CN102756063B - 叶片类产品模锻荒坯的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种叶片类产品模锻荒坯的制造方法，叶片类产品模锻荒坯呈哑铃状，由左右两端的大头圆盘和中段杆件连接而成，且大头圆盘和中段杆件通过过渡弧面圆滑连接；所述荒坯使用镦锻加工方法制得，将圆柱状的棒料设置在模具内，该模具为水平两开模结构、上、下模闭合后的型腔尺寸与荒坯尺寸一致，在型腔的左、右两端分别设置有左、右镦头，左、右镦头相向运动、挤压棒料两端，使得棒料在模具内镦锻成型为荒坯。本发明综合了模锻和挤压的优点，突破了自由锻锤和径向锻造的局限性；改变了一般荒坯敷料大、余量和公差大、肥头大耳的落后状况，可实现荒坯精细化生产，制坯过程一次性完成，操作时间短，坯料成型精度高。
Description
技术领域
本发明涉及透平设备的叶片制造加工领域，具体是一种叶片类产品模锻荒坯的制造方法及其专用模具。
背景技术
叶片是汽轮机、压气机等透平设备的核心零部件，起着能量转换的关键作用。随着叶片技术的发展，叶片的形状、结构越来越复杂，型面扭曲度大，汽道尺寸较长的叶片毛坯一般采用模锻成型，图1为典型汽轮机叶片模锻毛坯，因其独特两头大中间小的结构，为了保证模锻过程坯料充型，预制荒坯也需锻造成相应“哑铃”型，如图2所示。
现有技术一般采用自由锻制坯或径向锻造制坯的方法对如图2所示的这种特殊结构的荒坯进行制作加工，具体的：
1、自由锻制坯：是在自由锻设备上采用人工锻造上述“哑铃”型的荒坯，基本工序为：下料—加热—镦粗（或拔长）两端—滚圆—压肩—中间杆部拔长，在锤上制坯完成。但是，本方法存在以下缺点：
1) 不能完全满足开坯工艺的要求，尺寸不易控制，造成坯料各部位的金属分布不均匀，有的部位往往需加大敷料；
2) 过渡R部位很难控制，且这些部位出现的折叠、裂纹较多，开坯完成后需花大量的人力、物力去打磨，而且不易打磨干净，严重影响后续的模锻质量；
3) 坯料的表面不光滑，易在后续的模锻中出现折叠等缺陷；
4) 所需胎膜、工装重，人工不易操作，安全隐患多；
5) 整个过程工序复杂，锻造火次多，材料消耗大。
2、径向锻造制坯：采用径向锻造技术锻造上述“哑铃”型的荒坯，需采用较大原材料，先将两端镦锻成型，再采用径向锻造拔长中间杆部。其缺点是：
1) 原材料规格较大；
2) 拔长前中间杆部长度受限，不能太短；
3) 两端大头部分成型仍需在自由锻上镦粗成型，所需胎膜、工装重，人工不易操作，安全隐患多。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种叶片类产品模锻荒坯的制造方法，制作过程简单、满足工艺要求。
本发明所采用的技术方案是：
叶片类产品模锻荒坯的制造方法，叶片类产品模锻荒坯呈哑铃状，由左右两端的大头圆盘和中段杆件连接而成，且大头圆盘和中段杆件通过过渡弧面圆滑连接；所述荒坯使用镦锻加工方法制得，将圆柱状的棒料设置在模具内，该模具为水平两开模结构、上、下模闭合后的型腔尺寸与荒坯尺寸一致，在型腔的左、右两端分别设置有左、右镦头，左、右镦头相向运动、挤压棒料两端，使得棒料在模具内镦锻成型为荒坯。
其具体步骤在于：
（1）棒料在中频炉中加热至可塑状态；
（2）将棒料送入下模后，合上上模；
（3）模具两端的左、右两镦头相向运动，使得棒料在模具中定位；
（4）上、下模闭合夹紧，左、右两镦头相向运动、同步挤压到位，使棒料镦锻成型；
（5）打开上模，左、右两镦头反向运动，取出荒坯。
所述步骤（2）中，上模和下模的闭合连接处留有间隙。
所述步骤（3）中，定位后的棒料左端圆盘外端面距离中段杆件的竖直中心线的距离为A：
其中：D1为荒坯的左端圆盘的通径；
L1为荒坯的左端圆盘的轴向长度；
f(x)为过渡弧面的过渡圆角曲线方程；
a为过渡弧面起点的坐标值；
b为过渡弧面终点的坐标值；
l1为左端圆盘内端面距离中段杆件的竖直中心线的距离；
d为中段杆状的通径。
所述荒坯的通径小于或等于棒料的通径。
所述下模的底部、对应中段杆件的中心位置，沿竖直方向设置有顶料杆，顶料杆可沿竖直方向上下运动、其外端面对应荒坯底部。
所述左、右镦头分别与压机的两个液压缸连接。
本发明所产生的有益效果是：
本发明的叶片类产品模锻荒坯的制造方法及其专用模具的设计，综合了模锻和挤压的优点，突破了自由锻锤和径向锻造的局限性；改变了一般荒坯敷料大、余量和公差大、肥头大耳的落后状况，可实现荒坯精细化生产，制坯过程一次性完成，操作时间短，坯料成型精度高。具有以下优点：
1) 荒坯尺寸能精确保证，特别是过渡圆角部分通过模具能准确得到，从而大幅度提高荒坯质量；
2) 原材料规格减小，降低材料消耗；
3) 两端大头部分一次镦挤成型；
4) 实现机械自动化，大大减轻了工人的劳动强度；
5) 工艺过程安全、可靠；
6) 减少加热次数，节约了能源和原材料；
7) 生产效率大大提高。
附图说明
图1 是典型汽轮机叶片毛坯的结构示意图；
图2 是汽轮机叶片的模锻预制荒坯的结构示意图；
图3是本发明镦锻制坯时的初始状态示意图；
图4是本发明镦锻制坯完成后的状态示意图；
图5是本发明镦锻过程的数学模型示意图；
图6是本发明镦锻模具的结构示意图；
图中标号表示：1—左镦头、2—上模、3—右镦头、4—下模、5—棒料、 6—荒坯、7—顶料杆、8—螺栓、9—螺母、10—定位销、11—垫片。
具体实施方式
如图3～6所示，为改善以往叶片荒坯6成型的缺点，本发明对荒坯6的制造方案进行相应改进，本发明采用镦锻技术进行叶片类产品模锻荒坯6的制造。具体是将加热好的圆柱状棒料5设置在制坯模具内，且荒坯6的通径小于或等于棒料5的通径。
如图2所示，叶片类产品模锻荒坯6呈哑铃状，由左右两端的大头圆盘和中段杆件连接而成，且大头圆盘和中段杆件通过过渡弧面圆滑连接。
如图6所示，根据镦锻制坯原理，设计了专用的制坯模具，该制坯模具为水平两开模结构、分为上模2和下模4，上模2和下模4闭合后的型腔尺寸与荒坯6尺寸一致，不过，模具型腔与荒坯6皆考虑一定的热收缩量。上模2和下模4都是采用螺栓8和螺母9、垫片11与压机工作台联接，上模2和下模4之间采用定位销10定位。在模具型腔的左、右两端分别设置有左镦头1和右镦头3，在模具型腔的两端分别预留一段镦挤导向距离。本具体实施方式中，下模4的底部、对应中段杆件的中心位置，沿竖直方向设置有顶料杆7，顶料杆7可沿竖直方向上下运动、其外端面对应荒坯6的底部。左镦头1和右镦头3分别与压机的两个液压缸连接，顶料杆7与顶料油缸连接。
如图3、4所示，首先，将加热好的原始棒料5在制坯模具中进行定位；然后，上模2与下模4闭合、将棒料5对应荒坯6中段杆件位置夹紧；最后，左镦头1与右镦头3同时对棒料5施加一定作用力，棒料5的两端受到挤压力作用下局部镦粗，使得棒料5充满整个模具型腔，从而实现在封闭的型腔中镦锻形成最终的荒坯6。整个制坯过程一次性完成，操作时间短，最终荒坯6尺寸与模具尺寸一致，成型精度高。
本发明叶片类产品模锻荒坯6的制造方法的具体步骤为：
（1）棒料5在中频炉中加热至可塑状态。
（2）将棒料5送入下模4后，合上上模2。为方便步骤（3）中棒料5的定位，此时，上模2和下模4没有完全闭合，其闭合连接处留有一定的间隙。
（3）模具两端的左镦头1和右镦头3相向运动，使得棒料5在模具中定位。此时，左镦头1和右镦头3在控制机构的作用下运动，棒料5在模具中的位置是事先计算好、并准确定位的，定位后的棒料5左端圆盘外端面m距离中段杆件的竖直中心线Y的距离为A：
其中：D1为荒坯6的左端圆盘的通径；
L1为荒坯6的左端圆盘的轴向长度；
f(x)为过渡弧面R1的过渡圆角曲线方程；
a为过渡弧面R1起点X坐标值；
b为过渡弧面R1终点X坐标值；
l1为左端圆盘内端面距离中段杆件的竖直中心线Y的距离；
d为中段杆状的通径。
上述公式是根据镦锻制坯原理计算得到的，具体如下所述。因为，整个镦锻过程棒料5的总体积保持不变，即V棒=V坯，根据这一原则建立如图5的数学模型进行计算，棒料5镦锻到荒坯6，总体积不变，因棒料5两端同时受力，原点O不动，以棒料5的左端为例，整个镦锻过程中，棒料5从m点移动到n点，假设过渡圆角曲线方程为y=f(x)，根据高等数学旋转体体积计算公式，则V棒=V坯可以展开如下公式：
简化求解得到位后的棒料5左端圆盘外端面m距离中段杆件的竖直中心线Y的距离A：
同理，可以求得定位后的棒料5右端圆盘外端面t距离中段杆件的竖直中心线Y的距离B。
（1）棒料5在模具中定位后，上模2和下模4闭合夹紧，使得棒料5对应荒坯6中段杆件位置被模具夹紧，即棒料5中段杆件的竖直中心线Y的位置固定。此时，再使左镦头1和右镦头3相向运动、同步挤压到位，使棒料5镦锻成型为荒坯6。
（2）打开上模2，左镦头1和右镦头3反向运动、回程到位，取出荒坯6。本具体实施方式中，上模2回程到位、左镦头1和右镦头3头回程一定距离后，通过下模4底部中心的顶料杆7向上运动、将荒坯6顶出，此时取出荒坯6。
（3）最后，左镦头1和右镦头3回程到位，完成一个工作循环。
本发明叶片类产品模锻荒坯6的制造方法的关键之处在于以下两点：
1) 棒料5在模具中定位。为实现荒坯6的精确成型，棒料5在模具的精确定位尤为重要。为达到这一目的，将常规的模具合模、夹紧这一连续动作在此分成两步，即：步骤（2）中棒料5放入下模4的型腔后，上模2和下模4合模、但是两者留有一定间隙，使得棒料5在模具型腔内、可以沿轴向方向左右移动；然后在步骤（3）中，再使左镦头1和右镦头3相向运动、贴合棒料5的两端，将棒料5推送至镦锻的初始位置，即棒料5的两端对应图5中的m和t位置，完成棒料5在模具中的定位。此后，再将上模2和下模4夹紧、开启压力机进行镦锻。
2) 取出荒坯6的步骤和工具。镦锻操作完成后，为防止工件粘在上模2上，在左镦头1和右镦头3仍处于夹紧位置、即压力状态下，上模2先回程；然后左镦头1和右镦头3回程一定距离后，顶料杆7动作将荒坯6顶出下模4，从而十方方便地将荒坯6取出，且不会有粘连现象产生。
Claims (3)
1. 叶片类产品模锻荒坯的制造方法，叶片类产品模锻荒坯呈哑铃状，由左右两端的大头圆盘和中段杆件连接而成，且大头圆盘和中段杆件通过过渡弧面圆滑连接；其特征在于：所述荒坯使用的镦锻制坯模具为水平两开模结构、分为上模和下模，上模和下模闭合后的型腔尺寸与荒坯尺寸一致，模具型腔与荒坯皆考虑一定的热收缩量；在模具型腔的左、右两端分别设置有左镦头和右镦头，在模具型腔的两端分别预留一段镦挤导向距离；所述下模的底部、对应中段杆件的中心位置，沿竖直方向设置有顶料杆，顶料杆可沿竖直方向上下运动、其外端面对应荒坯底部；叶片类产品模锻荒坯的制造方法的具体步骤为：
(1)棒料在中频炉中加热至可塑状态；
(2)将棒料送入下模后，合上上模；此时，上模和下模没有完全闭合，其闭合连接处留有一定的间隙，使得棒料在模具型腔内、可以沿轴向方向左右移动；
(3)模具的左镦头和右镦头相向运动、贴合棒料的两端，将棒料推送至镦锻的初始位置、使得棒料在模具中定位；定位后的棒料左端圆盘外端面距离中段杆件的竖直中心线的距离为A：
其中：D1为荒坯的左端圆盘的通径；
L1为荒坯的左端圆盘的轴向长度；
f(x)为过渡弧面的过渡圆角曲线方程；
a为过渡弧面起点的坐标值；
b为过渡弧面终点的坐标值；
l1为左端圆盘内端面距离中段杆件的竖直中心线的距离；
d为中段杆状的通径；
(4)棒料在模具中定位后，上模和下模闭合夹紧，使得棒料对应荒坯中段杆件位置被模具夹紧，即棒料中段杆件的竖直中心线的位置固定；此时，再使左镦头和右镦头相向运动、同步挤压到位，使棒料镦锻成型为荒坯；
(5)打开上模，左、右两镦头反向运动、回程到位，通过下模底部中心的顶料杆向上运动、将荒坯顶出，此时取出荒坯。
2.根据权利要求1所述的叶片类产品模锻荒坯的制造方法，其特征在于：所述荒坯的通径小于或等于棒料的通径。
3.根据权利要求1所述的叶片类产品模锻荒坯的制造方法，其特征在于：所述左、右镦头分别与压机的两个液压缸连接。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |