大直徑厚板螺旋葉片成形壓模的設計

恒天重工股份有限公司 李勁秋鄭州大學 周愛琴

大直徑厚板螺旋葉片成形壓模的設計

恒天重工股份有限公司 李勁秋
鄭州大學 周愛琴

螺旋葉片是黃化機攪拌軸上的主要部件，成形時是用具有螺旋面的專用模具把預先已展開的鋼板圓環坯料加壓變形而成。這種螺旋葉片壓模外形尺寸大，工件在壓制過程中扭曲變形量大，因此要保證葉片順利準確成型，模具設計及制造難度較大。本文，筆者探討了一種螺旋葉片成形壓模的設計。

一、需加工的螺旋葉片規格

螺旋葉片規格：螺旋直徑Φ2 238 mm，螺旋升角27.8°，導程3 460 mm，葉片投影包角208。螺旋面高度差300 mm，螺旋葉片簡圖如圖1所示。

二、難點分析

1.按常規考慮，這種大螺旋葉片設計時應分3段壓制才能保證成形質量。但由于拼焊時3段不易擺放，焊接難度大、焊成后外圓尺寸精度差等問題，難以達到設計使用效果。為降低拼焊難度，提高質量，工藝要求分2段進行壓制，導致壓模外形尺寸增至2 500 mm，大大增加了壓模設計和制造難度。

2.由于毛坯加熱后尺寸變化無法確定，因此模具設計時定位托料銷的位置較難確定。若毛坯的定位不準，可能導致工件成形時產生滑移，影響到葉片扭曲變形后的尺寸精度。

3.螺旋葉片模具型面復雜，計算程序繁瑣，數據繁多，由于后期木模制作須參照模具型面尺寸參數，因此計算及設計上不容差錯，否則一旦報廢，損失巨大。

三、螺旋葉片壓模各項尺寸參數的計算

1.螺旋葉片平面展開輪廓的尺寸計算。壓模設計前須將螺旋葉片展開為平面圓環，螺旋葉片平面展開輪廓的正確與否非常重要，直接影響到壓制成形后工件的幾何形狀。單導程的螺旋葉片經平面展開后，為不完全圓環，如圖2所示。

在圖2中，L2、L1分別為螺旋面內外圓展開實長，abcd即為螺旋面展開后的不完全圓環圖形。用計算法可求得不完全圓環的包角、內半徑及內外圓展開實長。以該右旋大螺旋葉片為例，經計算，其平面展開圓環毛坯尺寸如下。

在一個導程內，內圓弧線長L2=（（πd2）2+h2）1/2=7 002.88（mm），外圓弧線長L1=（（πd1）2+h2）1/2=7 836.13（mm），展開不完全圓環內圓半徑r=a×L2/（L1-L2）=1 260.6（mm），外圓半徑R=1 260.6+150=1 410.6（mm），圓環包角α=180×L2/πr=318.28°，本段螺旋展開圓環包角α’=2 000/3 460×318.28°=184°。

2.模具尺寸的計算及圖形的繪制。經過長期實踐，大型螺旋葉片熱壓均采取水平放置的方法，即把帶升角的壓模螺旋面旋轉至水平位置。相對于立壓成形這種方式，模具外形尺寸相對較小，降低了對成形設備的要求，且利于葉片的成形。設計時關鍵在于壓模的螺旋工作面形狀的正確性及其參數的計算。

以該右旋大螺旋葉片為例，根據葉片轉平前后的幾何關系，經計算可得出模具螺旋面的參數如下：模具螺旋面包角α1=（h/ H）×360/分段數=（2 000/3 460）×360/2=104.05°，經放量后設計為120°，模具螺旋面內外徑分別為r=969-31=938（mm），R=1 119+31= 1 150（mm），升程H模=H導×α模/360=1 153.33，螺旋面的轉平角度α=arctan（H/（2×R中×sinα模/2））=32.53°。

根據以上求得數據，按照模具型面轉平前后的位置圖像以等分投影法繪制出螺旋葉片水平壓模型面主視圖及俯視圖投影輪廓。

四、壓模設計時應注意的幾個問題

1.為保證葉片中間段成形精度要求，模具兩邊須根據計算出的葉片包角尺寸適當放量，一般單邊放量100 mm左右。這樣葉片壓制后保留中間段，兩端成形效果不佳的部分可以切割掉。如該螺旋葉片分兩段后每段葉片的投影包角α1=104.05°，經過放量后模具螺旋面包角設計為120°。

2.為了不影響加熱后毛坯的放置，壓模設計時，定位托料銷與工件毛坯間應預留6～8 mm間隙，在保證定位的情況下盡量不影響工件的成形精度。

3.在大型螺旋葉片壓模上增加加強筋的數量，并合理布置加強筋的支承位置，提高型面的強度。

4.根據毛坯扭曲變形后螺旋面的高度差，應對定位托料銷和彈簧的尺寸參數進行計算和校核，以保證模具順利合模。

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