CN103834884A - 一种制造模锻件并消除残余应力的方法及模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造模锻件并消除残余应力的方法及其采用的模具，该方法为：在模具（热态）上进行热成型工艺，得到热件，且在热成型过程中模具的凹凸模之间保留大于零的模间距；热件冷却后得到初始锻件；初始锻件淬火处理后，在模具（冷态）上对其进行压缩冷变形工艺，以消除初始锻件中因淬火产生的残余内应力，再进行人工时效，得到终锻件。上述方法中，由于在热成型过程中凹凸模之间保留大于零的模间距，从而实现了利用同一模具即可完成热成型及冷变形工艺的目的，不仅可以生产出满足材料使用要求的高质量的胎模锻件和模锻件，而且节省了制备多套模具的费用，具有降低采购成本并提高后续零件机加工效率等有益效果。

Description

一种制造模锻件并消除残余应力的方法及模具

技术领域

本发明涉及机械设计及加工技术领域，特别涉及一种制造模锻件并消除残余应力的方法及模具。

背景技术

随着航空产业的深入发展，作为国家战略发展和人们生活的需要，飞机正逐步发挥着愈来愈重要的功用，各领域的需求量越来越大，国产化变得异常迫切。由于现役飞机的使用强度较以前大大提高，对机体材料综合性能的要求逐步提升，飞机制造商对机体零部件供应商供应的零部件质量要求大大提高，譬如使用环境因素决定的材料所需的耐应力腐蚀性能和抗疲劳性能，同时，考虑到采购成本和后续处理效率（譬如零件机加工）等因素，机体制造商必将模锻件及精密模锻件作为所需产品毛坯采购类型的首选，这也必将是未来航空材料的发展方向。

由于现阶段航空材用铝合金模锻件主要采用7xxx系高新合金，鉴于该系合金自身的特性，制造过程需要消除残余内应力，以获得具有优良加工性能和使用性能的产品。但是，国内尚无为模锻件消除残余内应力的技术应用于生产。

因此，如何为模锻件消除残余内应力，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种制造模锻件并消除残余应力的方法及模具，可以利用同一模具控制热成型及冷变形消除模锻件残余内应力，不仅可以生产出满足材料使用要求的高质量的胎模锻件和模锻件，而且降低了制造成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种制造模锻件并消除残余应力的方法，包括：

步骤A：在模具（热态）上进行热成型工艺，得到热件，在热成型过程中所述模具的凹凸模之间保留大于零的模间距；

步骤B：所述热件冷却后得到初始锻件；

步骤C：在所述模具（冷态）上对所述初始锻件进行压缩冷变形工艺，以消除所述初始锻件中的残余应力，得到终锻件。

优选地，在上述方法中，所述模具中，凹模的外轮廓尺寸等于所述热件的外轮廓尺寸，

当零部件为弧形零部件时，所述零部件添加加工余量后处于热胀效应时的外轮廓尺寸，加上经过加厚处理时添加的尺寸，最终得到的外轮廓尺寸为所述热件的外轮廓尺寸；

否则，所述热件的外轮廓尺寸为所述零部件添加加工余量后处于热胀效应时的外轮廓尺寸。

优选地，在上述方法中，当零部件中设置有凹槽和/或内孔时，所述模具中，凸模的外轮廓尺寸等于所述终锻件中所述凹槽和/或所述内孔的外轮廓尺寸，并且，

步骤C之前还包括步骤B1：对所述初始锻件中的凹槽和/或内孔进行切削加工，得到所述终锻件的所述凹槽和/或所述内孔。

优选地，在上述方法的步骤C中，采用全厚度方向对所述初始锻件的整体或局部进行压缩冷变形工艺，产生1%-5%的变形量。

优选地，在上述方法中，所述零部件为铝合金件。

一种模具，所述模具为上文中所述的制造模锻件并消除残余应力的方法中采用的模具。

从上述技术方案可以看出，本发明提供制造模锻件并消除残余应力的方法中，由于在热成型过程中凹凸模之间保留大于零的模间距，从而实现了利用同一模具即可完成热成型及冷变形工艺的目的，不仅可以生产出满足材料使用要求的高质量的胎模锻件和模锻件，而且节省了制备多套模具的费用，具有降低生产成本并提高后续零件机加工效率等有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的零部件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的模锻件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的模锻件处于热胀效应时得到的基础热件的结构示意图；

图4为对图3中基础热件的内孔经过修调处理后得到的修调热件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的未经加厚处理的热件经压缩冷变形后局部余量不足的示意图；

图6为本发明实施例提供的对热件进行加厚处理的示意图；

图7为本发明实施例提供的采用模具对初始锻件进行压缩冷变形的工作示意图；

图8为本发明实施例提供的三维模拟仿真设计流程图；

图9为本发明实施例提供的生产流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种制造模锻件并消除残余应力的方法及模具，可以利用同一模具控制热成型及冷变形以消除模锻件残余内应力，不仅可以生产出满足材料使用要求的高质量的胎模锻件和模锻件，而且降低了模具成本。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以一个弧形且带内孔的模锻件为例进行说明。在制作或修调模具前，首先需要设计出与模具对应的锻件尺寸，该锻件相关的三维模拟仿真设计图请参阅图1-图4：图1为零部件的结构示意图，零部件的形状是根据使用需求设计的一个实体状态；图2为模锻件的结构示意图，模锻件（或精密模锻件）是在零部件的基础上根据生产设备状态和工艺设计需要添加加工余量（可变量）后生成的一个实体状态；图3为模锻件处于热胀效应时得到的基础热件的结构示意图，基础热件是在锻件的基础上增加热涨效应后生成的一个实体状态。在此需要说明的是，现有技术中的模具尺寸一般按上述基础热件制作，而本发明旨在令热成型和后续的冷变形操作使用同一套工模具，所以凸模的尺寸部分不能按照上述基础热件图的尺寸制作，而必须修调至终锻件的尺寸。请参阅图4所示的对基础热件的内孔修调处理后得到的修调热件的结构示意图，其中，修调热件的内孔尺寸等于终锻件的内孔尺寸，由于该修调热件冷却后内孔尺寸会变小，故在进行冷变形之前，需要将修调部分41（即多肉部分）以机加工切屑的方式剥离，得到终锻件的内孔尺寸，之后再对其进行压缩冷变形。

在实际的生产制造过程中，弧形热件经过冷缩效应后弧度会发生改变，导致用热成型模具冷压缩锻件后，局部余量不能保证锻件的设计余量（其设计余量不足部分请参见图5中的A区域），因此，本发明在进行模具设计时，凹模型腔对应的热件尺寸需要做加厚处理（其加厚部分请参见图5中的A1区域），之后再通过经过加厚处理的修调热件得出模具的尺寸。请参阅图5和图6，图5为未经加厚处理的热件经压缩冷变形后局部余量不足的示意图，图6为对热件进行加厚处理的示意图。

上述设计过程为“零部件→模锻件→基础热件→修调热件→锻模→锻件→特殊处理→热处理→成品锻件”，其中修调热件为基础热件根据锻件的尺寸进行修调（缩小内孔尺寸和/或加厚处理）得到，请参阅图8所示的三维模拟仿真设计流程图。本发明提供的模具中，凹凸模的具体尺寸分别按照上述设计过程最终得到的锻件尺寸进行设计。

对应地，本发明提供的生产流程具体为“熔铸→制坯(锻造/轧制)→（预锻）→模锻→特殊处理（机械加工）→淬火→冷变形（全厚度方向整体压缩）→精整矫形→人工时效→理化检测”，请参阅图9所示的生产流程图。

综上，本发明实施例提供的制造模锻件并消除残余应力的方法，主要包括以下步骤：首先，在模具上进行热成型工艺，得到热件，在热成型过程中，模具的凹凸模之间保留大于零的模间距，该模间距用于保证热件经过冷缩效应后得到的初始锻件依旧可以在该模具中进行压缩冷变形工艺；之后，热件冷却，得到初始锻件；初始锻件淬火处理后，对初始锻件进行压缩冷变形工艺，以消除初始锻件中因淬火产生的残余内应力，再进行人工时效后，得到终锻件，并且，该压缩冷变形工艺与上述热成型工艺在同一模具中进行，其中，在进行热成型工艺时该模具为热态，在进行冷变形工艺时该模具为冷态。

在优选实施例中，对初始锻件进行压缩冷变形工艺时，采用全厚度方向对初始锻件的整体或局部进行压缩冷变形工艺，产生1%-5%的变形量，以消除锻件内部的残余应力，使锻件内应力达到平衡状态，改善锻件后续机加工过程中因应力释放不均造成最终零件产生变形无法使用的状况。同时，模具的尺寸保证了最终锻件的尺寸，起到了矫形的效果。请参阅图7所示的采用模具对初始锻件进行压缩冷变形的工作示意图。

本领域技术人员容易获知的是，由于热涨效应和冷缩效应，模锻件的热成型和冷变形一般分别在两套不同尺寸的模具上进行，即经过热成型的热件冷却后需要转移到另一套模具上进行冷变形工艺，从而，除了热成型模具外，还需要额外制造一套压缩冷变形专用模具对产品进行残余内应力的消除。与之相比，本发明实施例提供的制造模锻件并消除残余应力的方法中，由于在热成型过程中凹凸模之间保留大于零的模间距，从而实现了利用同一模具即可完成热成型及冷变形工艺的目的，不仅可以生产出满足材料使用要求的高质量的胎模锻件和模锻件，而且节省了制备多套模具的费用，具有降低制造成本并提高后续零件机加工效率等有益效果。

在上述实施例中，模具中凹模的外轮廓尺寸等于热件的外轮廓尺寸。具体地，当零部件为弧形零部件时，零部件添加加工余量后处于热胀效应时的外轮廓尺寸，再加上经过加厚处理时添加的尺寸，最终得到的外轮廓尺寸为与凹模对应的热件的外轮廓尺寸；否则，与凹模对应的热件的外轮廓尺寸为零部件添加加工余量后处于热胀效应时的外轮廓尺寸。

本领域技术人员易知的是，当零部件为弧形零部件时，由于冷缩效应引起弧度改变，如果没有经过加厚处理，则容易导致用热成型模具对初始锻件进行压缩冷变形后，终锻件局部余量不能保证需求的设计余量（如图6所示）。因此，本发明在根据零部件尺寸对模具尺寸进行设计时，对热件进行了局部或整体部位的加厚处理，以保证终锻件发生冷缩效应后仍能保证设计余量的需求。

在具体实施例中，当零部件中设置有凹槽和/或内孔时，模具中凸模的外轮廓尺寸等于终锻件中凹槽和/或内孔的外轮廓尺寸，此时，在对初始锻件进行压缩冷变形工艺之前，需要对初始锻件中的凹槽和内孔进行切削加工，以切除多肉部分，得到终锻件的凹槽和/或内孔。

本发明提供的上述方法可以适用于铝合金件的生产制造，但是并不局限于此，本领域技术人员还可以将其适用于其它材质零部件的生产制造，对此，本发明并不做具体限定。

综上，本发明还提供了一种模具，该模具为上文中所述的制造模锻件并消除残余应力的方法中采用的模具。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种制造模锻件并消除残余应力的方法，其特征在于，包括：

步骤A：在模具上进行热成型工艺，得到热件，在热成型过程中所述模具的凹凸模之间保留大于零的模间距；

步骤B：所述热件冷却后得到初始锻件；

步骤C：在所述模具上对所述初始锻件进行压缩冷变形工艺，以消除所述初始锻件中的残余应力，得到终锻件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具中，凹模的外轮廓尺寸等于所述热件的外轮廓尺寸，

当零部件为弧形零部件时，所述零部件添加加工余量后处于热胀效应时的外轮廓尺寸，加上经过加厚处理时添加的尺寸，最终得到的外轮廓尺寸为所述热件的外轮廓尺寸；

否则，所述热件的外轮廓尺寸为所述零部件添加加工余量后处于热胀效应时的外轮廓尺寸。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当零部件中设置有凹槽和/或内孔时，所述模具中，凸模的外轮廓尺寸等于所述终锻件中所述凹槽和/或所述内孔的外轮廓尺寸，并且，

步骤C之前还包括步骤B1：对所述初始锻件中的凹槽和/或内孔进行切削加工，得到所述终锻件的所述凹槽和/或所述内孔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，采用全厚度方向对所述初始锻件的整体或局部进行压缩冷变形工艺，产生1%-5%的变形量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述零部件为铝合金件。

6.一种模具，其特征在于，所述模具为上述权利要求1-5任一项所述的制造模锻件并消除残余应力的方法中采用的模具。

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