面弦切角都是变化的，如图3所示，确定叶片弦切角中的平衡角做为辊轧模的零角度，即轧辊中心线的位置，平衡角的计算方法是：
β平＝(β尖+β根)/2
β平与β根之差不大于5°时，使用β根＝β平
式中：β平-平衡角，β尖-叶片尖角，β根-叶根角。
4.叶片型面的光顺处理
是利用模具设计软件UG的曲线光顺功能，在适当的公差范围为0～0.05mm内对坐标型面进行光顺，检查曲率梳的变化，在公差范围内去除叶片型面上的拐点，然后形成新的叶片型面。
5.叶片截面的选取
根据叶片设计图上所提供切面的截面距疏密情况而定，是截面距不亦过大或过小，截面距过大，型面加工时波纹度难以控制；截面距过小，则样板数量多而且制造困难，对于型面变化剧烈的区域，截面加密，以控制型面变化，叶身截面间距离大于7mm、距叶根的截面距大于3mm，则增加中间截面，以利于模具的制造和轧制过程中叶片型面的控制。
对于叶根和叶尖部分有些设计图已经给出叶身以外的补充截面，直接使用，对于未给出补充截面的叶片要进行截面的补充，对于叶根部分和叶尖部分增加补充截面的方法，使用模具设计软件UG的延伸功能、直线插分或曲线插分等方法来设计。建议将整个叶片的截面进行重新分布，如果在第一步选择了新的Z’轴，则要按垂直与新的Z’轴方向进行重新确定截面位置，以满足轧模制造过程中的需要，新形成的叶片型面坐标点的间隔为0.5～3mm，如图4所示。
6.辊轧模中截面的选择
是将叶片的截面中心位置放置与轧模的分度圆直径重合。
7.叶片型面的边缘处理。
为了有利于叶片在辊轧过程中的金属流动，满足开式辊轧的要求，需对叶片型面的边缘处理，其方法为：叶身全长上左延长段、右延长段值允许不一致，边缘厚度值除了咬口和出口的值不一致以外，各截面为同一的数值。从边缘侧向叶片型面增加保证型面光顺的1～2个补充点，各截面间边缘要平滑，如果边缘处理的不够理想，对于有特殊公差要求的叶片型面，将需要重新设计截面坐标；对于边缘比较薄的叶片，用上述方法设计轧模所得到的叶片，容易出现卡点，但是卡点的长度一般不超过1mm，在处理边缘圆内时将卡点去除A＝0.1～0.5mm、h1＝0.5～5mm和h2＝0.5～5mm。具体形式如图5所示。
8.咬口位置的确定和处理
在一般情况下，咬口位置是距内缘板0.75～1R左右，对于高榫头则相应增加，对轧模近根段进行修正，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，量为Δ值，使咬口部位形成抛物线状的变化，咬口位置与内缘板距离为H＝0.5R～2R，咬口位置与咬口方式如图6所示。其中R-叶根半径。
9.轧模出口的处理
是在叶片有效截面结束后增加长度，这段的长度一般在5～6mm左右，增加部分的型面应按照型面曲率光顺延伸，且型腔厚度Cmax逐渐增大，Cmax增大范围由0.2～1mm。
10.叶片截面与轧模截面换算
由于叶片在辊轧过程中型面产生滑移，需对叶片截面距进行换算：
公式为：A＝(2πR1L)/(360k)
式中：L-叶片截面距，R1-辊轧模半径，k-滑移系数，A-轧模角度
11.辊轧模外形的设计如图7所示
(1)辊轧模的宽度为60～70mm；
(2)轧模内圆环的扇面角度为110～130°，轧模外轮廓扇面角度为100～120°；
(3)型面和外轮廓转接圆角半径为3～10mm；
(4)在轧模后定位端增加用于调节辊轧模配合间隙的垫槽，防止如图8所示错移的轧模咬口现象发生，垫槽长5～20mm，宽2～6mm；
(5)每侧面有2个定位凹槽，中心距30～50mm，定位凹槽向心切面夹角30～50°。
Claims (1)
1、一种轧制无余量叶片辊轧模的设计方法，其特征是按如下步骤进行：
(1)叶片辊轧可行性分析，确定设计参数中，首先对叶片结构，尺寸及叶片材料进行如下分析：
适于辊轧叶片结构及尺寸是：单榫头或无榫头结构，叶片长度小于100mm，宽度小于30mm，并确定能否直接辊轧成型或辊轧后通过机械校型得到最终尺寸；
适于辊轧叶片的材料为铝合金、不锈钢及高温合金；
适于辊轧的叶片进行辊轧试验获得叶片滑动系数k；
(2)叶片辊轧方向的选择与确认，是通过分析叶片型面特性，确认叶片的辊轧方向，即金属流动方向，具体作法是：首先检查叶片各截面的Cmax的分布情况，当叶尖、叶根截面的Cmax的连线与叶片的Z轴夹角不大于3°时，则选择叶片Z轴方向做为叶片辊轧方向Z轴方向，也就是辊轧模具的滚动方向；当叶片各截面的Cmax的连线不与叶片Z轴平行并且有较大偏差时，则重新确定辊轧方向，形成新的坐标Z′轴，即用叶尖和叶根Cmax连线做Z′轴，保证叶尖和叶根之外的截面Cmax均匀分布在Z′轴左右，上述的Cmax——叶型最大厚度；
(3)叶片平衡角的选择与设计，首先检查叶片的叶根和叶尖的弦切角的变化，确定叶片弦切角中的平衡角做为辊轧模的零角度，即轧辊中心线的位置，平衡角的计算方法是：
β平＝(β尖+β根)/2
当β平与β根之差不大于5°时，使用β根＝β平，
式中：β平——平衡角，β尖——叶片尖角，β根——叶根角；
(4)叶片型面的光顺处理，是利用模具设计软件UG的曲线光顺功能，在公差范围为0～0.05mm内对坐标型面进行光顺，检查曲率梳的变化，在公差范围内去除叶片型面上的拐点，然后形成新的叶片型面；
(5)叶片截面的选取，根据叶片设计图上所提供切面的截面距疏密情况而定，截面距不亦过大或过小，对于型面变化剧烈的区域，截面加密，以控制型面变化，叶身截面间距离大于7mm，距叶根的截面距大于3mm，则增加中间截面，以利于模具的制造和轧制过程中叶片型面的控制，对于叶根和叶尖部分，设计图纸已经给出叶身以外的补充截面，直接使用，对于未给出补充截面的叶片要进行截面补充，对于叶根部分和叶尖部分增加补充截面的方法，使用模具设计软件UG的延伸功能，直线插分或曲线插分方法来设计；
(6)辊轧模中截面的选择是将叶片的截面中心位置放置与轧模的分度圆直径重合；
(7)叶片型面的边缘处理是：叶身全长上左延长段、右延长段值允许不一致，边缘厚度值除了咬口和出口的值不一致以外，各截面为同一的数值，从边缘侧向叶片型面增加保证型面光顺的1～2个补充点，各截面间边缘要平滑，如果边缘处理的不够理想，对于有特殊公差要求的叶片型面，将需要重新设计截面坐标；对于边缘比较薄的叶片，用上述的叶片型面边缘处理方法设计轧模所得到的叶片，容易出现卡点，但是卡点的长度不超过1mm，在处理边缘圆角时将卡点去除A＝0.1～0.5mm、h1＝0.5～5mm和h2＝0.5～5mm；
(8)咬口位置的确定和处理是，咬口位置是距内缘板0.75～1R左右，对于高榫头则相应增加，对轧模近根段进行修正，加入补充截面，截面距离大于2mm，而且增大轧模咬口部分的型腔，量为Δ值，使咬口部位形成抛物线状的变化，咬口位置与内缘板距离为H＝0.5R～2R，其中，R——叶根半径；
(9)轧模出口的处理是在叶片有效截面结束后增加长度，这段的长度为5～6mm左右，增加部分的型面应按照型面曲率光顺延伸，且型腔Cmax值逐渐增大，Cmax增大范围为0.2～1mm，其中：Cmax——叶型最大厚度；
(10)叶片截面与轧模截面换算，由于叶片辊轧过程中型面产生滑移，需对叶片截面距进行换算，公式为：
A＝(2πR1L)/(360k)
式中L——叶片截面距，R1——辊轧模半径，k——滑移系数，A——轧模角度；
(11)辊轧模外形设计是：辊轧模的宽度为60～70mm；轧模内圆环的扇面角度为110～130°，轧模外轮廓扇面角度为100～120°；型面和外轮廓转接圆角半径为3～10mm；在轧模后定位端增加用于调节辊轧模配合间隙的垫槽，防止错移的轧模咬口现象发生，垫槽长5～20mm，宽2～6mm；每侧面有2个定位凹槽，中心距30～50mm，定位凹槽向心切面夹角30～50°。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090930 Termination date: 20131221 |