CN107116171B - 一种薄板类复杂模锻件制坯用胎模及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空产品塑性成形领域，具体涉及一种薄板类复杂模锻件制坯用胎模及成形方法。本发明通过对航空薄板类复杂模锻件制坯用胎模进行设计，提出了一种在自由锻造设备上实现薄板类复杂模锻件精密制坯的方法。本发明通过采用芯模、加强板和手柄的结构，胎模不用固定在压机下工作台面上，提高了胎模的便携性，使胎模随时都可以放在压机下平砧上进行制坯。同时，胎模的芯模由两块加强板固定，拆装容易，方便不同芯模的更换。针对复杂薄板类锻件制坯所用的多套胎模，采用本发明后不用以套为单位加工不同型腔的胎模，只需单独加工芯模即可，降低了生产成本。锻造过程中，本发明只需在一火次中快速更换芯模就能实现以前多套胎模多火次的制坯效果。

Description

一种薄板类复杂模锻件制坯用胎模及成形方法

技术领域

本发明属于航空产品塑性成形领域，具体涉及一种薄板类复杂模锻件制坯用胎模及成形方法。

背景技术

薄板类结构件是航空领域使用的一种典型零部件，主要起到分隔、支撑、导向、定位的作用。然而，薄板类结构件的整体零件厚度较小，外形尺寸大且不规则，甚至局部存在加强筋等隆起部分，因此毛坯通常采用铸造成形，但对于一些力学性能要求较为苛刻的零件，则要求采用锻造成形。目前，薄板类结构件的锻造工艺主要有自由锻造、普通模锻和等温锻造。其中，自由锻造主要用于锻件的粗成形，成形后锻件形状与零件差别较大，重点依靠后续机加工过程完成零件成形。这种锻造工艺的材料浪费较大、锻件的机加工生产周期较长，适用于廉价材料或批量小的零件。等温锻造兴起于20世纪后期，主要利用金属材料的超塑性，使坯料在某一恒定温度下变形，成形后锻件尺寸接近于零件尺寸，锻件机加工量小，但这种锻造工艺的成本较高。相比较而言，普通模锻在航空领域中使用范围最广泛，其锻造方式介于自由锻造和等温锻造工艺之间，尽管成形后的锻件仍有较大机加工量，但机加工周期远短于自由锻造锻件，锻造过程中不需要加热，因此锻造成本也远低于等温锻造。

对于薄板类复杂模锻件而言，不规则外形轮廓导致锻件锻造难度很大。对薄板类复杂模锻件采用方坯、棒坯进行锻造时，坯料在模具型腔内的变形量较大，变形产热导致锻件局部温度升高，锻后容易出现魏氏体等恶劣组织，导致锻件力学性能较差。因此，为了降低锻造难度，减少材料浪费，需要在制坯过程中精化坯料的形状，使坯料的形状与锻件形状匹配。现有发明中，公开号CN104308057A的发明专利提供了一种长薄板类复杂模锻件胎模锻制坯成形方法，该方法通过设计简易工装，采用锻方、拔杆、压窝等工步，使坯料形状更接近锻件的外形，有利于模锻件的最终成形，但该发明适用于轮廓为矩形或梯形的简单锻坯，对于形状复杂的曲面轮廓很难成形出来。公开号CN105397001A的发明专利提供了一种钛合金复杂薄板类锻件的等温锻造成形方法，即通过在自由锻锤上对坯料进行镦粗、拔长、压扁，随后采用等温锻造的方法成形出最终的锻件，该专利制坯过程属于自由锻，坯料与锻件的形状差异较大，锻件的材料利用率较低。公开号为CN201592229U、CN202877460U和CN201913125U的实用新型分别提供了一种框体安装边异形锻件、一种履带板和一种曲轴的制坯模具，两个发明中上下模具分别用螺栓与压机上下砧座相连固定，通过上模和下模闭合后形成的空腔来成形出具有特定形状的坯料，模具的使用方式比较单一。公开号为CN205032552U的实用新型提供了一种薄壁件成形模具，该发明主要用于球形薄壁件的冲压成形。

基于以上现有技术可以看出，目前薄板类复杂模锻件制坯时所采用的方法主要有两种。一种由上模具和下模具两部分构成，模具型腔呈矩形、梯形或小的圆弧形。制坯前，上、下模具分别用螺栓与压机砧座连接，随后将加热后的坯料放入模具型腔内，操作压机使上、下模具闭合，坯料在模具型腔内达到规定的形状。另一种胎模由限制坯料流向的框模、垫块和压板组成，制坯前将坯料放入框模，再将压板置于坯料上。制坯时利用压机上砧板压动压板，使坯料在框模内流动，从而成形出规定的坯料形状。以上两种制坯方法中胎模的体积和重量都比较大，且制坯过程中不能更换模具，即一种坯料的成形只能在一个加热火次中用一套胎模完成，因此，对于较复杂的坯料只能通过增加锻造火次，陆续采用多套胎模来制坯，这种制坯方式明显增加了锻造成本和生产周期。另一方面，锻件制坯所采用的多套胎模，其外形尺寸都一样，只是形腔不同，因此每一套胎模加工时都必须用相同尺寸的模具材料进行形腔加工，大大增加了模具材料的成本。

发明内容

本发明的目的是，提高坯料与锻件形状的匹配程度，避免薄板类复杂模锻件在锻造过程中因坯料形状不合理出现局部变形量过大，或模具充填不到位，因而提出一种薄板类复杂模锻件制坯用胎模及成形方法。

本发明的技术解决方案是，胎模包括芯模、加强板和手柄，所述芯模的外轮廓为方形或圆形，外轮廓的中部有向外伸出有凸台，凸台高度10mm～20mm；芯模中部为胎模型腔，型腔侧壁的拔模斜面角度为5°～7°；芯模的外廓尺寸为型腔最大长度L_max+100mm～200mm，芯模的高度与坯料的最大高度相同。

所述的加强板是厚度为10mm～20mm的两块方形金属板，中心部位有一个与芯模外轮廓相同的孔，孔的尺寸与芯模外轮廓的尺寸相匹配，加强板的外廓长度、宽度分别是芯模厚度的2～3倍；加强板的中间孔与加强板的轮廓外缘之间分布有若干减重孔，减重孔直径为Φ20mm，孔间距30mm；距加强板宽边30mm处分别有两个直径10mm的安装孔，用于连接手柄。

所述手柄的一端为空心圆管，另一端截面为方形实心金属棒，方形端的头部有圆弧形卡头，卡头的厚度与芯模外轮廓中部向外伸出的凸台厚度相等。

利用薄板类复杂模锻件的胎模制坯的方法，包括以下步骤：

步骤1，按照锻件重量的1.1～1.5倍，从金属棒料上截取棒坯；

步骤2，在电阻炉中将棒坯加热至锻造温度；

步骤3，组装胎模，将两块加强板分别夹持在芯模外轮廓中部向外伸出的凸台上，使芯模置于加强板的的中间孔中，并将手柄的圆弧形卡头与两块加强板固定；

步骤4，从电阻炉中夹出棒坯放置在压机下平砧上，操作压机上锤头打击棒坯，使棒坯呈方形，方坯的尺寸以能够放入胎模的芯模型腔中为准；

步骤5，通过手柄将组装好的胎模抬至压机下平砧上，将方坯放入芯模型腔，用压机上锤头打击方坯，同时移动胎模，使坯料均匀充满胎模型腔，随后反转胎模，使坯料从胎模型腔中脱落；

步骤6，打磨坯料，去除多余毛边。

本发明具有的优点和有益效果，本发明通过对航空薄板类复杂模锻件制坯用胎模进行设计，提出了一种在自由锻造设备上实现薄板类复杂模锻件精密制坯的方法。本发明通过采用芯模、加强板和手柄的结构，胎模不用固定在压机下工作台面上，提高了胎模的便携性，使胎模随时都可以放在压机下平砧上进行制坯。同时，胎模的芯模由两块加强板固定，拆装容易，方便不同芯模的更换。针对复杂薄板类锻件制坯所用的多套胎模，采用本发明后不用以套为单位加工不同型腔的胎模，只需单独加工芯模即可，大大节省了模具材料，降低了生产成本。锻造过程中，本发明只需在一火次中快速更换芯模就能实现以前多套胎模多火次的制坯效果。

附图说明

图1胎模组合后的示意图。

图2胎模芯模示意图。

图3胎模加强板示意图。

图4胎模手柄示意图。

图5胎模锻造过程的示意图。

1.芯模 2.加强板 3.手柄 4.螺栓 5.螺母

6.定位凸台 7.减重孔 8.芯模安装孔 9.螺栓安装孔

10.手柄螺栓安装孔 11.压机上锤头 12.压机下平砧 13.坯料

具体实施方式

所述的薄板类复杂模锻件的胎模，包括芯模1、加强板2和手柄3。所述芯模1的外轮廓为方形，四个侧面的中部有向外伸出的凸台6，凸台6高度10mm～20mm；芯模中部为胎模型腔，用于成形坯料13，型腔侧壁的拔模斜面角度为5°～7°；芯模的外廓长度、宽度尺寸分别为型腔最大长度(L_max)+100mm～200mm，最大宽度(W_max)+100mm～200mm，芯模的高度与坯料的最大高度相同。

所述加强板2是厚度10mm～20mm的方形金属板，中心部位有一个方孔，所述方孔的长度、宽度分别与芯模外轮廓长度、宽度相匹配。加强板的外廓长度、宽度分别是芯模厚度的2～3倍；加强板的中间方孔与轮廓外缘之间分布有若干减重孔，孔径Φ20mm，孔间距30mm；距加强板宽边30mm处分别有两个直径10mm的安装孔，用于连接手柄。

所述手柄3的一端为空心圆管，长度300mm～500mm，壁厚5mm；另一端截面为方形，长度100mm的实心金属棒。方形端的头部有圆弧形卡头，卡头的圆弧半径为R25mm，厚度为10mm。

模具组装时先将芯模放入置在两块加强板中间，加强板使中心部位的方孔与芯模外轮廓配合，随后将手柄的圆弧形卡头插在两块加强板中间，使卡头上的安装孔与加强板上的安装孔对齐，最后用M10的螺栓和螺母将两个加强板及中间的手柄固定。

本发明所提出的薄板类复杂模锻件的胎模制坯方法，其具体包括以下步骤：

步骤1，按照锻件重量的1.1～1.2倍，从金属棒料上截取棒坯。

步骤2，在电阻炉中将棒坯加热至指定锻造温度。

步骤3，将压机上、下平砧和胎模的芯模预热至200℃～400℃。

步骤4，从电阻炉中夹出棒坯放置在压机下平砧12上，操作压机上锤头11打击棒坯，使棒坯呈方形。所述方坯尺寸取决于芯模型腔尺寸，即使方坯最大外廓与模具型腔相距不小于2mm。

步骤5，通过手柄将胎膜抬至压机下平砧上，将方坯放入芯模型腔。用压机上锤头打击方坯，同时移动胎膜，使坯料均匀充满胎膜型腔。随后反转胎膜，使坯料从胎膜型腔中脱落。

步骤6，去除多余毛边，打磨坯料。

实施例一

钛合金由于比强度高、耐腐蚀和耐热性能好而被广泛应用于航空领域，多用于制造航空发动机中要求强度高与耐热性能好的重要零部件和飞机机体结构件。本实施例是一种复杂航空钛合金薄板锻件的坯料成形过程，以及所使用的胎模。胎模由芯模1、加强板2、手柄3、螺栓4和螺母5组成，分别用于约束坯料的外围轮廓，强化芯模侧壁和移动胎模。

图2～图5所示，芯模1的外廓为方形，长度为350mm，宽度为230mm，高度为45mm，四个侧面的中部有向外伸出的凸台6，凸台的伸出高度为20mm，厚度为15mm。芯模1的中部为胎模型腔，所述型腔在底面的投影近似为矩形，投影由四个边组成：两个短边为直线，长度80mm；其中一个长边也为直线，长度200mm；另一个长边呈波纹状曲线，如图2所示。以上三个直边之间有R15mm的圆角。芯模型腔的四个侧壁与底面有7°的夹角，便于锻后坯料的取出。芯模1的材料为H13模具钢。

所述加强板2是长度550mm，宽度450mm，厚度15mm的矩形板，中心部位有方形通孔是芯模的安装孔8，所述安装孔的长度为350.2mm，宽度为230.2mm。加强板2的外轮廓与芯模安装孔8之间有若干减重孔7(直径Φ20mm)。所述减重孔以加强板2轮廓长度550mm的侧边为基准，等距排列11层，层间距离为30mm，每层圆心之间的距离为30mm。在加强板2长度450mm的侧边附近，各有两个直径Φ10mm螺栓安装孔9，孔心距边线30mm，距边线中点115mm。

所述胎模的手柄3的一端为空心圆管，长度为400mm，外径为Φ25mm，内径为Φ15mm，；另一端截面为35mm×35mm的方形，长度100mm的实心金属棒。方形端的头部有圆弧形卡头，卡头的圆弧半径为R25mm，厚度为10mm。卡头心部有一个直径Φ10mm的手柄螺栓安装孔10，用于安装螺栓4。

本实例的具体成形过程包括以下步骤：

步骤1，从直径Φ80mm的TA15钛合金棒料上截取重量为2.5kg的棒坯。打磨棒坯的锯切面，两端面倒3mm×45°的倒角。

步骤2，电炉升温至T_β-40℃，空烧60min。随后，将棒坯放入加热炉，棒坯间隔不小于30mm。待温度重新升到设定温度后保温30min。

步骤3，将压机上锤头11、下平砧12和胎模的芯模1预热至300℃。

步骤4，从电阻炉中夹出棒坯并放置在2吨电液锤地下平砧上12，操作压机上锤头11打击棒坯，变形量不小于40％，使棒坯呈方形(边长不大于190mm×70mm)。

步骤5，在所述方坯13外表面喷涂润滑剂。

步骤6，将胎模放置在压机下平砧上12，方坯13放入芯模1的型腔。用压机上锤头11打击方坯，同时移动胎模，使坯料均匀充满胎模型腔。随后反转胎模，使坯料从胎模型腔中脱落。

步骤7，去除多余毛边，打磨坯料。

Claims (2)

1.一种薄板类复杂模锻件的胎模，其特征在于，胎模包括芯模、加强板和手柄，所述芯模的外轮廓为方形或圆形，外轮廓的中部有向外伸出凸台，凸台高度10mm～20mm；芯模中部为胎模型腔，型腔侧壁的拔模斜面角度为5°～7°；芯模的外廓尺寸为型腔最大长度L_max+100mm～200mm，芯模的高度与坯料的最大高度相同；

所述的加强板是厚度为10mm～20mm的两块方形金属板，中心部位有一个与芯模外轮廓相同的孔，孔的尺寸与芯模外轮廓的尺寸相匹配，加强板的外廓长度、宽度分别是芯模厚度的2～3倍；加强板的中间孔与加强板的轮廓外缘之间分布有若干减重孔，减重孔直径为Φ20mm，孔间距30mm；距加强板宽边30mm处分别有两个直径10mm的安装孔，用于连接手柄；

所述手柄的一端为空心圆管，另一端截面为方形实心金属棒，方形端的头部有圆弧形卡头，卡头的厚度与芯模外轮廓中部向外伸出的凸台厚度相等；

胎模组装时，先将芯模放入置在两块加强板中间，两块加强板分别夹持在芯模外轮廓中部向外伸出的凸台上，使芯模置于加强板的的中间孔中，随后将手 柄的圆弧形卡头插在两块加强板中间，将手 柄的圆弧形卡头与两块加强板固定。

2.一种利用权利要求1所述薄板类复杂模锻件的胎模制坯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，按照锻件重量的1.1～1.5倍，从金属棒料上截取棒坯；

步骤2，在电阻炉中将棒坯加热至锻造温度；

步骤3，组装胎模，将两块加强板分别夹持在芯模外轮廓中部向外伸出的凸台上，使芯模置于加强板的中间孔中，并将手柄的圆弧形卡头与两块加强板固定；

步骤4，从电阻炉中夹出棒坯放置在压机下平砧上，操作压机上锤头打击棒坯，使棒坯呈方形，方坯的尺寸以能够放入胎模的芯模型腔中为准；

步骤5，通过手柄将组装好的胎模抬至压机下平砧上，将方坯放入芯模型腔，用压机上锤头打击方坯，同时移动胎模，使坯料均匀充满胎模型腔，随后反转胎模，使坯料从胎模型腔中脱落；

步骤6，打磨坯料，去除多余毛边。