CN108580778A - 一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法，包括预锻方法和终锻方法。预锻方法中采用的预锻模具包括预锻上凸模和预锻下凹模，所述预锻下凹模的深度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模的深度相同，所述预锻下凹模的底面为由下向上缩径的凸台结构，所述预锻上凸模的下表面开设圆形凹槽，所述圆形凹槽底面边缘开设环形凹槽，所述预锻上凸模模膛外侧开设环形凹坑，环形凹坑和环形凹槽的底表面均为弧状，所述预锻上凸模的外壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的上凸模的外壁的倾斜角度相同，所述预锻下凹模内壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模内壁的倾斜角度相同。

Description

一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金飞机轮毂件的锻造工艺，特别涉及一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法。

背景技术

机轮轮毂作为飞机的主要承力部件，长期工作在高强度、高负荷的环境下，容易出现疲劳裂纹等缺陷，其质量对飞机安全起着重要作用，所以对其力学和组织性能要求较高。为了实现飞机结构件的轻量化，目前多采用强度高、质量轻的铝合金作为飞机轮毂结构件的材料。飞机轮毂是薄壁深腔锻件，结构较复杂，一次成形难度大，容易产生折叠、穿流、裂纹等缺陷。在终锻工序前增加一道预锻工序能使金属体积预先合理分配，从而降低终锻时金属的流动量，提高锻件质量并延长终锻模具寿命。

预成形设计是锻造工艺设计的重要内容之一，预锻件与终锻件形状的关联性直接影响金属的变形过程，进而影响成形件的最终形状和成形质量。如何设计合理的预锻件形状是生产合格终锻件的关键，也是模具结构设计的难点之一。

《起落架轮毂等温模锻工艺》(洪慎章、曾振鹏，航空制造技术，2002(2):59-61)公开了一次锻造成形方式，通过数值模拟的等温模锻与理论计算的普通模锻进行比较分析，介绍了等温模锻工艺的优点，并利用该工艺实现了复杂薄壁构件的少、无切削加工和精密成形。但为了使锻件结构简单和便于加工，对锻件结构进行了较大的简化和成比例缩小，与锻件实际尺寸具有较大悬殊，且一次锻造成形中部分金属变形量较大，金属流线分布及变形均匀性有待进一步提高。

硕士论文《某飞机轮毂挤压成形及热处理工艺研究》(于洋，中北大学，2014)选用7A04铝合金对飞机轮毂进行等温挤压成形工艺的研究，通过“下料—镦粗—冲孔制坯—反挤压—翻边—机械加工—热处理”等工艺，获得了成形质量良好的飞机轮毂终锻件。由于采用冲孔的方式获得环状预制坯，降低了材料利用率。由于采用一次挤压成形，其材料变形均匀性相对较差。且工艺流程相对复杂，生产效率较低。

博士论文《7085高强铝合金锻造成形和组织性能研究》(陈送义，中南大学，2013)建立了7085铝合金轮毂等温低速模锻成形有限元模型，研究了模具形状、预成形坯形状和等温锻造参数对轮毂成形的等效应变和载荷的影响规律，优化了铝合金轮毂预成形坯和等温锻造参数。但所研究的预成形坯形状只是下料圆柱坯的形状，未涉及中间预锻件形状的选择和预锻工序设计，也没有涉及非完全旋转对称件的完整锻造工艺研究。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种薄壁深腔飞机轮毂预锻件的预锻模具，采用该预锻模具锻造的预锻件在锻造薄壁深腔飞机轮毂过程中能够防止折叠现象的产生。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种薄壁深腔飞机轮毂预锻件的预锻模具，包括预锻上凸模和预锻下凹模，所述预锻下凹模的深度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模的深度相同，所述预锻下凹模的底面为由下向上缩径的凸台结构，所述预锻上凸模的下表面开设圆形凹槽，所述圆形凹槽底面边缘开设环形凹槽，所述预锻上凸模模膛外侧开设环形凹坑，环形凹坑和环形凹槽的底表面均为弧状，所述预锻上凸模的外壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的上凸模的外壁的倾斜角度相同，所述预锻下凹模内壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模内壁的倾斜角度相同。

本发明提供的预锻模具能够预锻出与终锻件相似的预锻件。首先，在下凹模下表面设置的结构能够预锻出类似轮轴的结构，在终锻过程起到定向的作用。其次，环形凹坑主要针对薄壁深腔飞机轮毂外腔壁边缘的法兰结构，起到聚料和局部镦粗作用，迫使预锻件在此处的体积分布更合理，从而防止终锻过程法兰结构部位出现折叠现象。第三，预锻模具的上凸模外壁和下凹模内壁倾斜角度与终锻模具的相同，能够防止终锻过程刮皮和折叠现象的产生，同时方便预锻件在终锻模膛中的定位。

本发明的目的之二是提供一种薄壁深腔飞机轮毂预锻件的预锻方法，采用上述预锻模具进行锻造，锻造形成的预锻件中，法兰部位的体积为预锻件总体积的20±2％，轮辐部位和轮轴部位的总体积与终锻件轮辐部位和轮轴部位的总体积相等，预锻模具与锻件之间的温差为0～100℃。能够防止终锻时法兰部位的折叠，及轮辐部位和轮轴部位的金属外流产生的折叠。

本发明的目的之三是提供一种上述预锻方法锻造的预锻件。

本发明的目的之四是提供一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法，包括上述预锻方法和终锻方法。

本发明的有益效果为：

1、本发明锻造的预锻件的体积分布与终锻件的体积分布吻合良好，且接近终锻件形状，从而使终锻时金属就近填充型腔，避免了金属的长距离流动，可有效防止折叠和穿流缺陷，锻造流线分布合理，锻件变形均匀性良好。由于预锻件已获得了合理的体积分布，终锻过程中的材料利用率较高。

2、预锻件外壁的倾斜角度与终锻模膛内侧壁面斜度相同，有利于预锻件在终锻模膛中的定位。由于终锻件带有自然斜度，无需重新设置模锻斜度便可脱模。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为2014-T6铝合金飞机轮毂锻件的三维造型图；

图2为2014-T6铝合金飞机轮毂锻件的二维剖面图；

图3为预锻模具的结构示意图；

图4为终锻模具的结构示意图；

图5为2014-T6铝合金飞机轮毂锻件的锻造工艺流程示意图；

其中：1.轮缘，2.轮毂，3.轮轴，4.轮辐，5.预锻上凸模，6.预锻下凹模，7.环形凹槽，8.环形凹坑，9.下模板，10.导柱，11.隔热板，12.垫板，13.下凹模，14.芯模，15.导套，16.凸模固定板，17.上模板，18.隔热板，19.垫板，20.上凸模，21.预锻件，22.顶杆，23.终锻件，24.螺钉，25.加热线圈，26.凹模固定板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在薄壁深腔飞机轮毂子啊锻造时存在金属长距离流动导致折叠、穿流等现象的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法。

本申请的一种典型实施方式，提供了一种薄壁深腔飞机轮毂预锻件的预锻模具，包括预锻上凸模和预锻下凹模，所述预锻下凹模的深度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模的深度相同，所述预锻下凹模的底面为由下向上缩径的凸台结构，所述预锻上凸模的下表面开设圆形凹槽，所述圆形凹槽底面边缘开设环形凹槽，所述预锻上凸模模膛外侧开设环形凹坑，环形凹坑和环形凹槽的底表面均为弧状，所述预锻上凸模的外壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的上凸模的外壁的倾斜角度相同，所述预锻下凹模内壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模内壁的倾斜角度相同。

本申请提供的预锻模具能够预锻出与终锻件相似的预锻件。首先，在下凹模下表面设置的结构能够预锻出类似轮轴的结构，在终锻过程起到定向的作用。其次，环形凹坑主要针对薄壁深腔飞机轮毂外腔壁边缘的法兰结构，起到聚料和局部镦粗作用，迫使预锻件在此处的体积分布更合理，从而防止终锻过程法兰结构部位出现折叠现象。第三，预锻模具的上凸模外壁和下凹模内壁倾斜角度与终锻模具的相同，能够防止终锻过程刮皮和折叠现象的产生，同时方便预锻件在终锻模膛中的定位。

优选的，所述预锻模具内设有加热装置和测温装置。加热采用电阻丝或感应线圈加热，通过将热电偶插入模具深孔内进行实时测温。可以有效控制预锻过程中的模膛和坯料温度，实现等温锻造，有利于提高终锻件质量和锻造效率。

本申请的另一种实施方式，提供了一种薄壁深腔飞机轮毂预锻件的预锻方法，采用上述预锻模具进行锻造，锻造形成的预锻件中，法兰部位的体积为预锻件总体积的20±2％，轮辐部位和轮轴部位的总体积与终锻件轮辐部位和轮轴部位的总体积相等，预锻模具与锻件之间的温差为0～100℃。能够防止终锻时法兰部位的折叠，及轮辐部位和轮轴部位的金属外流产生的折叠。

优选的，所述锻造为等温锻造。采用等温锻造的效果更好。

优选的，预锻模具的预锻上凸模的下压量为薄壁深腔飞机轮毂高度的40～45％。

优选的，预锻模具的预锻上凸模的下压速度为1～10mm/s。进一步优选为5mm/s。

优选的，坯料的始锻温度为400～450℃。

优选的，坯料为圆柱结构，高径比为0.2～0.3。

本申请的第三种实施方式，提供了一种上述预锻方法锻造的预锻件。

本申请的第四种实施方式，提供了一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法，包括上述预锻方法和终锻方法。

优选的，终锻方法采用的锻造为等温锻造。

优选的，采用终锻方法进行终锻时，终锻模具的上凸模的下压量为薄壁深腔飞机轮毂高度的18～20％。

优选的，采用终锻方法进行终锻时，终锻模具的上凸模的下压速度不超过5mm/s。进一步优选为不超过1mm/s。

优选的，采用终锻方法进行终锻时，预锻件的始锻温度为400～450℃。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

以2014-T6铝合金飞机轮毂为例

2014-T6铝合金飞机轮毂结构件形状较复杂，如图1～2所示，分为轮缘1、轮毂2、轮轴3和轮辐4四个主要部位，外围直径约为622mm，高度约为319mm，以轮毂2和轮轴3为界线分为内腔和外腔，内外腔的壁厚约为25mm，属于典型的薄壁深腔回转构件。轮毂中间有通孔，边缘处有法兰(凸缘)，深腔底部有九个小的倾斜通孔，相对应的顶部有九个凸耳。锻件图中在通孔处均设置了连皮以容纳多余金属和保护模具。锻件内外壁具有天然的拔模斜度，有利于终锻件的取出。

成形过程中,锻造打击方向与锻件的主轴线平行，金属沿高度方向镦粗压缩变形，沿径向扩展流动变形。从形状上看，底部的内孔和轮缘部位的凸起成形较复杂。若采用一次锻造成形，由原始棒料成形为如此复杂截面的锻件，金属大量外流成形，导致金属变形量大，流动阻力大，成形过程中极易产生折叠、局部模具型腔充不满和变形剧烈的穿筋现象。而且，一次锻造成形时机轮轮缘部分局部区域体积较大，容易导致等效应变分布均匀性变差。因此，需要在终锻之前增设预锻工序，如何通过预锻获得体积分布合理的预锻件显得尤为重要。

预锻的作用主要包括以下三个方面：一是可以减少终锻模具的损耗，保护模具，延长其使用寿命；二是通过预锻可获得体积分配合理的预锻件，更好地使金属充满模膛；三是可以有效地减少金属回流、折叠等缺陷，提高产品质量。

飞机轮毂模锻件的预锻成形是整个锻造过程的关键，其基本要求是保证预锻件各部分的体积分布与终锻件相匹配。预锻件形状的设计原则为：获得体积分布合理且接近终锻件形状的预锻件。

针对上述问题，本申请通过分析终锻件截面不同位置处的材料体积，获得终锻件的体积分布情况，使预锻件形状与终锻件形状相匹配，同时又考虑到预锻件在终锻模膛中的定位，应使预锻件底部形状与终锻模膛凹模模腔形状相同或相近。

借助于DEFORM数值模拟软件确定预锻件的最佳形状，具体方法是：分别对不同预锻件形状进行终锻成形的模拟，观察其材料流动和金属填充情况，并结合后处理中等效应变、流动速度、温度分布以及行程载荷等参数变化，判断和确定最佳的预锻件形状。根据该方法确定预锻件形状，可使预锻件各部分的体积分布合理且与终锻件各部分的体积分布相一致，从而使预锻件各部位的材料能够就近充满终锻模膛的各个型腔，材料流动距离减少，而且能够确保终锻件尤其是轮毂内外壁充填饱满，无穿流和折叠缺陷。

初始坯料尺寸的确定原则应有利于其在预锻模膛中的定位，若初始坯料直径过小，根据体积不变原则，则坯料高度较大，导致在预锻过程中大量金属沿径向扩展流动成形，增大了金属变形量，降低了材料的变形均匀性，且容易产生折叠和穿流等缺陷，同时增大了凸模压下量，降低了锻造效率。若初始坯料直径过大，则在预锻过程中定位困难，极易产生失稳折叠等缺陷。综上所述，初始棒料直径以小于预锻凹模底部凸台平面所对应的凹模内部直径1～2mm为宜。

由于飞机轮毂外缘法兰处直径较大，所占金属体积较多，金属填充该处时流动距离较远，从而导致流线分布不合理。为了避免终锻过程中金属材料的大距离流动，预锻时可使预锻件轮缘处体积尽量增多，以接近终锻件法兰部位体积为最佳，通过预锻聚料为终锻时材料近距离填充型腔做准备。

针对预锻件内侧轮轴结构，若在预锻过程中形成完整的锻件内壁结构，则在终锻时金属只能从锻件内部向边缘流出且流动路径长，易导致金属穿流和折叠等缺陷。所以，预锻时应减小内壁型腔结构的深度和宽度，形成相对较小且平缓的凸起，通过该处的聚料和导流作用为预锻件中间金属在终锻时留出足够的流动空间，减小和避免内部金属的大面积流出。此时，金属可就近填充终锻型腔，且终锻件内外壁型腔几乎同时充满，既有利于提高锻件整体质量，又能够减小金属流动阻力，降低凸模载荷，保护模具。

由于锻件边缘法兰为最后充填完成的地方，所以将飞边槽设置在法兰处，使飞边初步产生时终锻成形正好完成。飞边槽桥部能够阻碍金属流动，促进模膛型腔的充填。飞边槽仓部能够容纳多余金属，避免产生过多的毛刺。飞边还能够起到缓冲的作用，保护模具。

具体方法如下：

采用的预锻模具如图3所示，包括预锻上凸模5和预锻下凹模6，预锻下凹模6的深度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模的深度相同，预锻下凹模6的底面为由下向上缩径的凸台结构，预锻上凸模的下表面开设圆形凹槽，圆形凹槽底面边缘开设环形凹槽7，预锻上凸模5模膛外侧开设环形凹坑8，环形凹坑8和环形凹槽7的底表面均为弧状，预锻上凸模5的外壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的上凸模的外壁的倾斜角度相同，预锻下凹模6内壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模内壁的倾斜角度相同。

采用的终锻模具如图4所示，主要包括下模板9、导柱10、隔热板11、垫板12、下凹模13、芯模14、导套15、凸模固定板16、上模板17、隔热板18、垫板19、上凸模20、预锻件21、顶杆22、终锻件23、螺钉24、加热线圈25、凹模固定板26。其中，凸模固定板16和上模板17、凹模固定板26和下模板8均采用长螺钉进行连接固定。上模板17通过模柄与热模锻压机的滑块相连，上凸模20通过凸模固定板16固定在上模座上，凸模固定板16和上模板17之间夹有垫板19和隔热板18，以保护模具。

终锻模具工作原理为：首先，将终锻模具通过加热线圈25加热到终锻所需温度，将在终端温度下保温一定时间的预锻件21置于终锻模具型腔内，由于预锻件外轮廓斜度与终锻凹模内部斜度相同，所以定位较方便。滑块向下移动时，通过模柄和上模板9带动凸模12向下移动。随着凸模20的下压，推动预锻件向下移动。预锻件在凸模20、下凹模13和芯模14的作用下成形为所需的锻件形状，锻造结束后需要保压一定时间。回程时，上凸模20上移，并通过顶杆22和芯模14将终锻件顶出，取件方便。另外，终锻件边缘设有飞边，终锻件的棱边处设置圆弧过渡，均起到减小锻造载荷和保护模具的作用。

锻造过程如图5所示，等温锻造过程为：

步骤(1)：采用直径为507mm的原始棒料，通过锯切下料，获得所需长度的坯料。初始坯料的尺寸规格为Φ507mm×120.42mm，坯料高径比为0.238，坯料体积为24311.588cm³。

步骤(2)：将原始坯料和预锻模具加热至始锻温度450℃，并保温60min。将加热后的坯料放入预锻下凹模内，控制锻造速度为5mm/s和上凸模压下量为140mm，进行预锻制坯。

步骤(3)：将预锻件放入终锻模膛中，进行终锻成形，由于预锻件的外侧倾斜角度与终锻凹模内壁倾斜角度相同，所以，终锻时预锻件能够很好地与终锻模膛贴合，实现准确定位。终锻成形设备选择1.25万吨热模锻压机，经锻造成形获得飞机轮毂终锻件。终锻速度1mm/s，终锻温度为450℃，上凸模压下量为59mm。

步骤(4)：终锻结束后，利用顶杆14和芯模6将终锻件顶出，然后进行相应的锻后处理工艺。

非等温锻造过程为：

步骤(1)：采用直径为507mm的原始棒料，通过锯切下料，获得所需长度的坯料。初始坯料的尺寸规格为Φ507mm×120.42mm，坯料高径比为0.238，坯料体积为24311.588cm³。

步骤(2)：将原始坯料加热至450℃，预锻模具加热至400℃，并保温60min。将加热后的坯料放入预锻下凹模内，控制锻造速度为5mm/s和上凸模压下量为140mm，进行预锻制坯。

步骤(3)：将预锻件放入终锻模膛中，预锻件加热至450℃，终锻模具加热至400℃，进行终锻成形，由于预锻件的外侧倾斜角度与终锻凹模内壁倾斜角度相同，所以，终锻时预锻件能够很好地与终锻模膛贴合，实现准确定位。终锻成形设备选择1.25万吨热模锻压机，经锻造成形获得飞机轮毂终锻件。终锻速度1mm/s，上凸模压下量为58mm。

步骤(4)：终锻结束后，利用顶杆14和芯模6将终锻件顶出，然后进行相应的锻后处理工艺。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄壁深腔飞机轮毂预锻件的预锻模具，其特征是，包括预锻上凸模和预锻下凹模，所述预锻下凹模的深度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模的深度相同，所述预锻下凹模的底面为由下向上缩径的凸台结构，所述预锻上凸模的下表面开设圆形凹槽，所述圆形凹槽底面边缘开设环形凹槽，所述预锻上凸模模膛外侧开设环形凹坑，环形凹坑和环形凹槽的底表面均为弧状，所述预锻上凸模的外壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的上凸模的外壁的倾斜角度相同，所述预锻下凹模内壁的倾斜角度与薄壁深腔飞机轮毂终锻模具的下凹模内壁的倾斜角度相同。

2.如权利要求1所述的预锻模具，其特征是，所述预锻模具内设有加热装置和测温装置。

3.一种薄壁深腔飞机轮毂预锻件的预锻方法，其特征是，采用上述预锻模具进行锻造，锻造形成的预锻件中，法兰部位的体积为预锻件总体积的20±2％，轮辐部位和轮轴部位的总体积与终锻件轮辐部位和轮轴部位的总体积相等，预锻模具与锻件之间的温差为0～100℃。

4.如权利要求3所述的预锻方法，其特征是，所述锻造为等温锻造。

5.如权利要求3所述的预锻方法，其特征是，预锻模具的预锻上凸模的下压量为薄壁深腔飞机轮毂高度的40～45％；

或，预锻模具的预锻上凸模的下压速度为1～10mm/s。

6.如权利要求3所述的预锻方法，其特征是，坯料的始锻温度为400～450℃。

7.一种权利要求3～6任一所述的预锻方法锻造的预锻件。

8.一种薄壁深腔飞机轮毂模锻件的锻造方法，其特征是，包括权利要求3～6任一所述的预锻方法和终锻方法。

9.如权利要求8所述的锻造方法，其特征是，终锻方法采用的锻造为等温锻造。

10.如权利要求8所述的锻造方法，其特征是，采用终锻方法进行终锻时，终锻模具的上凸模的下压量为薄壁深腔飞机轮毂高度的18～20％；

或，采用终锻方法进行终锻时，终锻模具的上凸模的下压速度不超过5mm/s。