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冷却外壳成形工艺及模具设计
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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。
2.1 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。
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
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。
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。
