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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