CN103302213B - 一种大型高筋铝合金锻件的精密成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，该精密成形方法包括锻件和模具的设计、设计并制造预制坯、把预制坯以等温锻造方式成形成锻件等步骤。采用该精密成形方法能够制造具有高筋板的复杂铝合金大型锻件，与铸造件相比，其组织更致密、缺陷更少，并且锻件需要的机加工处理很少，属于净终成形的精密锻件，极大的提高了产品的品质。

Description

一种大型高筋铝合金锻件的精密成形方法

技术领域

本发明涉及铝合金锻造技术，更具体地说，涉及一种大型高筋铝合金锻件的精密成形方法。

背景技术

目前，复杂结构的铝合金零件多由铸造工艺制造毛坯，但铸造有其固有质量缺陷，如铸造裂纹、花边状组织、光亮晶粒、浇不足、缩松、氧化夹渣与气孔等，致使铸件产品性能较差，导致由其加工的零件在使用中存在安全隐患，或使用寿命很短。由于模锻件没有铸件的这些质量问题，因而其使用性能大大优于铸件产品。

然而模锻工艺是靠固体的塑性流动来填充模具型腔的，由于铝合金固体的流动性远远没有液体的好，所以如果用模锻工艺生产铝合金产品，尤其是具有复杂结构如有较高筋板的铝合金大型锻件，其成形比铸造要困难得多。

等温锻造是对难变形金属进行锻造变形的一个很好的可选方法。其主要原理是利用材料的超塑性特性，把模具加热到坯料变形温度，以慢速对坯料进行大变形，直到坯料充满模具型腔。铝合金的超塑性研究近年来取得了很好的成效，在工业上也出现了用等温锻造工艺制造的铝合金锻件，如专利“供货态铝合金超塑挤压成型的工艺方法”(申请号为200610161296.0)和“铝合金复杂盘类零件等温精密锻造工艺方法”(申请号为200910072099.5)等，均对铝合金的等温锻造过程和盘类零件的锻造工艺进行了较详细的描述。

但这些专利中的铝合金锻件结构非常简单，没有筋板或凸台，或没有说明其高度，也没有说明铝合金锻件的成形精度及后续机加工情况。对于复杂结构，尤其是筋板设计得很高的铝合金大型零件，其锻件的成形难度非常大，很容易出现筋板不够高、成形后的尺寸达不到零件要求等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，能够有效防止臭剂的泄露，并起到泄压作用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，包括以下步骤：

A.根据零件设计图进行锻件和模具的设计；

B.设计并制造预制坯；

C.把预制坯以等温锻造方式成形成锻件；

其中，步骤C具体包括以下步骤：

C1.在常温空载情况下，确定模具型腔达到锻件在成形温度下的厚度时的上模位置；

C2.对模具进行加热并保温；

C3.对预制坯进行加热并保温；

C4.打开模具，将预制坯置于下模中，通过上模对预制坯施加压力使其变形；

C5.在设备允许的最大压力下保压，直至上模运行至C1中的确定位置；

C6.卸载并脱模，取出锻件。

在步骤C2中，所述的模具加热至450～500℃，保温32小时以上。

在步骤C3中，所述的预制坯置于加热炉中加热到420～480℃，并保温2～3小时。

在步骤A中，所述的锻件设计是根据零件设计图，在需要与其它零件连接的部位留出3～5cm的加工余量，锻件脱模角设置为1～2°，去掉不能锻造出来的零件特征，其余部分都保留零件的尺寸不变。

在步骤A中，所述的模具是根据锻件设计，按以下公式计算出模具型腔尺寸，并设计成形模具，该公式为：

S_模具＝p×S_锻件、p＝(1+α_锻件×ΔT)/(1+α_模具×ΔT)

式中，S_模具是模具型腔尺寸，S_锻件是锻件对应尺寸，p是比例系数，α_锻件和α_模具分别是锻件、模具制作材料的热膨胀系数，ΔT是成形温度与室温的差值。

在步骤B中，所述的预制坯的设计制造遵循以下要求：

B1.对于锻件筋板中高厚比大于10的高筋板，在预制坯的相应位置上，按不小于该筋板高度一半的尺寸设计凸台高度；

B2.将预制坯各平台之间的过渡斜面角度设计为不大于60°或不小于120°，并与平台圆角过渡；

B3.预制坯的其余部分根据金属塑性变形的分流面，按锻件体积优化设计该预制坯尺寸。

在上述技术方案中，本发明的大型高筋铝合金锻件的精密成形方法包括锻件和模具的设计、设计并制造预制坯、把预制坯以等温锻造方式成形成锻件等步骤。采用该精密成形方法能够制造具有高筋板的复杂铝合金大型锻件，与铸造件相比，其组织更致密、缺陷更少，并且锻件需要的机加工处理很少，属于净终成形的精密锻件，极大的提高了产品的品质。

附图说明

图1是本发明的预制坯与锻件的设计结构对比示意图；

图2是采用本发明成形方法所制作的一实施例锻件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明的大型高筋铝合金锻件的精密成形方法具体包括以下步骤：

A.锻件设计：根据零件设计图，在需要与其它零件连接的部位留出3～5cm的加工余量，锻件脱模角设置1～2°，去掉不能锻造出来的零件特征如通孔、侧面腔体等，其余部分都保留零件的尺寸不变。模具设计：根据锻件设计，按以下公式计算模具型腔尺寸，并设计成形模具。公式为：

S_模具＝p×S_锻件、p＝(1+α_锻件×ΔT)/(1+α_模具×ΔT)

式中，S_模具是模具型腔尺寸，S_锻件是锻件对应尺寸，p是比例系数，α_锻件和α_模具分别是锻件、模具制作材料的热膨胀系数，ΔT是成形温度与室温的差值。

B.预制坯设计：由坯料直接成形大型复杂精密锻件是不可能的，因此增加了中间环节，设计和制作预制坯。预制坯设计原则如图1所示：图1中虚线部分为预制件形状轮廓，实线为锻件形状轮廓，对于锻件筋板高厚比(筋板高度与厚度的比值)大于10的高筋板，在预制坯的相应位置上，按不小于锻件筋板高度一半的尺寸设计凸台高度；并且预制坯各平台之间的过渡斜面角度不大于60°或不小于120°，与平台圆角过渡；预制坯其余部分根据金属塑性变形的分流面，按锻件体积优化设计预制坯尺寸。这样设计的预制坯，锻造成形后既能保证锻件的尺寸精度，又可以保证锻件的组织和性能。

预制坯制造：选择合适的原材料规格，用铸造或机加工的方式制作预制坯。

C.等温锻造：把预制坯以等温锻造方式成形成锻件，具体工艺为：

在常温空载情况下，先确定模具型腔达到锻件在成形温度下的厚度时的上模位置，如H；

然后把模具加热到450～500℃，保温32小时以上；

再把预制坯在加热炉中加热到420～480℃，并保温2～3小时；

然后再打开模具，把预制坯放入下模中，然后通过上模对预制坯施加压力使其变形；

在设备允许的最大压力下进行保压，直到上模运行到位置H；

最后卸载并脱模，取出锻件。

请结合图2所示，图2中所示的为一种铝合金零件的锻件1，原由铸件加工而成，在使用中发现此零件很容易由于蠕变而失效，具体分析下来认为是铸件的强度太低所致，因此决定用采用本发明方法进行试制该锻件1。

锻件设计：以零件设计为基础，在零件的连接凸台上加了5cm的加工余量，外围脱模角设置为1°，内部筋板的脱模角2°，去掉通孔和侧面腔体，其余部分都保留零件的尺寸不变，设计出了锻件图。

模具设计：此锻件成形温度为450℃，根据公式可计算得到模具型腔的放大比例系数为：p＝1.0082。

预制坯设计：此锻件高厚比大于10的高筋板有很多，最高的筋板高度约100mm，厚度约5mm，锻件结构上下对称，加上中间辐板厚度约12mm，确定用厚度为120mm的板坯设计和加工预制坯。

预制坯制造：此预制坯设计为机加工的方式制作。

等温锻造：将模具加热至450℃，锻造前保温32小时以上；预制坯加热至450℃，炉温到温后保温2小时；锻造时在设备最大压力8500t下保压约20分钟后，上模达到预定行程(位置)。

最后脱模，取出锻件，即为图2中的锻件1。

图2中的锻件1其筋板A、B、C、D、E、F、G、H处及外围立板I的高厚比均大于10，其中G、H处的更是超过20。高厚比如此大的筋板，一般的锻造方法是做不出来的。从图中还可以看出，这个锻件非常复杂，投影面积也很大，达0.67m2。最后的零件只加工了飞边、外围脱模角、连接凸台和螺纹孔、通孔和侧面型腔，其它部位如正面腔体和筋板都未进行任何机加工处理，尺寸均符合零件设计要求。而且所有部位的抗拉强度均大于320MPa，大于原铸件的2.5倍。

综上所述，采用本发明的大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，具有以下几个优点：

1、铝合金的模锻件比铸造件的组织更致密、缺陷更少，所以其零件的机械性能更高、使用寿命更长。

2、使用本发明可制造具有很高筋板的复杂铝合金大型锻件。在采用120mm厚板做原材料、用机加工方式制作预制坯的情况下，目前制造的铝合金锻件的筋板高厚比可达20左右，锻件投影面积达0.67m²。

3、使用本发明成形的铝合金锻件，只需在很少的部位，即与其它部件连接或固定的地方、外围脱模角和不能锻造出来的零件特征(如通孔或侧面型腔等处)，进行机加工以满足零件设计和装配需求，其它部位均可不进行任何机加工处理，属于净终成形的精密锻件。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，其特征在于：

包括以下步骤：

A.根据零件设计图进行锻件和模具的设计，所述的模具是根据锻件设计，按以下公式计算出模具型腔尺寸，并设计成形模具，该公式为：

S_模具＝p×S_锻件、p＝(1+α_锻件×ΔT)/(1+α_模具×ΔT)

式中，S_模具是模具型腔尺寸，S_锻件是锻件对应尺寸，p是比例系数，α_锻件和α_模具分别是锻件、模具制作材料的热膨胀系数，ΔT是成形温度与室温的差值；

B.设计并制造预制坯；

C.把预制坯以等温锻造方式成形成锻件；

其中，步骤C具体包括以下步骤：

C1.在常温空载情况下，确定模具型腔达到锻件在成形温度下的厚度时的上模位置；

C2.对模具进行加热并保温；

C3.对预制坯进行加热并保温；

C4.打开模具，将预制坯置于下模中，通过上模对预制坯施加压力使其变形；

C5.在设备允许的最大压力下保压，直至上模运行至C1中的确定位置；

C6.卸载并脱模，取出锻件。

2.如权利要求1所述的大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，其特征在于：

在步骤C2中，所述的模具加热至450～500℃，保温32小时以上。

3.如权利要求1所述的大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，其特征在于：

在步骤C3中，所述的预制坯置于加热炉中加热到420～480℃，并保温2～3小时。

4.如权利要求1所述的大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，其特征在于：

在步骤A中，所述的锻件设计是根据零件设计图，在需要与其它零件连接的部位留出3～5cm的加工余量，锻件脱模角设置为1～2°，去掉不能锻造出来的零件特征，其余部分都保留零件的尺寸不变。

5.如权利要求1所述的大型高筋铝合金锻件的精密成形方法，其特征在于：

在步骤B中，所述的预制坯的设计制造遵循以下要求：

B1.对于锻件筋板中高厚比大于10的高筋板，在预制坯的相应位置上，按不小于该筋板高度一半的尺寸设计凸台高度；

B2.将预制坯各平台之间的过渡斜面角度设计为不大于60°或不小于120°，并与平台圆角过渡；

B3.预制坯的其余部分根据金属塑性变形的分流面，按锻件体积优化设计该预制坯尺寸。