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摘要：汽轮机叶片品种系列多，叶片数量也比较大。叶片锻造工艺条件复杂，设计周期长，设计任务繁重，因此迫切需要降低设计人员的设计强度。由于模锻（模型锻造）是将常温或热态的坯料放入模膛中进行塑性成形的锻造方法，是锻造生产的主要工艺，通常采用模锻工艺来加工叶片。在UG软件平台上进行二次开发，能够快速设计出叶片锻造模具的CAD系统，这对汽轮机叶片锻造行业具有十分重要的意义。
关键词：汽轮机叶片；模具；UG/OPEN GRIP；二次开发
中图分类号：TG316
文献标识码：A
1. 引言
叶片是汽轮机、航空发动机和燃气轮机的重要零件。汽轮机叶片在火力发电过程中起到关键的能量转换作用，是汽轮机的“心脏 ”。汽轮机中的叶片数量很大，一台汽轮机有数千件大小叶片。据统计，叶片制造的工时约占汽轮机整机的1 /3，工装量占整机的 1 /2左右，成本约占整机的 20% ～25%。
汽轮机叶片，尤其是大叶片主要采用螺旋压力机模锻工艺生产。和航空发动机叶片相比，几何尺寸大，扭曲更为严重，锻造的成形力更大，需要超大型压力机生产。典型的汽轮机叶片结构由叶根、叶身、叶冠 3部分组成[1]，如图1所示。
实际工作中设计一套完整的叶片锻件和锻模的过程十分复杂。首先要根据图纸的设计叶片实体模型，接着设计飞边体和毛边槽，最后分模生成叶片锻模 [2]。整个流程如图2所示。
2. 飞边体的设计
本文第1节中讲到当今叶片的锻造通常都是采用模锻进行的，模锻有两种不同的方式：带毛边槽的开式模鍛和无毛边槽的闭式模锻。后者的最大优点是有利于塑性变形、节省毛边的损耗。但无毛边锻造对锻件坯料体积计算要求十分精确，而且要提高设备吨位，锻模寿命也缩短了。所以目前应用并不广泛，国内外普遍采用带毛边的开式模锻[3]。
采用开式模锻加工叶片，模具型槽周边必须要有毛边槽。由于毛边槽的位置固定，而叶片实体上叶身、叶根和叶冠的位置不在同一平面上，为了将毛边槽和叶片实体连接起来，设计时必须要有一条通道将毛边槽和叶片实体连接起来。这条通道就被称作“飞边”。这样一来，多余的金属材料就可以通过飞边流向毛边槽了。
飞边体的设计是在叶片实体分型面已经设计完成了以后，将分型面沿着一定的方向拉伸一定的距离形成的实体。该叶片的飞边体拉伸方法是：
2.1.叶身处，将进气边处的分型面向+x方向拉伸一定长度，将出气边处的分型面向-x方向拉伸同样的长度，得到飞边体。
2.2.叶根处，叶身与叶根的相交处的余块上的飞边体的生成方法同叶身，是分型面沿着+x或-x方向和叶身拉伸同样的长度；叶根上的飞边体由于分型面有错位，故其生成方法是找到错开处的分型面，将这些分型面沿着-z的方向拉伸上述长度的两倍；将余块上的飞边体和叶根上的飞边体之间的空缺补足；叶根底面上的飞边体是将底面上的分型面沿着-z的方向拉伸一定的长度。
2.3.叶冠处，将叶冠顶面的分型面沿+z方向拉伸一定的长度，再将叶冠与叶身之间的空缺部分补足。
拉伸后的飞边体见图3。
3. 毛边槽的设计
开式模锻的模具型槽周边必需要有毛边槽，其形式及尺寸大小是否合适对锻件成形影响很大。所以，设计模具型槽的另一重要任务是确定毛边槽形式及有关尺寸。
毛边槽的形状尺寸与锻件的形状尺寸有关，甚至与终锻前坯料的体积及形状也有关系。合适的毛边槽形状及尺寸大小，应当是既保证锻件充满成形和能容纳多余金属，还应当使锻模有较长的工作寿命。目前国内外叶片锻件生产厂家，常采用图4所示的毛边槽形式。
毛边槽结构形式是由桥部和仓部组成。以图4所示，h是毛边槽桥部的高度，b是桥部的宽度；毛边槽仓部的高度是h1，宽度是b1。为了在毛边槽内产生足够大的径向阻力，并容纳下所有的多余金属，以及便于切除毛边，毛边槽的桥部高度应小些，宽度大些；仓部的高度和宽度都应适当。本文设计的叶片的毛边槽桥部高度5.5mm，宽度12mm。图4是该叶片设计的毛边槽结构图。
4 .锻模的设计
4.1. 模块的选择
锻锤上或压力机上的叶片锻模多采用镶块式，因为叶片锻模工作寿命不长，用整体结构的锻模，既浪费材料又延长制模周期[4]。有两种镶块型式，如图5-1和图5-2。为了模具制造和使用上的方便，各厂家都将模块的结构和尺寸标准化，表1为某叶片生产公司使用的模块规格。
模具材料一般采用5CrMnMo，4Cr5W2VSi等。其硬度为HRC46～51。图5-1所示模块一侧有4°的斜度，在斜面的上下两侧面留有长条形平面，制造模具时，便于定位。模块装在模座中靠锲铁固紧。这种模块安装调整比较方便，但模具因返修而变薄时需更换锲铁。图5-2所示的模块旁侧不带斜度，而模块两端除抬模孔外，还开有宽24毫米，深8毫米的长槽，上模座有一个舌形销插入槽里，将上模挂位。这种模块返修变薄，不需要更换锲铁，但它安装调整比较麻烦。
4.2. 锻模的造型
锻模造型之前，已经造出了叶片锻件、叶片锻件的毛边槽实体、分模面以及锻模的模块，只要对其做一定的运算，就可以得到锻模的造型，这一部分也是通过程序自动实现的。步骤如下：
4.2.1.将叶片锻件与毛边槽实体做布尔和运算。
4.2.2.按照锻模模块参数建立锻模模块，并使模块的中心位于坐标原点。
4.2.3.在锻模模块中减掉叶片锻件和毛边槽实体。
4.2.4.用分模面将锻模分成上下两个模块。
4.2.5.对上、下模内的型腔边缘转角进行倒圆角，就可得到符合要求的叶片锻模。
用分模面将锻模分开后，锻模的参数都将丢失，需要知道某个参数时，可以用UG的测量功能来获得。 5. 叶片锻模的自动分模程序及运行实例
本文采用的自动分模应用程序名为fanmo.grx，该程序采用UG/OPEN GRIP编程语言，通过人机交互方式，对不同型号的叶片进行自动分模，本程序通用性强，能够适合各种不同的叶片。图7是该程序的设计流程。具体的运行过程如下：
6. 结论
本文在总结了实际工作中叶片锻件的飞边体的设计过程、毛边槽的设计过程以及锻模的设计过程之后，使用UG/OPEN GRIP编程语言，采用人机交互方式，开发了叶片锻模的自动分模程序。实践证明该程序通用性强，操作简单，大大提高了设计工作的效率，使工程设计人员能将更多的时间投入到创造性的工作中去，增强了产品的竞争力。
参考文献：
[1] 李湘军，王开全，高新等.汽轮机叶片精密模锻件CAD软件系统研究[J].汽轮机技术，2005，47（4）：306-308
Li X J， Wang K Q， Gao X， et al. The research of CAD software system of the precision forgings of turbine blade[J]. Turbine Technology， 2005，47（4）：306-308
[2] 蓋超.汽轮机叶片锻造工艺余量自动加放技术的研究[D]. 无锡：江南大学机械工程学院，2007. 15-60.
Gai C. Research of the technology of automatic designing forging allowance in turbine blade[D]. Wuxi： Jiangnan University， 2007. 15-60.
[3] 张志文.锻造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1983.123-124.
Zhang Z W. Forging technology[M]. Beijing： Machinery Industry Press， 1983. 123-124.
[4] 粟祜.叶片精锻[M].北京：国防工业出版社，1984.212-213
Su H. Blade Precision Forging[M]. Beijing： National Defence Industry Press， 1984.212-213.
[5] 张国新.汽轮机大叶片模锻成形工艺[J].模具技术，2004（6）：26-30
Zhang G X. The Process of Turbine blade forging formation[J]. Die and Mould Technology， 2004（6）：26-30
作者简介：盖超（1978-） 男，江苏无锡人，硕士，讲师，无锡技师学院，模具制造专业课教师，主要从事模具设计与制造方面的研究；
关键词：汽轮机叶片；模具；UG/OPEN GRIP；二次开发
中图分类号：TG316
文献标识码：A
1. 引言
叶片是汽轮机、航空发动机和燃气轮机的重要零件。汽轮机叶片在火力发电过程中起到关键的能量转换作用，是汽轮机的“心脏 ”。汽轮机中的叶片数量很大，一台汽轮机有数千件大小叶片。据统计，叶片制造的工时约占汽轮机整机的1 /3，工装量占整机的 1 /2左右，成本约占整机的 20% ～25%。
汽轮机叶片，尤其是大叶片主要采用螺旋压力机模锻工艺生产。和航空发动机叶片相比，几何尺寸大，扭曲更为严重，锻造的成形力更大，需要超大型压力机生产。典型的汽轮机叶片结构由叶根、叶身、叶冠 3部分组成[1]，如图1所示。
实际工作中设计一套完整的叶片锻件和锻模的过程十分复杂。首先要根据图纸的设计叶片实体模型，接着设计飞边体和毛边槽，最后分模生成叶片锻模 [2]。整个流程如图2所示。
2. 飞边体的设计
本文第1节中讲到当今叶片的锻造通常都是采用模锻进行的，模锻有两种不同的方式：带毛边槽的开式模鍛和无毛边槽的闭式模锻。后者的最大优点是有利于塑性变形、节省毛边的损耗。但无毛边锻造对锻件坯料体积计算要求十分精确，而且要提高设备吨位，锻模寿命也缩短了。所以目前应用并不广泛，国内外普遍采用带毛边的开式模锻[3]。
采用开式模锻加工叶片，模具型槽周边必须要有毛边槽。由于毛边槽的位置固定，而叶片实体上叶身、叶根和叶冠的位置不在同一平面上，为了将毛边槽和叶片实体连接起来，设计时必须要有一条通道将毛边槽和叶片实体连接起来。这条通道就被称作“飞边”。这样一来，多余的金属材料就可以通过飞边流向毛边槽了。
飞边体的设计是在叶片实体分型面已经设计完成了以后，将分型面沿着一定的方向拉伸一定的距离形成的实体。该叶片的飞边体拉伸方法是：
2.1.叶身处，将进气边处的分型面向+x方向拉伸一定长度，将出气边处的分型面向-x方向拉伸同样的长度，得到飞边体。
2.2.叶根处，叶身与叶根的相交处的余块上的飞边体的生成方法同叶身，是分型面沿着+x或-x方向和叶身拉伸同样的长度；叶根上的飞边体由于分型面有错位，故其生成方法是找到错开处的分型面，将这些分型面沿着-z的方向拉伸上述长度的两倍；将余块上的飞边体和叶根上的飞边体之间的空缺补足；叶根底面上的飞边体是将底面上的分型面沿着-z的方向拉伸一定的长度。
2.3.叶冠处，将叶冠顶面的分型面沿+z方向拉伸一定的长度，再将叶冠与叶身之间的空缺部分补足。
拉伸后的飞边体见图3。
3. 毛边槽的设计
开式模锻的模具型槽周边必需要有毛边槽，其形式及尺寸大小是否合适对锻件成形影响很大。所以，设计模具型槽的另一重要任务是确定毛边槽形式及有关尺寸。
毛边槽的形状尺寸与锻件的形状尺寸有关，甚至与终锻前坯料的体积及形状也有关系。合适的毛边槽形状及尺寸大小，应当是既保证锻件充满成形和能容纳多余金属，还应当使锻模有较长的工作寿命。目前国内外叶片锻件生产厂家，常采用图4所示的毛边槽形式。
毛边槽结构形式是由桥部和仓部组成。以图4所示，h是毛边槽桥部的高度，b是桥部的宽度；毛边槽仓部的高度是h1，宽度是b1。为了在毛边槽内产生足够大的径向阻力，并容纳下所有的多余金属，以及便于切除毛边，毛边槽的桥部高度应小些，宽度大些；仓部的高度和宽度都应适当。本文设计的叶片的毛边槽桥部高度5.5mm，宽度12mm。图4是该叶片设计的毛边槽结构图。
4 .锻模的设计
4.1. 模块的选择
锻锤上或压力机上的叶片锻模多采用镶块式，因为叶片锻模工作寿命不长，用整体结构的锻模，既浪费材料又延长制模周期[4]。有两种镶块型式，如图5-1和图5-2。为了模具制造和使用上的方便，各厂家都将模块的结构和尺寸标准化，表1为某叶片生产公司使用的模块规格。
模具材料一般采用5CrMnMo，4Cr5W2VSi等。其硬度为HRC46～51。图5-1所示模块一侧有4°的斜度，在斜面的上下两侧面留有长条形平面，制造模具时，便于定位。模块装在模座中靠锲铁固紧。这种模块安装调整比较方便，但模具因返修而变薄时需更换锲铁。图5-2所示的模块旁侧不带斜度，而模块两端除抬模孔外，还开有宽24毫米，深8毫米的长槽，上模座有一个舌形销插入槽里，将上模挂位。这种模块返修变薄，不需要更换锲铁，但它安装调整比较麻烦。
4.2. 锻模的造型
锻模造型之前，已经造出了叶片锻件、叶片锻件的毛边槽实体、分模面以及锻模的模块，只要对其做一定的运算，就可以得到锻模的造型，这一部分也是通过程序自动实现的。步骤如下：
4.2.1.将叶片锻件与毛边槽实体做布尔和运算。
4.2.2.按照锻模模块参数建立锻模模块，并使模块的中心位于坐标原点。
4.2.3.在锻模模块中减掉叶片锻件和毛边槽实体。
4.2.4.用分模面将锻模分成上下两个模块。
4.2.5.对上、下模内的型腔边缘转角进行倒圆角，就可得到符合要求的叶片锻模。
用分模面将锻模分开后，锻模的参数都将丢失，需要知道某个参数时，可以用UG的测量功能来获得。 5. 叶片锻模的自动分模程序及运行实例
本文采用的自动分模应用程序名为fanmo.grx，该程序采用UG/OPEN GRIP编程语言，通过人机交互方式，对不同型号的叶片进行自动分模，本程序通用性强，能够适合各种不同的叶片。图7是该程序的设计流程。具体的运行过程如下：
6. 结论
本文在总结了实际工作中叶片锻件的飞边体的设计过程、毛边槽的设计过程以及锻模的设计过程之后，使用UG/OPEN GRIP编程语言，采用人机交互方式，开发了叶片锻模的自动分模程序。实践证明该程序通用性强，操作简单，大大提高了设计工作的效率，使工程设计人员能将更多的时间投入到创造性的工作中去，增强了产品的竞争力。
参考文献：
[1] 李湘军，王开全，高新等.汽轮机叶片精密模锻件CAD软件系统研究[J].汽轮机技术，2005，47（4）：306-308
Li X J， Wang K Q， Gao X， et al. The research of CAD software system of the precision forgings of turbine blade[J]. Turbine Technology， 2005，47（4）：306-308
[2] 蓋超.汽轮机叶片锻造工艺余量自动加放技术的研究[D]. 无锡：江南大学机械工程学院，2007. 15-60.
Gai C. Research of the technology of automatic designing forging allowance in turbine blade[D]. Wuxi： Jiangnan University， 2007. 15-60.
[3] 张志文.锻造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1983.123-124.
Zhang Z W. Forging technology[M]. Beijing： Machinery Industry Press， 1983. 123-124.
[4] 粟祜.叶片精锻[M].北京：国防工业出版社，1984.212-213
Su H. Blade Precision Forging[M]. Beijing： National Defence Industry Press， 1984.212-213.
[5] 张国新.汽轮机大叶片模锻成形工艺[J].模具技术，2004（6）：26-30
Zhang G X. The Process of Turbine blade forging formation[J]. Die and Mould Technology， 2004（6）：26-30
作者简介：盖超（1978-） 男，江苏无锡人，硕士，讲师，无锡技师学院，模具制造专业课教师，主要从事模具设计与制造方面的研究；