CN108526381A - 一种超大型铝基复合材料环件的锻造方法 - Google Patents

一种超大型铝基复合材料环件的锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锻造技术领域，涉及一种超大型铝基复合材料环件的锻造方法。本发明包含以下步骤：步骤一，根据零件的形状、尺寸、材料特性，设计锻件数模；步骤二，设计模锻用荒坯图和等温锻镦饼、模锻模具图，并进行模具制造；步骤三，使用模锻液压机进行等温锻镦饼；步骤四，使用专用机加设备进行机械加工；步骤五，使用模锻液压机进行等温锻模锻；步骤六，对锻件进行热处理。本发明通过上述方法实现了超大型铝基复合材料环件等温锻造的生产，具有工艺简单、批量一致性好等特点。

Description

一种超大型铝基复合材料环件的锻造方法
技术领域
本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种超大型铝基复合材料环件的锻造方法。
背景技术
在现有技术中，大型环形件一般采用普通铝合金经过常规锻造的方法来制造，采用这种普通锻造方法，面临疲劳寿命和安全性等诸多技术难题，难以满足我国新型直升机的设计要求。而大型铝基复合材料环件由于成形难度大，现有技术为普通铝合金通过常规锻造方法实现，此方式生产的锻件存在尺寸精度差，表面质量差，组织力学性能均匀性差，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超大型铝基复合材料环件的锻造方法。
本发明采用的技术方案是：
一种超大型铝基复合材料环件的等温锻造方法，具体包含以下步骤：
步骤一，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；
步骤二，设计模锻用荒坯图、等温锻镦饼和模锻模具图，并进行模具制造；
荒坯图以镦饼过程每火次的变形量30％～60％，模锻时变形量20％～50％，以及自由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；
根据荒坯尺寸，考虑模具与模座的装卡，设计出镦饼用平板模具，上、下模表面粗糙度按Ra1.6μm控制；
根据模具图进行模具的加工制造，并严格控制上、下模的表面粗糙度；
步骤三，使用模锻液压机进行等温锻镦饼；
其包括以下程序：
(a)模具预热至100～350℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至350～450℃；
(b)坯料在电炉中进行加热，加热温度420～480℃，保温时间按1.5～2.5min/mm计算；并对坯料进行包套，防止坯料降温；
(c)坯料出炉后置于上、下平板模之间进行等温锻镦饼，并控制每火次的压下量和压制速度，得到符合工艺要求的坯料；
(d)空冷；
重复上述a～d步骤4-6次；
步骤四，使用专用机加设备进行机械加工；
其包含以下程序；
(a)将坯料在普通车床上进行粗加工，上、下表面均匀加工；
(b)在数控车床上采用专用刀具进行精加工，保证坯料表面粗糙度；
步骤五，使用模锻液压机进行等温锻模锻，包含以下程序：
(a)模具预热至100～350℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至350～450℃；
(b)喷涂专用石墨水剂：将坯料置于电炉中预热至150～250℃，保温90～120min后均匀喷涂润滑剂，喷涂厚度0.4～0.6mm，保证坯料表面喷涂后石墨厚度均匀；
(c)将坯料使用电炉进行加热，加热温度420～480℃，保温时间按1.5～2.5min/mm计算；
(d)锻造前对模具型腔喷涂专用石墨水剂，保证模具型腔喷涂后石墨厚度均匀；
(e)将坯料置于模具中进行等温锻造，压制速度0.2～2mm/s；
(f)空冷；
重复上述a～f步骤2-3次；
步骤六，对锻件进行热处理。
进一步地，所述步骤四中，坯料需用专用机加设备进行机械加工，
保证坯料表面粗糙度Ra3.2～Ra1.6μm。
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，并具有良好表面质量的铝基复合材料锻件，满足新直升机关键件对大尺寸、高减重、长寿命和低成本环形锻件的需求。
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。
步骤一，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；
步骤二，设计模锻用荒坯图、等温锻镦饼和模锻模具图，并进行模具制造，
荒坯图以镦饼过程每火次的变形量30％～60％，模锻时变形量20％～50％，以及自由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；
等温锻镦饼用平板模设计；
根据荒坯尺寸，考虑模具与模座的装卡，设计出镦饼用平板模具，上、下模表面粗糙度按Ra1.6μm控制；
根据模具图进行模具的加工制造，并严格控制上、下模的表面粗糙度；
步骤三，使用模锻液压机进行等温锻镦饼，
其包括以下程序：
(a)模具预热至100～350℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至350～450℃；
(b)坯料在电炉中进行加热，加热温度420～480℃，保温时间按1.5～2.5min/mm计算；并对坯料进行包套，防止坯料降温；
(c)坯料出炉后置于上、下平板模之间进行等温锻镦饼，并控制每火次的压下量和压制速度，得到符合工艺要求的坯料；
(d)空冷；
重复上述a～d步骤4-6次；
步骤四，使用专用机加设备进行机械加工；其包含以下程序；
(a)将坯料在普通车床上进行粗加工，上、下表面均匀加工；
(b)在数控车床上采用专用刀具进行精加工，保证坯料表面粗糙度；
步骤五，使用模锻液压机进行等温锻模锻，包含以下程序：
(a)模具预热至100～350℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至350～450℃；
(b)喷涂专用石墨水剂：将坯料置于电炉中预热150～250℃，保温90-120分钟后均匀喷涂润滑剂，喷涂厚度0.4～0.6mm，保证坯料表面喷涂后石墨厚度均匀；
(c)将坯料使用电炉进行加热，加热温度420～480℃，保温时间按1.5～2.5min/mm计算；
(d)锻造前对模具型腔喷涂专用石墨水剂，保证模具型腔喷涂后石墨厚度均匀；
(e)将坯料置于模具中进行等温锻造，压制速度0.2～2mm/s；
(f)空冷；
重复上述a～f步骤2-3次；
步骤六，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：铝基复合材料2A12/SiC/10p；锻件外廓尺寸：Φ1800×280mm；锻件投影面积2.5m2；锻件重量：630Kg。
步骤一，设计锻件图；
首先，分析零件图：零件外廓尺寸为Φ1750×270mm，投影面积为1.6m2,内弧半径R580mm，外弧半径R600mm。根据上述零件特征，确定锻件余量为水平方向单边5～10mm，高度方向单边5mm，拔模斜度内5°、外3°，凸圆角R10，凹圆角R50。按上述确定的原则完成锻件设计；
步骤二，设计模锻用荒坯图和等温锻镦饼、模锻模具图，并进行模具制造；
根据原始坯料的高径比，合理分配镦饼过程每火次的变形量为30％～60％。根据锻件数模，按照模锻时变形量为20％～50％，以及自由锻各截面面积与相对应处锻件截面面积之比为1.2的原则设计出荒坯图。考虑到模锻前锻饼为等厚饼坯，设计出镦饼用方形平板模。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，锻件材料为铝基复合材料，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100.8％，同时考虑模具与模座的装卡，设计出方形终锻模具；
根据模具图进行模具的加工制造；
步骤三，使用模锻液压机进行等温锻镦饼；
主要工艺流程为：镦饼模具预热至300℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至430℃；坯料在电炉中进行加热，加热温度440℃，保温时间按600min；坯料出炉后置于上、下平板模之间进行等温锻镦饼，得到符合工艺要求的饼坯；坯料冷却方式为空冷。等温锻镦饼过程进行了6次。
步骤四，使用专用机加设备进行机械加工；
主要工艺流程为：将坯料在普通车床上进行粗加工，上、下表面均匀加工，在数控车床上采用专用刀具进行精加工，保证坯料表面粗糙度Ra3.2μm；
步骤五，使用模锻液压机进行等温锻模锻；
主要工艺流程为：将模锻模具预热至300℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至430℃；喷涂专用石墨水剂：将坯料置于电炉中预热至150～250℃，保温120～150min后均匀喷涂润滑剂，喷涂厚度0.4～0.6mm，保证坯料表面喷涂后石墨厚度均匀；将坯料使用电炉进行加热，加热温度440℃，保温时间按2min/mm计算；模具用专用石墨水剂进行润滑。将坯料置于模具中进行锻造，压制速度0.5～1.5mm/s；坯料冷却方式为空冷，冷却后切除多余毛边并进行表面清理。等温锻模锻过程进行了3次；
步骤六，对锻件进行热处理；
主要工艺流程为：锻件在500℃加热保温300min后出炉淬火；在120℃保温240min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。
案例二：参照图2，锻件材料：2A12/SiC/10p；锻件外廓尺寸：Φ980×120mm；锻件投影面积0.8m2；锻件重量：120Kg。
步骤一，设计锻件图；
分析零件图：零件外廓尺寸为Φ960×110mm，投影面积为0.75m2,最大外廓直径Φ960mm，内径Φ620mm。截面落差20mm，根据上述零件特征，确定锻件余量为水平方向单边5～10mm，高度方向单边5mm，拔模斜度内5°、外3°，凸圆角R8，凹圆角R20；按上述确定的原则完成锻件设计；
步骤二，设计模锻用荒坯图和等温锻镦饼、模锻模具图，并进行模具制造；
根据原始坯料的高径比，合理分配镦饼过程每火次的变形量为30％～60％。根据锻件数模，按照模锻时变形量为20％～50％，以及自由锻各截面面积与相对应处锻件截面面积之比为1.2的原则设计出荒坯图。考虑到模锻前锻饼为等厚饼坯，设计出镦饼用圆形平板模。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，锻件材料为铝基复合材料，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，设计出圆形终锻模具；
根据模具图进行模具的加工制造；
步骤三，使用模锻液压机进行等温锻镦饼；
主要工艺流程为：镦饼模具预热至300℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至430℃；坯料在电炉中进行加热，加热温度440℃，保温时间按480min；坯料出炉后置于上、下平板模之间进行等温锻镦饼，得到符合工艺要求的饼坯；坯料冷却方式为空冷；等温锻镦饼过程进行了4次；
步骤四，使用专用机加设备进行机械加工；
主要工艺流程为：将坯料在普通车床上进行粗加工，上、下表面均匀加工，在数控车床上采用专用刀具进行精加工，保证坯料表面粗糙度Ra3.2μm；
步骤五，使用模锻液压机进行等温锻模锻；
主要工艺要求为：将模锻模具预热至300℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至430℃；喷涂专用石墨水剂：将坯料置于电炉中预热至150～250℃，保温80～120min后均匀喷涂润滑剂，喷涂厚度0.4～0.6mm，保证坯料表面喷涂后石墨厚度均匀；将坯料使用电炉进行加热，加热温度440℃，保温时间按2min/mm计算；模具用专用石墨水剂进行润滑。将坯料置于模具中进行等温锻造，压制速度0.4～1mm/s；坯料冷却方式为空冷，冷却后切除多余毛边并进行表面清理；等温锻模锻过程进行了2次；
步骤六，对锻件进行热处理：
主要工艺流程为：锻件在500℃加热保温240min后出炉淬火；在120℃保温240min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超大型铝基复合材料环件等温锻造的生产。本方法生产出的锻件尺寸、表面质量符合图纸要求，组织均匀，综合力学性能匹配良好。
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)

1.一种超大型铝基复合材料环件的等温锻造方法，具体包含以下步骤：
步骤一，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；
步骤二，设计模锻用荒坯图、等温锻镦饼和模锻模具图，并进行模具制造；
荒坯图以镦饼过程每火次的变形量30％～60％，模锻时变形量20％～50％，以及自由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；
等温锻镦饼用平板模设计；
根据荒坯尺寸，考虑模具与模座的装卡，设计出镦饼用平板模具，上、下模表面粗糙度按Ra1.6μm控制；
根据模具图进行模具的加工制造，并严格控制上、下模的表面粗糙度；
步骤三，使用模锻液压机进行等温锻镦饼；
其包括以下程序：
(a)模具预热至100～350℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至350～450℃；
(b)坯料在电炉中进行加热，加热温度420～480℃，保温时间按1.5～2.5min/mm计算；并对坯料进行包套，防止坯料降温；
(c)坯料出炉后置于上、下平板模之间进行等温锻镦饼，并控制每火次的压下量和压制速度，得到符合工艺要求的坯料；
(d)空冷；
重复上述a～d步骤4-6次；
步骤四，使用专用机加设备进行机械加工；
其包含以下程序:
(a)将坯料在普通车床上进行粗加工，上、下表面均匀加工；
(b)在数控车床上采用专用刀具进行精加工，保证坯料表面粗糙度；
步骤五，使用模锻液压机进行等温锻模锻；
其包含以下程序：
(a)模具预热至100～350℃后安装到模锻设备上，安装热模锻电加热装置继续进行预热至350～450℃；
(b)喷涂专用石墨水剂：将坯料置于电炉中预热至150～250℃，保温90～120min后均匀喷涂润滑剂，喷涂厚度0.4～0.6mm，保证坯料表面喷涂后石墨厚度均匀；
(c)将坯料使用电炉进行加热，加热温度420～480℃，保温时间按1.5～2.5min/mm计算；
(d)锻造前对模具型腔喷涂专用石墨水剂，保证模具型腔喷涂后石墨厚度均匀；
(e)将坯料置于模具中进行等温锻造，压制速度0.2～2mm/s；
(f)空冷；
重复上述a～f步骤2-3次；
步骤六，对锻件进行热处理。
2.根据权利要求1所述的超大型铝基复合材料环件的等温锻造方法，其特征在于，所述步骤四中，坯料需用专用机加设备进行机械加工，保证坯料表面粗糙度Ra3.2～Ra1.6μm。
3.根据权利要求1所述的超大型铝基复合材料环件的等温锻造方法，其特征在于，所述步骤六的热处理工艺为：锻件在500℃加热保温300min后出炉淬火；在120℃保温240min后出炉空冷。
4.根据权利要求1所述的超大型铝基复合材料环件的等温锻造方法，其特征在于：所述步骤六的热处理工艺为：锻件在500℃加热保温240min后淬火；在120℃保温240min后出炉空冷。
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