CN104624906A - 一种锻造模具及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锻造模具，包括相互匹配的上模和下模，下模具有下模型腔，下模型腔的侧壁拔模斜度为0°~3°，下模型腔底部的凹圆角为R50mm~R100mm；上模具有上模型腔和凸台，上模型腔的侧壁拔模斜度为0.5°~3°，凸台底部的凸圆角为R80mm~R150mm，凸台底部的斜度为10°~15°。本发明还提供一种使用该锻造模具的锻造方法。本发明的锻造模具具有较小的拔模斜度，生产出的锻件余量小，能够有效提高材料的利用率、保证锻件的金属流线的完整性以及提升锻件的组织力学性能，锻造时所需的压力也较小，有效缩短了锻件的锻造周期。本发明的锻造方法，能够在压力较小的锻造设备上方便快捷地生产出大型深筒型锻件。

Description

一种锻造模具及锻造方法

技术领域

本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种锻造模具和锻造方法。

背景技术

在现有技术中，大型深筒型锻件的锻造通常采用自由锻方式或传统模锻方式生产。然而，采用自由锻方式生产的锻件，材料利用率低，热处理淬透性差，金属流线基本被切断，组织力学性能和均匀性得不到保证。传统模锻方式包括镦饼、冲孔、模锻等工序，采用传统模锻方式生产的锻件由于必须有冲孔芯料，而且由于锻件内外壁均有较大的拔模斜度，锻件余量大，因此也存在材料利用率不高的问题；此外，机加锻件的过程中金属流线也会被切断，加工工艺较为繁琐，生产效率不高，同时锻件的侧壁存在较大的拔模斜度时，金属在锻造模具型腔中的流动阻力增大，锻造时需要较大的设备压力。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种锻造模具，以解决现有技术中深筒型锻件锻造过程中存在的材料利用率低、金属流线被切断、组织力学性能差、工艺繁琐以及生产效率低等问题。

为实现上述第一目的，本发明实施例公开了一种锻造模具，包括相互匹配的上模和下模，所述下模具有向下凹陷于所述下模顶面的下模型腔，所述下模型腔的侧壁拔模斜度为0°~3°，所述下模型腔底部的凹圆角为R50mm~R100mm；所述上模具有向上凹陷于所述上模底面的上模型腔以及向下凸出于所述上模底面的凸台，所述上模型腔的侧壁拔模斜度为0.5°~3°，所述凸台设于所述上模底面的中心位置处，所述凸台底部的凸圆角为R80mm~R150mm，所述凸台底部的斜度为10°~15°；当所述上模与所述下模闭合后，所述上模型腔和所述下模型腔相结合后的内部形状与锻件的外部形状相同。

结合上述方案，在第一种可能的实现方式中，所述下模型腔的侧壁拔模斜度为0°~1°；所述上模型腔的侧壁拔模斜度为0.5°~1°。

结合上述方案，在第二种可能的实现方式中，所述下模设有下顶出杆，所述上模设有上顶出杆，所述下顶出杆和所述上顶出杆用于将锻造成型的锻件从所述上模和所述下模中顶出。

结合上述方案至上述方案的第二种可能的实现方式中的任意一种，在第三种可能的实现方式中，当所述上模与所述下模闭合后，所述上模的底面与所述下模的顶面相接触形成分模面，所述上模型腔的深度设为比所述分模面高50~150mm。

本发明的第二目的在于提供一种基于所述锻造模具的锻造方法。

为实现上述第二目的，本发明实施例公开了一种锻造方法，所述锻造方法包括：

将棒料进行改锻，制备坯料；

将所述坯料进行镦粗滚圆处理，制备饼坯；

将所述饼坯进行加工外圆面处理，制备加工后的饼坯；

将所述加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，制造锻件。

结合上述方案，在第一种可能的实现方式中，所述将所述加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，制造锻件之后进一步包括：

通过下顶出杆和上顶出杆，将所述锻件从所述锻造模具中顶出。

本发明的锻造模具具有较小的拔模斜度，生产出的锻件余量小，能够有效提高材料的利用率、保证锻件的金属流线的完整性以及提升锻件的组织力学性能，锻造时所需的压力也较小，有效缩短了锻件的锻造周期。采用本锻造模具的锻造方法，能够在压力较小的锻造设备上方便快捷地生产出大型深筒型锻件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为现有技术中的传统模锻方式加工出的锻件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的锻造模具的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的锻造模具的270°剖切结构示意图；

图4为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件上部的显微组织放大图；

图6为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件中部的显微组织放大图；

图7为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件下部的显微组织放大图。

图中：1、上顶出杆，2、上模，3、下模，4、下顶出杆，5、上模型腔，6、下模型腔，7、凸台，8、分模面；

h、上模型腔的深度，d1、上模型腔的侧壁拔模斜度，d2、下模型腔的侧壁拔模斜度，R1、下模型腔底部的凹圆角，R2、凸台底部的凸圆角，D、凸台底部的斜度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参照图1，图1中所示的大型深筒型锻件是通过现有技术中的传统模锻方式加工出的，图1中的虚线所示的为由该锻件进一步加工出的粗加工件。该锻件的流线不理想，在机加过程中金属流线会被切断；而且该锻件的侧壁均有较大的拔模斜度，锻件余量大，加工时材料利用率低。

参照图2及图3，本发明实施例提供一种锻造模具，一般用于大型深筒型锻件的加工，包括相互匹配的上模2和下模3，其中下模3具有向下凹陷于下模3顶面的下模型腔6，上模2具有向上凹陷于上模2底面的上模型腔5以及向下凸出于上模2底面的凸台7，凸台7设于上模2底面的中心位置处；当上模2与下模3闭合后，上模型腔5和下模型腔6相结合后的内部形状与锻件的外部形状相同。

为使利用该锻造模具加工出的锻件的流线更加流畅，以及使锻件的侧壁有较小的拔模斜度，本发明实施例中提供的锻造模具对此做了进一步改进。在设置下模型腔的侧壁拔模斜度d2和上模型腔的侧壁拔模斜度d1时，考虑到减小下模型腔的侧壁拔模斜度d2和上模型腔的侧壁拔模斜度d1可使金属在上模2的凸台7挤压下，沿下模型腔6和上模型腔5往上流动时受到下模侧壁和上模侧壁的摩擦阻力降到最小，而且这样生产出的锻件具有较小的拔模斜度，大幅降低了锻件余量，提高了材料利用率，也保证了锻件的金属流线的完整性；但是，考虑到便于成型后的锻件在较小顶出力的作用下从上模2的凸台7上脱落下来，上模型腔的侧壁拔模斜度d1不能小于0.5°。因此，本发明实施例提供的锻造模具中，下模型腔的侧壁拔模斜度d2设为0°~3°，上模型腔的侧壁拔模斜度d1设为0.5°~3°。特别地，当下模型腔的侧壁拔模斜度d2设为0°~1°，上模型腔的侧壁拔模斜度d1设为0.5°~1°时，效果更佳。

在设置下模型腔底部的凹圆角R1和上模2中凸台底部的凸圆角R2时，考虑到下模型腔底部的凹圆角R1和凸台底部的凸圆角R2较小时，金属在下模型腔6和上模型腔5中流动不通畅，锻造所需的压力会增大，金属表面也会出现撕裂等锻造缺陷；但是，考虑到下模型腔底部的凹圆角R1和凸台底部的凸圆角R2较大时，会使该处锻件外侧的余量减小，内侧的余量过大，造成后期加工零件较为困难。因此，本发明实施例提供的锻造模具中，下模型腔底部的凹圆角R1设为R50mm~R100mm，凸台底部的凸圆角R2为R80mm~R150mm。

在设置上模2中凸台底部的斜度D时，考虑到较大的斜度会使锻造时金属顺利地从凸台7的底部流出，减小锻造所需压力，但是斜度太大又会使锻件此处余量增大，材料利用率不高。因此，本发明实施例提供的锻造模具中，上模2中凸台底部的斜度D为10°~15°。

当上模2与下模3闭合后，上模2的底面与下模3的顶面相接触形成一个分模面8，上模型腔的深度h设为比该分模面8高50~150mm。随着锻造过程的进行，由于上模侧壁上存在大于零的拔模斜度，会使金属受到往外的分力而有向外翻的趋势；锻造过程中，位于下模型腔6中受到挤压的金属在越过该分模面8之前，受到下模侧壁的约束，会直直地沿下模侧壁往上流动，但当金属越过该分模面8后会在分模面8形成的自由空间中向外翻成喇叭状。位于分模面8上方的槽状的上模型腔5的存在就是要保证随着锻造过程的进行，使金属进入此槽状上模型腔5后受到限制，当上模型腔的深度h比该分模面8高50~150mm时可使金属恢复直筒状，从而保证锻件有良好的成型效果。

此外，下模3设有下顶出杆4，上模2设有上顶出杆1，下顶出杆4设置五个，上顶出杆1设置一个，下顶出杆4和上顶出杆1用于将锻造成型的锻件从上模2和下模3中顶出。

进一步地，本发明实施例还同时提供一种基于上述锻造模具的锻造方法，该锻造方法包括：

S1、将棒料进行改锻，制备坯料。

该步骤中，将按规格下料的棒料进行改锻，这样可以细化棒料的晶粒，提高制备出的坯料的组织均匀性和探伤水平。

S2、将坯料进行镦粗滚圆处理，制备饼坯。

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将坯料放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的坯料快速移出电阻炉，在快锻机上对该坯料进行多次镦拔，每次镦拔时需控制坯料的变形量，最后将该坯料处理成饼坯。

S3、将饼坯进行加工外圆面处理，制备加工后的饼坯。

该步骤中，对该饼坯进行加工外圆面处理，包括饼坯的上下面和侧面，以使饼坯的直径小于上述锻造模具中下模型腔的内径，一般控制饼坯的直径比下模型腔的内径小5mm，同时需从加工后的饼坯的上下面方向进行探伤。对饼坯的直径进行如此精确的控制，目的在于保证加工后的饼坯加热后能够顺利放入到下模型腔中，且保证饼坯与下模型腔的间隙尽可能小，以防止锻造时饼坯偏心导致最终锻造成型的锻件上端高度不一致。

S4、将加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，制造锻件。

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将加工后的饼坯放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的加工后的饼坯快速移出电阻炉后置于预热后的上述锻造模具中，在模锻液压机上对该加工后的饼坯进行一至两火次锻造成型。此外，加工后的饼坯放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，锻造模具采用水基石墨润滑。

S5、通过下顶出杆和上顶出杆，将锻件从锻造模具中顶出。

该步骤中，整个锻造过程完成后，开启下顶出杆4，将锻件从下模型腔6中顶出，当锻件较大或结构较复杂时，需要开启上顶出杆1。

以具体制作TC4钛合金材质的大型深筒型锻件为例，先采用φ400mm的TC4钛合金棒料，按工艺截取1345mm的棒料，将按规格下料后的棒料进行α初＋β转两相区改锻，制备坯料。接着使用电阻炉预热，当炉温达到T_β-35℃时将坯料放入电阻炉中加热，其中T_β为该TC4钛合金的相变点。当炉温再次回升到T_β-35℃时保温340分钟，然后将加热好的坯料快速移出电阻炉，在31.5MN快锻机上对该坯料按一火次一镦拔的模式进行9次镦拔，每次镦拔时需控制坯料的变形量在40%~50%之间，最后将该坯料处理成φ850×275mm的饼坯。

对该饼坯进行加工外圆面处理，包括饼坯的上下面和侧面，以使饼坯的直径比下模型腔的内径小5mm，同时需从加工后的饼坯的上下面方向进行探伤。接着再次使用电阻炉预热，当炉温达到T_β-35℃时将加工后的饼坯放入电阻炉中加热，当炉温回升到T_β-35℃时保温220分钟，然后将加热好的加工后的饼坯快速移出电阻炉后置于预热后的锻造模具中，锻造模具预热温度为250~350℃。该锻造模具中，下模型腔的侧壁拔模斜度d2为0°，下模型腔底部的凹圆角R1为R50mm，上模型腔的侧壁拔模斜度d1为0.5°，凸台底部的凸圆角R2为R80mm，凸台底部的斜度D为12°，上模型腔的深度h高出分模面8的高度为150mm。在模锻液压机上对该加工后的饼坯进行1火次锻造成型。此外，加工后的饼坯放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，锻造模具采用水基石墨润滑。

整个锻造过程完成后，开启下顶出杆4，将锻件从下模型腔6中顶出，当锻件较大或结构较复杂时，需要开启上顶出杆1。一般情况下，锻件还需要进一步进行热处理，一般分为均匀化和退火两个过程，其中均匀化过程具体为：加热炉升温到980℃±6℃时，将锻件放入炉中保温150分钟，然后出炉放入水中进行冷却；退火过程具体为：加热炉升温到700℃±6℃时，将锻件放入炉中保温240分钟，然后出炉在空气中自然冷却。

参照图4，图4中所示的TC4钛合金材质的大型深筒型锻件为利用本发明实施例提供的锻造模具，并利用本发明实施例提供的前述具体锻造方法加工出的，图4中的虚线所示的为由该锻件进一步加工出的粗加工件。该锻件具有以下优点：（1）锻件的流线良好，可防止在机加过程中金属流线被切断；（2）锻件的侧壁拔模斜度较小，锻件余量小，加工时材料利用率高，同时精简了传统模锻方式中的冲孔工序；（3）锻件加工时所需的锻造压力大大减小，实现在压力较小的锻造设备上方便快捷地生产出大型深筒型锻件，如利用本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件所需的锻造压力为130MN，而采用现有技术中的传统模锻方式加工出的相同尺寸的锻件所需的锻造压力为350MN；（4）锻件在模锻时的变形量大幅提高，显著提高了锻件的超声波探伤水平和组织力学性能及其均匀性，锻件的超声波探伤达到了φ0.8-12dB；（5）锻件的制造流程大大简化，而且锻造时的火次由以前的三火次以上成型减少到了一火成型，显著缩短了生产周期。

参照图5、图6及图7，图5、图6及图7分别为图4中所示的锻件上部、中部和下部的显微组织放大图，放大倍数为500倍。从图中可以看出，锻件各部位的组织均为β转变组织基体上分布有一定量的等轴初生α相，初生α相的含量均在30%左右，为比较理想的显微组织，有较好的组织均匀性。

下表1分别示出了图4中所示的锻件，以及利用现有技术中自由锻方式和传统模锻方式加工出的相同尺寸的锻件的材料利用率。

表1

下表2示出了图4中所示的锻件在室温和高温下的拉伸力学性能。

表2

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种锻造模具，包括相互匹配的上模和下模，其特征在于，所述下模具有向下凹陷于所述下模顶面的下模型腔，所述下模型腔的侧壁拔模斜度为0°~3°，所述下模型腔底部的凹圆角为R50mm~R100mm；所述上模具有向上凹陷于所述上模底面的上模型腔以及向下凸出于所述上模底面的凸台，所述上模型腔的侧壁拔模斜度为0.5°~3°，所述凸台设于所述上模底面的中心位置处，所述凸台底部的凸圆角为R80mm~R150mm，所述凸台底部的斜度为10°~15°；当所述上模与所述下模闭合后，所述上模型腔和所述下模型腔相结合后的内部形状与锻件的外部形状相同。

2.根据权利要求1所述的锻造模具，其特征在于，所述下模型腔的侧壁拔模斜度为0°~1°；所述上模型腔的侧壁拔模斜度为0.5°~1°。

3.根据权利要求1所述的锻造模具，其特征在于，所述下模设有下顶出杆，所述上模设有上顶出杆，所述下顶出杆和所述上顶出杆用于将锻造成型的锻件从所述上模和所述下模中顶出。

4.根据权利要求1至3中任一所述的锻造模具，其特征在于，当所述上模与所述下模闭合后，所述上模的底面与所述下模的顶面相接触形成分模面，所述上模型腔的深度设为比所述分模面高50~150mm。

5.一种基于权利要求1所述锻造模具的锻造方法，其特征在于，所述锻造方法包括：

将棒料进行改锻，制备坯料；

将所述坯料进行镦粗滚圆处理，制备饼坯；

将所述饼坯进行加工外圆面处理，制备加工后的饼坯；

将所述加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，制造锻件。

6.根据权利要求5中所述的锻造方法，其特征在于，所述将所述加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，制造锻件之后进一步包括：

通过下顶出杆和上顶出杆，将所述锻件从所述锻造模具中顶出。