CN105945257A - 一种具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法及液锻模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法及液锻模具。液锻模具包括液锻上模和液锻下模，液锻下模的顶部设有下端封闭、上端开口的下模腔，液锻上模和/或液锻下模上设有用于插入下模腔中央的型芯，液锻上模的底部设有用于上下滑动密封插装在型芯的外周面和模腔的内壁面之间的环形的凸模部，凸模部的底面上开设有开口朝下的成形凹槽。在该零件成形过程中，在金属液注入环形模腔后，随着凸模部在下模腔中的相对下行，金属液的体积会被不断压缩，直至环形模腔被压缩至最终位，金属液也被压缩成需要的形状，从而减少了液锻模具在零件成形过程中所需的动力，降低了零件成形所需的能耗。

Description

一种具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法及液锻模具

技术领域

本发明涉及一种具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法及液锻模具。

背景技术

目前，法兰类零件一般是采用某种成形方法成形，然后对其制件进行机械加工以获得最终产品。法兰零件分为普通法兰零件和具有内法兰的法兰零件。对于普通法兰的零件，成形方法较多，可以采用铸造方法（如压铸、低压铸造等），也可以采用塑性成形方法（如锻造、挤压、辗压等），其中铸造方法成本较低，但由于其工艺特点，产品组织、力学性能及气密性不高，成品率低，质量不易保证，特别是对于压力容器、高压开关密封容器法兰，则无能为力。锻造法兰的组织和力学性能较好，但是锻造方法加工余量大，材料利用率低，加工成本高；挤压方法具有制件性能好，精度高等特点，但是模具结构复杂，成形压力的，加工成本高；辗压成形可以保证产品质量，降低成本，但需要专门设备。对于具有内法兰的法兰零件，铸造方法同样适用，缺点同样明显；塑性加工方法的难度增加，成本更高。而对于非轴对称内法兰孔的法兰零件，锻造挤压工艺的难度更大，辗压成形不具可行性。尤其对如图1和图2所示的具有内外法兰的零件，该零件由环形的法兰盘及其上端同轴设置的筒体2组成，法兰盘包括外法兰盘1和内法兰盘3两部分，其中外法兰为直径大于筒体内径部分，其余为内法兰部分，内法兰的内孔为由几段圆弧组成的不规则形状。

中国专利文献CN 103551408 B公开了一种具有内外法兰的零件的挤压成形方法及挤压模具，该成形方法包括首先，将坯料放入挤压模具的凹模中，挤压模具包括内凸模及其外套设的外凸模，外凸模和内凸模之间具有用于液锻件的筒体的环形的成形间隙；其次，内凸模下行挤压坯料，直至挤压出零件的阶梯内孔，并在内凸模下行到位后，通过外凸模下行挤压出所需的零件；最后，内、外凸模回程，以从凹模中取出液锻件，以通过挤压形成的方法提高材料利用率。但因挤压成形的方法是以固体坯料为原料的，所以加载机构在加载过程中所需施加的加载力较大，从而将导致零件成形过程中，加载机构的能耗较大，引起了生产成本高、成形效率低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法，同时还提供了一种使用该具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法的液锻模具及使用该液锻模具的成形装置。

为了实现以上目的，本发明中具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法的技术方案如下：

具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法，包括以下步骤：

步骤一，在液锻上模和液锻下模未闭合到最终位置前，向处于注液位的环形模腔中注液金属液，所述液锻下模的顶部设有下端封闭、上端开口的下模腔，液锻上模和/或液锻下模上设有用于插入下模腔中央而液锻件的内法兰的内孔的型芯，所述环形模腔处于型芯的外周面和下模腔的内壁面之间，液锻上模的底部设有用于上下滑动密封插装在型芯的外周面和模腔的内壁面之间的环形的凸模部，凸模部的底面上开设有开口朝下而用于液锻件的筒体段的环形的成形凹槽；

步骤二，液锻上模和液锻下模相对闭合，凸模部相对于型芯的外周面和下模腔的内壁面下行而压缩环形模腔，直至将带有金属液的环形模腔自注液位压缩至腔室为所需零件的形状的最终位；

步骤三，金属液冷却凝固成形后，液锻上模和液锻下模相互脱开，取出液锻件。

本发明中液锻模具的技术方案如下：

液锻模具，包括液锻上模和液锻下模，液锻下模的顶部设有下端封闭、上端开口的下模腔，液锻上模和/或液锻下模上设有用于插入下模腔中央而液锻件的内法兰的内孔的型芯，液锻上模的底部设有用于上下滑动密封插装在型芯的外周面和下模腔的内壁面之间的环形的凸模部，凸模部的底面上开设有开口朝下而用于液锻件的筒体段的环形的成形凹槽；还包括用于在型芯的外周面和模腔的内壁面之间形成的用于容纳金属液的环形模腔。

液锻下模上设有供金属液流入环形模腔中的模具流道。

所述模具流道处于下模腔的腔壁上的，模具流道为由内向外逐渐向上倾斜的斜孔，该斜孔的下端出口用于高于金属液流入环形模腔后形成的预备液的液面高度。

模具流道的下端具有用于高于金属液流入环形模腔后形成的预备液的液面高度的出口。

所述液锻下模上设有型芯，液锻上模的底部设有供型芯的上端插入的避让凹槽，所述凸模部处于避让凹槽的外围。

所述液锻上模上设有型芯，型芯上下滑动密封装配在凸模部的内壁上，并在型芯上连接有用于向下压动型芯的合模弹簧。

液锻上模上设有连通在成形凹槽的槽底的排气通道。

液锻上模和/或液锻下模上设有用于对环形模腔中液锻件进行冷却的水冷装置。

本发明采用液态模锻的方式，成形带有内外法兰的零件，这样在该零件成形过程中，在金属液注入环形模腔后，随着凸模部在下模腔中的相对下行，金属液的体积会被不断压缩，使其在压力下冷却凝固成形，相比现有技术中通过挤压固态坯料来液锻件的方式，本发明中液锻模具是采用挤压金属液的方式实现零件的成形，从而减少了液锻模具在零件成形过程中所需的动力，降低了零件成形所需的能耗。

进一步的，金属液是经过模具流道进入环形模腔的，使得金属液在模具流道中不会接触外界空气，从而减少了金属液在进入环形模腔前在大气环境中暴露的时间，也就减少了金属液在环形模腔中的氧化量，减少了金属液中氧化杂质的含量，提高了液锻件的质量。

进一步的，下模腔外的水冷套可加速在液锻成形过程中对金属液进行冷却，使得金属液在被液锻上模和液锻下模相对压缩的过程中冷却凝固速度加快，减少了模腔在被压缩成液锻模腔时液锻件的表面冷却内陷，提高了零件成形的精度和性能。

附图说明

图1是具有内外法兰的零件的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的液锻模具的实施例1在使用状态下的结构示意图；

图4是本发明的液锻模具的实施例2在使用状态下的结构示意图。

具体实施方式

本发明中液锻模具的实施例1：如图3所示，该液锻模具是一种具有内外法兰的零件的液态模锻模具，主要由上下相对的液锻上模和液锻下模组成，液锻上模连接在液压机的活动横梁上，液锻下模连接在液压机的工作台上，以通过液压机的活动横梁升降，实现液锻上模和液锻下模的合模，且液锻上模在闭合过程中，液锻上模和液锻下模之间的环形模腔具有注液位、液锻位和最终位。液锻上模下行到注液位时，液锻上模的凸模的下表面高于开设在液锻下模的凹模上的模具流道，可以将金属液通过模具流道注入环形模腔形成预备液104；液锻上模再次下行到液锻位时，凸模将模具流道密封，金属液充满整个闭合的环形模腔；液锻上模继续加压下行，使环形模腔中的金属液在压力下冷却凝固成形为液锻件101，当液锻上模到达最终位时，环形模腔形状尺寸与液锻件的形状尺寸相符。

液锻上模包括用于与液压机的活动横梁连接的上模座107，上模座107下端通过螺钉连接有固定套106，上模座107下面连接有通过固定套106固定的凸模。凸模由外凸模102与内凸模103同轴套配而成，其中内凸模103的下端的外周上开设有环形的成形止口，该成形止口与外凸模102的内壁面围成处于凸模下部工作段的环形的成形凹槽，以用于成形法兰的筒形部分；外凸模102与内凸模103的上部固定段采用过渡配合，在内凸模103的过渡配合面上开设有沿竖向延伸的排气沟槽，该排气沟槽与外凸模102的内壁面围成竖向延伸的排气通道，该排气通道可以在法兰液锻件101成形时进行排气但不会使金属液流出。内凸模103的上端面上还开设有同轴设置的减重盲孔，内凸模103下端开设有圆形的避让凹槽，且内凸模103的底部的处于避让凹槽外围的部分和外凸模102的底部形成环绕在避让凹槽外围的环形的凸模部。

液锻下模包括用于与液压机的工作台连接的下模座108，下模座108上通过螺钉连接有凹模105，下模座108内装配有垫环109，在垫环109上设置有型芯110，该型芯110由下模座108定位并由凹模105压紧固定。液锻下模还设有顶出装置，所述顶出装置包括与凹模105的内壁面和型芯110的外周面滑动密封配合的顶出器114。由顶出器114的上表面、凹模105的内壁面和型芯110的凸起的外表面围成上端开口、下端封闭的下模腔，下模腔的腔壁和型芯的外周面在液锻上模和液锻下模闭合后围成用于容纳金属液的环形模腔。顶出器114下面连接有穿装在型芯110的法兰部分上的小顶杆113、置于小顶杆113下面的顶板112和置于顶板112下面的大顶杆111，顶出装置通过大顶杆111与液压机的顶出缸传动连接。凹模105的外部设置有环绕在下模腔外围的水冷套115，用于在模具工作时导出模具中的热量，使其在较适宜的温度下工作。凹模105的内表面设有一环形槽a，供成形后液锻件101在该处形成相应的凸筋，在上模回程时由于凸筋的作用会迫使液锻件101滞留于凹模105中，而后在顶出时凸筋会产生少量变形而不影响制件的顶出。凹模105上还设有连通下模腔的模具流道，该模具流道为由内至外向上倾斜的斜孔，斜孔的内出口高于金属液流入环形模腔后形成的预备液104的液面高度，以通过该模具流道保证液锻模具在处于注液位时，金属液可进入环形模腔中而形成预备液104。

该液锻模具的工作原理是：

1）将液锻模具安装在压力机上；

2）按成分配方对铝合金进行熔炼并置于熔炉118中；

3）将液锻上模和液锻下模预热至一定温度；

4）将压缩空气通入熔炉118中，使熔炉118中金属液119注入定量储液桶116中；

5）在液锻上模和液锻下模的各模腔面喷涂润滑涂料后，液压机带动液锻模具的上模下行到注液位（如图3所示的右半部分）；

6）储液罐上的液压锥阀117上行，使定量储液罐内的金属液在重力作用下注入液锻下模的凹模105中形成预备液104，而后液压锥阀117复位；

7）上模再次下行，对金属液进行挤压和保压，使其充满外凸模102与内凸模103之间的成形凹槽，并使环形模腔中金属液在一定压力下流动、结晶和凝固收缩成形为液锻件；

8）上模回程，下模顶出机构上行，顶出液锻件（液锻件101），而后顶出机构回程；

9）重复上述4）～8），进行下一个零件的成形。

将步骤8）得到的零件进行少量后续切削加工和热处理即得法兰产品。

在工作过程中，当模具温度太高时，可在水冷套115中通水对模具进行冷却。该水冷套115是套设在下模外的水冷装置，另外在内凸模103、型芯110和顶出器114上也可以设置水冷装置。

本实施例中液锻模具可以在普通液压机上进行，设备成本明显降低；该液锻模具所需的成形压力比挤压成形方法明显降低，可以减小模具尺寸和设备吨位；液锻模具的结构简单可靠，对模具材料要求比挤压模具低；液锻模具与浇注系统结合，可以在模具闭合的状态下进行，减小了模具的闭合行程，从而提高制件质量；便于实现自动定量浇注，结构简单，定量准确，不污染环境；成形工艺简单，自动化程度高，劳动强度低，只需通过一次成形便可获得所需零件；材料的利用率高，加工余量小，降低了生产成本；液锻件晶粒细，不存在铸造缺陷，致密性好，且尺寸精度高，强度接近挤压液锻件，符合对法兰的质量要求。

在上述实施例中，模具流道处于液锻下模上，在其他实施例中，该液锻模具上也可以不设置模具流道，即直接通过输液管将金属液从下模上方注到下模腔中，但此金属液的注入需在液锻上模和液锻下模未闭合前进行。

本发明中液锻模具的实施例2：如图4所示，该液锻模具由上下相对的液锻上模和液锻下模组成。液锻上模包括用于与液压机的活动横梁连接的上模座207，上模座207的下端通过螺钉连接有固定套206，固定套206的下端口上设有环形的内翻沿，以通过该内翻沿顶压固定有处于上模座207下方的凸模。凸模包括同轴套装的外凸模202和内凸模203，外凸模202和内凸模203均为套状结构，并在外凸模202的上端设有处于外周上且挡止配合在内翻沿上方的环形外法兰和处于内壁上的环形的连接止口，该连接止口具有朝上的环形台阶面；内凸模203的上端设有处于外周上且挡止在环形台阶面上方的环形的外法兰和处于内壁上的环形的导向止口，该导向止口具有柱面形的导向柱面和朝上的环形挡止面；内凸模203的下端设有处于外周上的环形成形止口，该成形止口的壁面和外凸模202的内壁面围成环形的成形凹槽，用于成形液锻件201的圆筒部分；外凸模202的内壁面和内凸模203的外壁面之间采用过渡配合，并在内凸模203的配合面上开设有沿竖向延伸的排气沟槽，该排气沟槽的槽壁面和外凸模202的配合面围成竖向延伸的排气通道，排气通道的孔隙狭小，使得低压铸造过程中只能供气体通过而不会流入金属液。内凸模203内沿上下方向滑动密封装配有型芯211，型芯211的上端设有处于外周面上并与导向止口的导向柱面沿上下方向导向移动配合的外法兰，该外法兰的高度小于导向止口的环形挡止面到上模座207的距离，且两者之间的差值大于液锻上模自闭合位到终锻位的压下量h；型芯211的上端还同轴开设有上端开口、下端封闭的安装盲孔，安装盲孔内装配有向下压动型芯211的合模弹簧209，使得型芯211在模具闭合后与下模顶出器212接触。内凸模203的底部和外凸模202的底部形成环绕在型芯211外围的环形的凸模部，该凸模部可在型芯211的外周上上下密封滑动，且成形凹槽处于该凸模部的底面上。

液锻下模包括用于与液压机的工作台连接的下模座208，下模座208上通过螺钉固定连接凹模205，在下模座208上设置有顶出器212，顶出器212沿上下方向滑动密封装配在凹模205中。当上模下行的闭合位时，型芯211外表面与顶出器212上表面、凹模205的内壁面构成注液腔。顶出器212下面设有沿上下方向滑动装配在下模座208中的顶杆210，顶杆210与顶出器212组成顶出机构，顶杆210与液压机的顶出缸传动连接。凹模205上开设有模具流道，该模具流道为由内至外向上倾斜的斜孔，斜孔的内出口高于金属液流入环形模腔后形成的预备液204的液面高度。该模具流道的外侧连接有与浇注装置连接的输液管，能够在模具处于注液位时，金属液进入注液腔中而形成预备液204。凹模205的内壁面上开设有同轴设置的环形槽a，该环形槽a供金属液冷却凝固后形成法兰零件外周的凸筋，以通过凸筋在液锻上模回程时迫使液锻件201滞留于凹模205中，而后在顶出时凸筋会产生少量变形而不影响液锻件201的顶出。凹模205的外周上套装有水冷套213，用于在模具温度过高时通水冷却，导出模具中的热量，使其在较适宜的温度下工作。

在使用时，当上模下行到注液位时（如图4模具装置右半部所示），液锻上模的凸模的下表面高于开设在凹模205上的模具流道，而型芯211会顶压密封在顶出器212的顶面上，以通过该型芯211将下模腔隔设成环形的注液腔；金属液可以通过模具流道注入模腔形成预备液204；上模再次下行到液锻位时，上凸模将模具流道密封，将注液腔压缩成闭合模腔，此时金属液充满了整个闭合模腔；上模继续加压下行，使模腔中的金属液在压力下冷却凝固成形，随着成形过程的进行，上模到达最终位，模腔中的金属被模锻成为液锻件101。最后，液锻上模回程，顶出机构将液锻件201顶出脱模。

本发明的具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法包括以下步骤：

步骤一，在液锻上模和液锻下模未闭合到最终位置前，向处于注液位的环形模腔中注液金属液，所述液锻下模的顶部设有下端封闭、上端开口的下模腔，液锻上模和/或液锻下模上设有用于插入下模腔中央而液锻件的内法兰的内孔的型芯，所述环形模腔处于型芯的外周面和下模腔的内壁面之间，液锻上模的底部设有用于上下滑动密封插装在型芯的外周面和模腔的内壁面之间的环形的凸模部，凸模部的底面上开设有开口朝下而用于液锻件的筒体段的环形的成形凹槽；

步骤二，液锻上模和液锻下模相对闭合，凸模部相对于型芯的外周面和下模腔的内壁面下行而压缩环形模腔，直至将带有金属液的环形模腔自注液位压缩至腔室为所需零件的形状的最终位；

步骤三，金属液冷却凝固成形后，液锻上模和液锻下模相互脱开，取出液锻件。

Claims (8)

1.具有内外法兰的零件的液态模锻成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在液锻上模和液锻下模未闭合到最终位置前，向处于注液位的环形模腔中注液金属液，所述液锻下模的顶部设有下端封闭、上端开口的下模腔，液锻上模和/或液锻下模上设有用于插入下模腔中央而液锻件的内法兰的内孔的型芯，所述环形模腔处于型芯的外周面和下模腔的内壁面之间，液锻上模的底部设有用于上下滑动密封插装在型芯的外周面和模腔的内壁面之间的环形的凸模部，凸模部的底面上开设有开口朝下而用于液锻件的筒体段的环形的成形凹槽；

步骤二，液锻上模和液锻下模相对闭合，凸模部相对于型芯的外周面和下模腔的内壁面下行而压缩环形模腔，直至将带有金属液的环形模腔自注液位压缩至腔室为所需零件的形状的最终位，环形模腔中金属液在压力下发生流动、结晶和凝固收缩成形为液锻件；

步骤三，待液锻件冷却后，液锻上模和液锻下模相互脱开，取出液锻件。

2.液锻模具，其特征在于，包括液锻上模和液锻下模，液锻下模的顶部设有下端封闭、上端开口的下模腔，液锻上模和/或液锻下模上设有用于插入下模腔中央而液锻件的内法兰的内孔的型芯，液锻上模的底部设有用于上下滑动密封插装在型芯的外周面和下模腔的内壁面之间的环形的凸模部，凸模部的底面上开设有开口朝下而用于液锻件的筒体段的环形的成形凹槽；还包括用于在型芯的外周面和下模腔的内壁面之间形成的用于容纳金属液的环形模腔。

3.根据权利要求2所述的液锻模具，其特征在于，液锻下模上设有供金属液流入环形模腔中的模具流道。

4.根据权利要求3所述的液锻模具，其特征在于，所述模具流道处于下模腔的腔壁上的，模具流道为由内向外逐渐向上倾斜的斜孔，该斜孔的下端出口用于高于金属液流入环形模腔后形成的预备液的液面高度。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的液锻模具，其特征在于，所述液锻下模上设有型芯，液锻上模的底部设有供型芯的上端插入的避让凹槽，所述凸模部处于避让凹槽的外围。

6.根据权利要求2至4中任意一项所述的液锻模具，其特征在于，所述液锻上模上设有型芯，型芯上下滑动密封装配在凸模部的内壁上，并在型芯上连接有用于向下压动型芯的合模弹簧。

7.根据权利要求2至4中任意一项所述的液锻模具，其特征在于，液锻上模上设有连通在成形凹槽的槽底的排气通道。

8.根据权利要求2至4中任意一项所述的液锻模具，其特征在于，液锻上模和/或液锻下模上设有用于对环形模腔中液锻件进行冷却的水冷装置。