高压涡轮冷却外壳成形工艺及模具设计详解

本文分析了高压涡轮冷却外壳的成形工艺，并介绍了聚氨酯胀形模的结构设计和模具工作过程以及模具调试改进。

1 引言

图1所示为某航空发动机高压涡轮冷却外壳制件，其外形为异形筒结构，材料为AMS5599，厚度0.42mm。成形后的制件要求表面光洁、平整、无皱纹、无深度划痕等缺陷。在此制件的生产过程中，成形工序是该件生产的重要工序，因此成形工艺分析和模具结构设计是否合理将直接影响到制件质量。

2 制件成形工艺分析

2.1 制件结构特点

(1)壁薄。制件壁厚只有0.42mm，因此其抗失稳能力差，成形时易出现褶皱、破裂等缺陷。制件成形减薄只允许20%，即0.08mm。

(2)制件型面复杂。型面为异型筒结构。

(3)制件表面质量要求高。划伤深度不允许超过0.1mm。

2.2 工艺分析

(1)由于该制件为异形筒状，为了便于成形后制件的取出，凹模需做成分体结构。

(2)由于该制件壁薄，抗失稳能力差，如果采用刚性凸模-凹模成形，会因为板料的悬空区域过大而引起起皱，且制件R圆角处易造成减薄甚至破裂。如果采用软凸模成形则可解决起皱、破裂等成形问题。因为与利用刚性凸模-凹模进行冲压成形工艺相比，软模成形工艺有以下几个优势：

第一，在软凸模成形过程中板料一直完全与软凸模接触，消除了刚性凸模-凹模成形过程中存在的悬空区域，从而避免了利用刚性模具进行成形的一些缺陷；

第二，由于软模材料的形状可随模具的形状而改变，其与板料之间的摩擦力很小，能够提高成形后制件的表面质量；

第三，在软模成形过程中板料在各个方向上都受到力的作用，能使板料在最有利的情况下变形，改善了板料的受力情况，提高了板材的成形性能。

(3)由于制件表面质量要求高，不允许有超过0.1mm的划伤，因此一定要保证凹模分体瓣块之间的对接间隙。

(4)由于制件在高度上，上下部分结构不一致，成形时容易产生回弹，尤其是上部R处，因此考虑在上部位增加工艺补长，使制件在结构上上下对称。相应的，成形工艺就变成了上下两件对称成形的工艺，成形后再用车加工或激光切割的方法将制件一分为二，这样，不仅能够减小制件回弹，也使得成形工序的加工效率提高了一倍。增加工艺补长后的制件如图2所示。

3 模具结构设计和工作过程

图3所示为聚氨酯胀形模结构。该模具由上、下模两个部分组成：上模部分主要由上模座板1、凸模3，其中凸模3由模座和软模组成，软模材料为聚胺酯橡胶；下模部分主要由下模座板2、凹模4、外套5、推板6、导柱7。各个部件的连接主要是靠螺钉和圆柱销。导向机构由导柱7、推板6和凸模3共同组成。

图3 聚氨酯胀形模
1.上模座 2.下模座 3.凸模 4.凹模 5.外套 6.推板 7.导柱

聚氨酯胀形模的工作过程：先把筒料放入凹模腔内。开动液压机使其滑块下行时，首先凸模3进入凹模4内，凸模3受压，聚氨酯横向膨胀，进行胀形工序，直至滑块下行程终止，保压5～10s。胀形完毕，滑块上行，凸模抬起，聚氨酯自行恢复，然后液压垫上行，顶杆将推板6和凹模4沿导柱7一起顶出，从而取出制件。

4 模具设计要点

(1)软模的体积应大于凹模4型腔在制件高度区域的体积。

(2)软模硬度为邵氏硬度90～95A，凹模淬火硬度在55～60HRC，并开设有排气孔。

(3)为减轻凹模4分模面间隙对制件表面的压痕，凹模分瓣数越少越好，不宜超过四瓣，模瓣对接间隙不得大于0.02mm。

(4)为了保证制件R圆角成形，必须有足够大的压力作用于聚氨酯凸模上，这样聚氨酯材料才能有良好的流动性，因此凹模外套5的强度必须满足要求。

(5)导拄7的长度应能保证推板6将凹模4完全顶出并超过外套5上端面。

5 模具调试及改进

模具试压时发现存在以下两个问题：

(1)压制时，胀形力沿外套5锥面产生向上的分力，使得凹模上移，造成凹模分模面间隙增大，制件表面产生压痕。

(2)取件时，需手工移开凹模瓣块才能将制件取出，且随后还要手工将凹模瓣放回，造成加工费力，效率低下。

经研究，对聚氨酯胀形模局部结构进行了改进，改进后的模具结构见图4。改进前后主要差异是增加了导向滑块机构及圆柱销锁紧机构。导向滑块机构可使凹模4沿外套5锥面移动，从而实现凹模4自动分开或合并，而无需手动；圆柱销锁紧机构只是在高度方向上控制凹模4，而在径向，凹模4可沿推板6上的键槽自由移动。这样，在胀形时，圆柱销锁紧机构将凹模4在高度方向上锁紧在推板6上，避免了凹模4沿外套5锥面的上移；在取件时，顶杆将推板6和凹模4一起顶出的同时，凹模会沿径向逐渐散开，制件很易取出，而随着推板6的回程，凹模4又会沿径向逐渐闭合，直至模瓣无间隙。改进后的模具，既解决了制件表面压痕问题，又降低了操作者的劳动强度，提高了加工效率。

6 结束语

对高压涡轮冷却外壳制件进行成形工艺分析后，采用软凸模成形，配以导向滑块机构及圆柱销锁紧机构，既保证了制件加工质量，又提高了加工效率，节约了成本。

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