CN108526365A - 一种大型钛合金中央件的锻造成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于难变形材料加工塑性成形领域,涉及一种大型钛合金中央件的锻造成形方法。本发明包含以下步骤:步骤1,根据零件的形状、尺寸、材料特性,设计锻件数模;步骤2,设计模锻用荒坯图和模锻模具图,并进行模具制造;步骤3,使用专用机加设备对棒料两端进行倒大圆角;步骤4,使用模锻液压机进行胎膜锻制坯;步骤5,使用模锻液压机进行模锻;步骤6,对锻件进行热处理。本发明通过上述方法实现了大型中央件常规锻造的生产,具有工艺简单、批量一致性好等特点。实现了新型直升机旋翼系统对疲劳关键件轻量化‑高能效‑长寿命‑低成本的设计指标。
Description
技术领域
本发明属于难变形材料加工塑性成形领域,具体涉及一种大型钛合金中央件的锻造成形方法。
背景技术
在现有技术中,大型中央件一般采用普通超高强度钢通过锻造的方法来加工制造,采用此中工艺方法制备得中央件难以满足先进航空飞行器轻量化、高性能及长寿命的发展目标,难以满足我国新型直升机对旋翼系统中央件的设计要求。而大型钛合金中央件由于投影面积大,在小型设备上成形难度较大,导致从原材料到锻件成型过程中锻压比不足,锻件组织力学性能均匀一致性差,尤其是疲劳寿命低等一系列问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的是提供一种大型钛合金中央件的锻造成形方法。
本发明采用的技术方案是:
一种大型钛合金中央件的锻造成形方法,具体包含以下步骤:
步骤1,设计锻件图;
首先,分析零件图,包括产品零件外廓尺寸、投影面积、最小截面厚度和最大截面厚度及外径大小结构特征,其次,根据上述零件特征,确定锻件余量、拔模斜度、圆角半径参数,进而进行锻件设计;
步骤2,设计模锻用荒坯图和模锻模具图,并进行模具制造;
荒坯图以胎膜锻过程每火次的变形量25%~50%,模锻时变形量25%~30%,以及胎膜锻各截面面积与相对应处锻件截面面积之比为1.1~1.3的原则设计;
根据锻件尺寸,依据0.4%~0.8%的热收缩率和模具与模座的装卡,设计出模锻模具图,模锻模具型腔与热锻件尺寸一致,以利于坯料在型腔中最终流动和成形;
根据模具图进行模具的加工制造,并严格控制模具型腔表面粗糙度;
步骤3,使用专用机加设备对棒料两端进行倒大圆角;
其包含以下程序:
(a)使用专用打磨吊挂将棒料两端尖角倒钝;
(b)在数控卧式车床上将棒料两端倒钝的尖角倒大圆角,保证圆角R80~R100mm;
步骤4,使用模锻液压机进行胎膜锻制坯;
其包括以下程序:
(a)利用制造好的模具进行胎膜锻制坯,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)棒料在电炉中进行加热,加热温度Tβ‐(15~45)℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(c)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(d)棒料出炉后置于模锻之间进行胎膜锻制坯,并控制每火次的压下量,压制速度2~10mm/s,得到符合工艺要求的荒坯;
(e)空冷;
重复上述a~e步骤3~5次;
步骤5,使用模锻液压机进行常规模锻;
其包含以下程序:
(a)利用制造好的模具进行常规模锻,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)喷涂防护润滑剂:将坯料置于电炉中预热100~200℃,保温60~90min后均匀喷涂润滑剂,喷涂厚度0.3~0.8mm,保证坯料表面喷涂后厚度均匀;
(c)将坯料使用电炉进行加热,加热温度Tβ‐(15~45)℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(d)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(e)将坯料出炉后置于模锻之间进行常规模锻,并控制每火次的压下量,压制速度2~6mm/s,得到符合图纸要求的锻件;
(f)空冷;
重复上述a~f步骤1‐2次;
步骤6,对锻件进行热处理。
进一步地,所述步骤5中,坯料的终锻温度≥700℃。
进一步地,所述步骤6的热处理工艺为:锻件在电炉中760℃加热保温120min后出炉淬火,淬火转移时间小于30s;在电炉中520℃保温500min后出炉空冷。
进一步地,所述步骤6的热处理工艺为:锻件在电炉中790℃加热保温150min后出炉淬火,淬火转移时间小于35s;在电炉中620℃保温510min后出炉空冷。
本发明的有益效果:本发明生产出尺寸精度高、组织力学性能均匀性好,并具有强度‐塑性‐韧性‐疲劳寿命匹配最佳的钛合金中央件锻件,满足新直升机关键件对大尺寸、轻量化、长寿命和低成本中央件的设计需求。
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为案例1锻件轴测图;
图2为案例2锻件轴测图。
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,下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
步骤1,设计锻件图;
首先,分析零件图,包括产品零件外廓尺寸、投影面积、最小截面厚度和最大截面厚度、内径大小和外径大小结构特征,其次,根据上述零件特征,确定锻件余量、拔模斜度、圆角半径参数,进而进行锻件设计;
步骤2,设计模锻用荒坯图和模锻模具图,并进行模具制造;
荒坯图以胎膜锻过程每火次的变形量25%~50%,模锻时变形量25%~30%,以及胎膜锻各截面面积与相对应处锻件截面面积之比为1.1~1.3的原则设计;
根据锻件尺寸,依据0.4%~0.8%的热收缩率和模具与模座的装卡,设计出模锻模具图,模锻模具型腔与热锻件尺寸一致,以利于坯料在型腔中最终流动和成形;
根据模具图进行模具的加工制造,并严格控制模具型腔表面粗糙度;
步骤3,使用专用机加设备对棒料两端进行倒大圆角;
其包含以下程序:
(a)使用专用打磨吊挂将棒料两端尖角倒钝;
(b)在数控卧式车床上将棒料两端倒钝的尖角倒大圆角,保证圆角R80~R100mm;
步骤4,使用模锻液压机进行胎膜锻制坯;
其包括以下程序:
(a)利用制造好的模具进行胎膜锻制坯,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)棒料在电炉中进行加热,加热温度Tβ‐(15~45)℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求(即加热温度Tβ‐(15~45)℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算)时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(c)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(d)棒料出炉后置于模锻之间进行胎膜锻制坯,并控制每火次的压下量,压制速度2~10mm/s,得到符合工艺要求的荒坯;
(e)空冷;
重复上述a~e步骤3~5次;
步骤5,使用模锻液压机进行常规模锻;
其包含以下程序:
(a)利用制造好的模具进行常规模锻,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)喷涂防护润滑剂:将坯料置于电炉中预热100~200℃,保温60~90min后均匀喷涂润滑剂,喷涂厚度0.3~0.8mm,保证坯料表面喷涂后厚度均匀;
(c)将坯料使用电炉进行加热,加热温度Tβ‐(15~45)℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求(即加热温度Tβ‐(15~45)℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算)时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(d)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(e)将坯料出炉后置于模锻之间进行常规模锻,并控制每火次的压下量,压制速度2~6mm/s,得到符合图纸要求的锻件;
(f)空冷;
重复上述a~f步骤1‐2次;
步骤6,对锻件进行热处理。
以下结合实施例对具体实施方式进行说明。
案例一:参照图1,锻件材料:钛合金TB6,相变点801℃;锻件外廓尺寸:Φ1150×356mm;锻件投影面积1.1m2;锻件重量:426Kg。
步骤1,设计锻件图;
首先,分析零件图:零件外廓尺寸为Φ1120×340mm,投影面积为1m2,最大外廓直径Φ1120mm,内孔Φ180mm,外缘处筋高落差35mm。根据上述零件特征,确定锻件余量为水平方向单边10~15mm,高度方向单边8mm,拔模斜度内10°、外7°,凸圆角R10,凹圆角R80。按上述确定的原则完成锻件设计;
步骤2,设计模锻用荒坯图和模锻模具图,并进行模具制造;
荒坯图以胎膜锻过程每火次的变形量25%~30%,模锻时变形量25%~30%,以及胎膜锻各截面面积与相对应处锻件截面面积之比为1.2的原则设计;
模锻模具型腔与热锻件尺寸一致,根据锻件数模进行模具数模的设计,模具材料为H13,锻件材料为TB6钛合金,根据这两种材料在终锻温度下的线膨胀系数,分别确定锻件和模具的收缩率,最终确定模具型腔尺寸为锻件尺寸的100.6%,同时考虑模具与模座的装卡,设计模锻模具图;
根据模具图进行模具的加工制造,并严格控制模具型腔表面粗糙度;
步骤3,使用专用机加设备对棒料两端进行倒大圆角;
其包含以下程序:
(a)使用专用打磨吊挂将棒料两端尖角倒钝;
(b)在数控卧式车床上将棒料两端倒钝的尖角倒大圆角,保证圆角R80~R100mm;
步骤4,使用模锻液压机进行胎膜锻制坯;
其包括以下程序:
(a)利用制造好的模具进行胎膜锻制坯,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)棒料在电炉中进行加热,加热温度750℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求(即加热温度750℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算)时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(c)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(d)棒料出炉后置于模锻之间进行胎膜锻制坯,并控制每火次的压下量,压制速度6mm/s,得到符合工艺要求的荒坯;
(e)空冷;
重复上述a~e步骤4次;
步骤5,使用模锻液压机进行常规模锻;
其包含以下程序:
(a)利用制造好的模具进行常规模锻,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)喷涂防护润滑剂:将坯料置于电炉中预热100~200℃,保温80min后均匀喷涂润滑剂,喷涂厚度0.3~0.8mm,保证坯料表面喷涂后厚度均匀;
(c)将坯料使用电炉进行加热,加热温度750℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求(即加热温度750℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算)时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(d)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(e)将坯料出炉后置于模锻之间进行常规模锻,并控制每火次的压下量,压制速度3mm/s,得到符合图纸要求的锻件;
(f)空冷;
重复上述a~f步骤2次;
步骤6,对锻件进行热处理。
主要工艺流程为:锻件在760℃加热保温120min后出炉淬火,淬火转移时间小于30s;在520℃保温500min后出炉空冷。
对经过上述步骤制得的锻件检测力学性能,拉伸性能见表1,断裂韧性见表2。
表1案例一锻件拉伸性能
表2案例一锻件断裂韧性
对经过上述步骤制得的锻件尺寸、表面质量符合锻件图纸及数模的要求;其他高低倍组织、超声波探伤等理化性能均符合型号标准要求。
案例二:参照图2,锻件材料:钛合金Ti55531,相变点843℃;锻件外廓尺寸:Φ960×346mm;锻件投影面积0.73m2;锻件重量:380Kg。
步骤1,设计锻件图;
首先,分析零件图:零件外廓尺寸为Φ940×330mm,投影面积为0.7m2,最大外廓直径Φ940mm,内孔Φ160mm。根据上述零件特征,确定锻件余量为水平方向单边10~15mm,高度方向单边8mm,拔模斜度内10°、外7°,凸圆角R10,凹圆角R100。按上述确定的原则完成锻件设计;
步骤2,设计模锻用荒坯图和模锻模具图,并进行模具制造;
荒坯图以胎膜锻过程每火次的变形量25%~30%,模锻时变形量25%~30%,以及胎膜锻各截面面积与相对应处锻件截面面积之比为1.2的原则设计;
模锻模具型腔与热锻件尺寸一致,根据锻件数模进行模具数模的设计,模具材料为H13,锻件材料为Ti55531钛合金,根据这两种材料在终锻温度下的线膨胀系数,分别确定锻件和模具的收缩率,最终确定模具型腔尺寸为锻件尺寸的100.7%,同时考虑模具与模座的装卡,设计模锻模具图;
根据模具图进行模具的加工制造,并严格控制模具型腔表面粗糙度;
步骤3,使用专用机加设备对棒料两端进行倒大圆角;
其包含以下程序:
(a)使用专用打磨吊挂将棒料两端尖角倒钝;
(b)在数控卧式车床上将棒料两端倒钝的尖角倒大圆角,保证圆角R80~R100mm;
步骤4,使用模锻液压机进行胎膜锻制坯;
其包括以下程序:
(a)利用制造好的模具进行胎膜锻制坯,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)棒料在电炉中进行加热,加热温度795℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求(即加热温度795℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算)时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(c)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(d)棒料出炉后置于模锻之间进行胎膜锻制坯,并控制每火次的压下量,压制速度5mm/s,得到符合工艺要求的荒坯;
(e)空冷;
重复上述a~e步骤3次;
步骤5,使用模锻液压机进行常规模锻;
其包含以下程序:
(a)利用制造好的模具进行常规模锻,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)喷涂防护润滑剂:将坯料置于电炉中预热100~200℃,保温90min后均匀喷涂润滑剂,喷涂厚度0.3~0.8mm,保证坯料表面喷涂后厚度均匀;
(c)将坯料使用电炉进行加热,加热温度790℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求(即加热温度790℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算)时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(d)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(e)将坯料出炉后置于模锻之间进行常规模锻,并控制每火次的压下量,压制速度2mm/s,得到符合图纸要求的锻件;
(f)空冷;
重复上述a~f步骤2次;
步骤6,对锻件进行热处理。
主要工艺流程为:锻件在790℃加热保温150min后出炉淬火,淬火转移时间小于30s;在620℃保温510min后出炉空冷。
对经过上述步骤制得的锻件检测力学性能,拉伸性能见表3,断裂韧性见表4。
表3案例二锻件拉伸性能
表4案例二锻件断裂韧性
本发明通过上述方法实现了大型钛合金中央件常规锻造的生产。本方法生产的锻件强度‐塑性‐韧性‐疲劳寿命匹配最佳,满足新直升机关键件对大尺寸、轻量化、长寿命和低成本中央件的设计需求。
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 (4)
1.一种大型钛合金中央件的锻造成形方法,具体包含以下步骤:
步骤1,设计锻件图;
首先,分析零件图,包括产品零件外廓尺寸、投影面积、最小截面厚度和最大截面厚度及外径大小结构特征,其次,根据上述零件特征,确定锻件余量、拔模斜度、圆角半径参数,进而进行锻件设计;
步骤2,设计模锻用荒坯图和模锻模具图,并进行模具制造;
荒坯图以胎膜锻过程每火次的变形量25%~50%,模锻时变形量25%~30%,以及胎膜锻各截面面积与相对应处锻件截面面积之比为1.1~1.3的原则设计;
根据锻件尺寸,依据0.4%~0.8%的热收缩率和模具与模座的装卡,设计出模锻模具图,模锻模具型腔与热锻件尺寸一致,以利于坯料在型腔中最终流动和成形;
根据模具图进行模具的加工制造,并严格控制模具型腔表面粗糙度;
步骤3,使用专用机加设备对棒料两端进行倒大圆角;
其包含以下程序:
(a)使用专用打磨吊挂将棒料两端尖角倒钝;
(b)在数控卧式车床上将棒料两端倒钝的尖角倒大圆角,保证圆角R80~R100mm;
步骤4,使用模锻液压机进行胎膜锻制坯;
其包括以下程序:
(a)利用制造好的模具进行胎膜锻制坯,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)棒料在电炉中进行加热,加热温度Tβ‐(15~45)℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(c)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(d)棒料出炉后置于模锻之间进行胎膜锻制坯,并控制每火次的压下量,压制速度2~10mm/s,得到符合工艺要求的荒坯;
(e)空冷;
重复上述a~e步骤3~5次;
步骤5,使用模锻液压机进行常规模锻;
其包含以下程序:
(a)利用制造好的模具进行常规模锻,模具在天然气炉中预热至100~350℃后安装到模锻设备上;
(b)喷涂防护润滑剂:将坯料置于电炉中预热至100~200℃,保温60~90min后均匀喷涂润滑剂,喷涂厚度0.3~0.8mm,保证坯料表面喷涂后厚度均匀;
(c)将坯料使用电炉进行加热,加热温度Tβ‐(15~45)℃,保温时间按0.5‐1.2min/mm计算;每火次坯料保温时间达到工艺规定要求时出炉对坯料进行包套,防止锻造过程中坯料过快降温,并将坯料回炉保温30min后出炉锻造;
(d)锻造前对模具型腔进行水基石墨润滑;
(e)将坯料出炉后置于模锻之间进行常规模锻,并控制每火次的压下量,压制速度2~6mm/s,得到符合图纸要求的锻件;
(f)空冷;
重复上述a~f步骤1‐2次;
步骤6,对锻件进行热处理。
2.根据权利要求1所述的大型钛合金中央件的锻造成形方法,其特征在于:所述步骤5中,坯料的终锻温度≥700℃。
3.根据权利要求1所述的大型钛合金中央件的锻造成形方法,其特征在于:所述步骤6的热处理工艺为:锻件在电炉中760℃加热保温120min后出炉淬火,淬火转移时间小于30s;在电炉中520℃保温500min后出炉空冷。
4.根据权利要求1所述的大型钛合金中央件的锻造成形方法,其特征在于:所述步骤6的热处理工艺为:锻件在电炉中790℃加热保温150min后出炉淬火,淬火转移时间小于35s;在电炉中620℃保温510min后出炉空冷。
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