CN109093048B - 一种大型机闸类锻件模具及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型机闸类锻件模具及锻造方法，包括一种大型机闸类锻件模具，包括预锻模具及终锻模具，预锻模具包括相互匹配的预锻上模和下模，当所述预锻上模与所述下模闭合后，所述预锻上模型腔和所述下模型腔相结合后的形状与预成型锻件的外形相同；终锻模具包括相互匹配的预锻上模、垫板及下模，将垫板用螺栓固定于预锻上模组合成终锻上模，当所述终锻上模与所述下模闭合后，所述下模型腔与锻件的外形相同。本发明还提供了一种利用上述模具进行锻造的方法，采用预锻+终锻整体成型，大幅度的满足了发动机对于减重的要求，能够有效提高材料的利用率、保持锻件的金属流线的完整性以及提升锻件的组织力学性能。

Description

一种大型机闸类锻件模具及锻造方法

技术领域

本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种大型机闸类锻件模具及锻造方法。

背景技术

大型薄壁机匣类锻件属于发动机关键零部件，随着国产发动机的推重比逐渐增大，对于大型薄壁机匣类锻件的需求越来越大，现有技术中，大型薄壁机匣类锻件均采用环轧加焊接的方式成型，然而，这种方案在使用过程中存在以下问题：a.焊接方式加大了零部件的重量，影响了飞机对于零部件减重的要求；b.采用焊接方案影响了机匣的强度及使用寿命；c.焊接后的锻件残余应力较大，在后期容易发生变形，影响后期的零部件使用；d.环轧加焊接的方案原材料利用率较低，锻件制备周期长。现阶段已难以满足国产发动机对于大型薄壁机匣类锻件日益增长的使用需求。

因此，需要不断改进大型薄壁机匣类模锻件的制造方法，以满足日益增长的使用需求。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种锻造模具，以替代现有技术中大型薄壁机匣类锻件采用分段环轧加焊接的传统制造工艺，同时提高锻件的材料利用率，减轻零部件的结构重量，简化锻件制备的工艺流程，提高零部件的强度及使用寿命。

具体的方案如下：

一种大型机闸类锻件模具，包括预锻模具及终造模具，

预锻模具包括相互匹配的预锻上模和下模，所述下模具有向下凹陷于下模顶面的下模型腔，预锻上模具有向上凹陷于预锻上模底面的预锻上模型腔以及向下突出于所述上模底面的凸台，所述凸台设于所述上模底面的中心位置处，所述下模型腔接近于瓦片状，当所述预锻上模与所述下模闭合后，所述预锻上模型腔和所述下模型腔相结合后的形状与预成型锻件的外形相同；

终锻模具包括相互匹配的预锻上模、垫板及下模，将垫板用螺栓固定于预锻上模组合成终锻上模，当所述终锻上模与所述下模闭合后，所述下模型腔与锻件的外形相同。

所述下模设有顶杆，所述顶杆用于将锻造成型的锻件从所述下模中顶出。

还包括当所述预锻、终锻上模与所述下模闭合后，所述预锻、终锻上模的底面与所述下模的顶面相接触形成分模面。

所述下模设计了销钉孔，在预锻时，将定位销安装于销钉孔上，以便于快速定位进行压制。

下模上端部的凸圆角R1为R20mm～R50mm。

本发明的第二目的在于提供一种基于所述锻造模具的锻造方法，具体的方案如下：一种锻造方法，基于上述所述的大型机闸类锻件模具，包括如下步骤：

S1、将坯料进行镦粗整形处理，制备板坯；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将坯料放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的坯料快速移出电阻炉，在快锻机上对该坯料进行镦粗整形，最后将该坯料处理成板坯；

S2、将板坯进行全表面加工处理，制备加工后的板坯；

该步骤中，对该板坯进行全表面加工处理，包括板坯的上下面和侧面，以使板坯尺寸能够满足模锻要求，控制荒坯的厚度尺寸公差±1mm，长度、宽度尺寸公差±5mm，同时需从加工后的板坯的上下面方向进行探伤；

S3、将加工后的板坯置于预锻模具中进行预锻，制造预成型锻件；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将加工后的板坯放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的板坯快速移出电阻炉后置于预热后的上述预锻模具中，此外，加工后的板坯放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，预锻模具采用水基石墨润滑；

S4、将预成型锻件置于终锻模具中进行终锻，制造锻件；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将预成型锻件放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的预成型锻件快速移出电阻炉后置于预热后的上述终锻模具中，此外，加工后的预成型锻件放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，终锻模具采用水基石墨润滑；

S5、将终锻压制完的锻件进行保压处理，消除残余应力；

该步骤中，将S4压制完成的锻件进行保压处理，消除锻件压制过程中大变形引起的残余应力，减小后续零件变形；

S6、通过顶杆将锻件从锻造模具中顶出；

该步骤中，整个锻造过程完成后，开启顶杆，将锻件从下模型腔中顶出。

本发明的锻造模具采用预锻+终锻整体成型，大幅度的满足了发动机对于减重的要求，能够有效提高材料的利用率、保持锻件的金属流线的完整性以及提升锻件的组织力学性能，有效缩短了锻件的制造周期。同时采取终锻保压消除残余应力的方案，减小了后续零件的机加变形。采用本锻造模具的锻造方法，提高了零件的合格率。

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为现有技术中的传统环轧方式加工出锻件本体1及锻件本体2，随后将安装边与锻件本体1、2一起焊接成型的锻件的三维示意图；

图2为本发明实施例提供的锻造模具的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件的三维示意图；

图4为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件半圆上端部的显微组织放大图；

图5为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件半圆下端部的显微组织放大图；

图中：1、预锻上模，2、下模，3、下模型腔，4、预锻上模型腔，5、垫板，6、螺栓，7、销钉孔，8、定位销，9、顶杆。

h.预锻上模型腔深度，d.预锻上模根部拔模斜度，R1.下模凸圆角。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1，图1中所示的锻件本体1、2是通过现有技术环轧生产的，安装边通过自由锻方式成型，随后将三项锻件统一按图示焊接成整体，由于环轧件以及焊接后存在内应力，该种方法生产的锻件在后续加工过程中易变形，增加了零件的结构重量，同时各区域性能组织差异性较大，造成整个锻件加工周期长，制造成本高。

参照图2、图3及图4，本发明实施例提供一种锻造模具，一般用于大型薄壁类机匣锻件的生产，包括预锻模具及终锻模具，预锻模具包括相互匹配的预锻上模1、下模2、定位销8及顶杆9，其中下模2具有向下凹陷于下模顶面的下模型腔3，预锻上模1具有向上凹陷于预锻上模底面的预锻上模型腔4以及向下突出于预锻上模底面的凸台10，凸台10设于预锻上模1底面的中心位置处；当预锻上模1与下模2闭合后，预锻上模型腔4和下模型腔3相结合后的形状即为预制坯完成后的锻件形状。终锻模具包括相互匹配的预锻上模1、垫板5、螺栓6、下模2及顶杆9，将垫板5用螺栓6固定于预锻上模1的预锻上模型腔上形成终锻上模，当所述终锻上模与所述下模2闭合后，所述下模型腔3与锻件的外形相同。

为使利用该锻造模具加工出的锻件充填饱满，流线更加流畅，本发明实施例中提供的锻造模具对此做了进一步改进。在进行模具设计时，考虑到一火锻造对于锻件顶部充填不饱满，该方案采用了预锻+终锻的工艺思路，预锻时，考虑到机匣类锻件荒坯截面大、厚度尺寸小，锻件温降厉害，为缩短摆料时间，在下模2设计了销钉孔7，在预锻时，将定位销8安装于销钉孔7上，以便于快速定位进行压制，提高始锻温度，减小变形抗力，在设置预锻上模型腔的根部拔模斜度d1时虑到减小上模型腔的根部拔模斜度d1可使金属在预锻上模1的凸台10挤压下，沿下模型腔3和预锻上模型腔4往上流动时受到的摩擦阻力降到最小，而且这样生产出的锻件有利于锻件终锻成型，再设计预锻上模型腔的侧壁拔模斜度不能大于3°，因此，预锻上模型腔的底部拔模斜度设为0～3°。

当预锻上模1与下模2闭合后，预锻上模1的底面与下模2的顶面相接处形成分模面，预锻上模型腔的深度h设为比该分模面高20～100mm。随着锻造过程的进行，由于预锻上模根部的拔模斜度较小，金属流动在接近凸台根部的直线段部分后，会直直的沿上模根部往上流动，但当金属越过该分模面后会在分模面形成的自由空间中向外翻成喇叭状。位于分模面上方的槽状的预锻上模型腔4的存在就是要保证随着锻造过程的进行，使金属进入此槽状预锻上模型腔4后受到限制，当预锻上模型腔的深度h比该分模面高20～100mm时可使金属恢复直筒状，从而保证锻件有良好的成型效果。

在设置下模2中上端部的凸圆角R1时，考虑到下模2上端部的凸圆角R1较小时，终锻成型时金属在下模型腔3中流动不通畅，锻造所需的压力会增大，金属表面也会出现撕裂等锻造缺陷；但是，考虑到下模2上端部的凸圆角R1较大时，会使该处锻件外侧的余量减小，内侧的余量过大，造成后期加工零件较为困难。因此，本发明实施例提供的锻造模具中，下模2上端部的凸圆角R1为R20mm～R50mm。

进一步地，本发明实施例还同时提供一种基于上述锻造模具的锻造方法，该锻造方法包括：

S1、将坯料进行镦粗整形处理，制备板坯；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将坯料放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的坯料快速移出电阻炉，在快锻机上对该坯料进行镦粗整形，最后将该坯料处理成板坯；

S2、将板坯进行全表面加工处理，制备加工后的板坯；

该步骤中，对该板坯进行全表面加工处理，包括板坯的上下面和侧面，以使板坯尺寸能够满足模锻要求，控制荒坯的厚度尺寸公差±1mm，长度、宽度尺寸公差±5mm，同时需从加工后的板坯的上下面方向进行探伤；

S3、将加工后的板坯置于预锻模具中进行预锻，制造预成型锻件；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将加工后的板坯放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的板坯快速移出电阻炉后置于预热后的上述预锻模具中，此外，加工后的板坯放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，预锻模具采用水基石墨润滑；

S4、将预成型锻件置于终锻模具中进行终锻，制造锻件；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将预成型锻件放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的预成型锻件快速移出电阻炉后置于预热后的上述终锻模具中，此外，加工后的预成型锻件放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，终锻模具采用水基石墨润滑；

S5、将终锻压制完的锻件进行保压处理，消除残余应力；

该步骤中，将S4压制完成的锻件进行保压处理，消除锻件压制过程中大变形引起的残余应力，减小后续零件变形；

S6、通过顶杆将锻件从锻造模具中顶出；

该步骤中，整个锻造过程完成后，开启顶杆9，将锻件从下模型腔3中顶出。

以下结合具体的实施例进行详细的描述。

实施例1

以制作TA15钛合金大型薄壁机匣类模锻件为例，先采用φ350mm的TA15钛合金棒料，按工艺截取1143mm的棒料，将按规格下料后的棒料进行镦粗整形，制备坯料。接着使用电阻炉预热，当炉温达到Tβ-35℃时将坯料放入电阻炉中加热，其中Tβ为处于该电热炉中时TA15钛合金的相变点。当炉温再次回升到Tβ-35℃时保温280分钟，然后将加热好的坯料快速移出电阻炉，在31.5MN快锻机上对该坯料进行3火次的镦粗整形，最后将该坯料处理成1750×1045×275mm的板坯。

对该板坯进行加工表面处理，包括板坯的上下面和侧面，以使板坯的各部位尺寸公差在设计要求范围内，同时需从加工后的板坯的上下面方向进行探伤，接着再次使用电阻炉预热，接着再次使用电阻炉预热，当炉温达到Tβ-35℃时将加工后的板坯放入电阻炉中加热，当炉温回升到Tβ-35℃时保温120分钟，然后将加热好的板坯快速移出电阻炉后置于预热后的预锻模具中，锻造模具预热温度为250～350℃。该预锻模具中包括相互匹配的预锻上模1、下模2、定位销8及顶杆9。在400MN模锻液压机上对该加工后的板坯进行预锻成型。此外，加工后的饼坯放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，锻造模具采用水基石墨润滑。

整个预锻过程完成后，对预制坯进行吹砂打磨清理，接着再次使用电阻炉预热，当炉温达到Tβ-35℃时将加工后的预制坯放入电阻炉中加热，当炉温回升到Tβ-35℃时保温120分钟，然后将加热好的预制坯快速移出电阻炉后置于预热后的终锻模具中，锻造模具预热温度为250～350℃。该终锻模具包括相互匹配的预锻上模1、垫板5、螺栓6、下模2及顶杆9，将垫板5用螺栓6固定于预锻上模1上形成终锻上模，在400MN模锻液压机上对该加工后的板坯进行终锻成型。此外，加工后的板坯放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，锻造模具采用水基石墨润滑。压制过程结束后，对锻件进行保压处理，保压处理是为了消除锻件的残余应力，一般设计在压力380MN下保压10s。

整个锻造、保压过程完成后，开启顶杆9，将锻件从下模型腔3中顶出。一般情况下，锻件还需要进一步进行热处理，一般为退火过程，退火过程具体为：加热炉升温到700℃±6℃时，将锻件放入炉中保温240分钟，然后出炉在空气中自然冷却。

参照图2，图2中所示的TA15钛合金大型薄壁机匣类模锻件为利用本发明实施例提供的锻造模具，并利用本发明实施例提供的锻造方法加工出的，图3为最终加工出的锻件外形。该锻件具有以下优点：a.采用整体模锻成型，大幅降低了零部件的结构重量，提高了机匣的强度及使用寿命；b.消除了焊接后的锻件残余应力，简化了后期零部件的加工周期，提高了产品合格率。C.提高了材料利用率，大幅缩减了零部件的加工周期以及制造成本。

参照图4、图5，图4、图5分别为图3中所示的锻件圆弧上端及圆弧底面的显微组织放大图，放大倍数为500倍。从图中可以看出，锻件各部位的组织均为β转变组织基体上分布有少量的等轴初生α相，初生α相的含量均在30％左右，为比较理想的显微组织，有较好的组织均匀性。

以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种大型机闸类锻件的锻造方法，其特征在于，采用大型机闸类锻件模具，所述大型机闸类锻件模具包括预锻模具及终锻模具，

预锻模具包括相互匹配的预锻上模和下模，所述下模具有向下凹陷于下模顶面的下模型腔，预锻上模具有向上凹陷于预锻上模底面的预锻上模型腔以及向下突出于所述上模底面的凸台，所述凸台设于所述上模底面的中心位置处，所述下模型腔接近于瓦片状，当所述预锻上模与所述下模闭合后，所述预锻上模型腔和所述下模型腔相结合后的形状与预成型锻件的外形相同；预锻上模的凸台在圆弧段上方与预锻上模型腔之间具有一段直线段；

终锻模具包括相互匹配的预锻上模、垫板及下模，将垫板用螺栓固定于预锻上模组合成终锻上模，当所述终锻上模与所述下模闭合后，所述下模型腔与锻件的外形相同；

所述预锻上模型腔跟部的拔模斜度为0°～3°；

所述下模设有顶杆，所述顶杆用于将锻造成型的锻件从所述下模中顶出；

所述下模设计了销钉孔，在预锻时，将定位销安装于销钉孔上，以便于快速定位进行压制；

下模上端部的凸圆角R1为R20mm～R50mm；

包括如下步骤：

S1、将坯料进行镦粗整形处理，制备板坯；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将坯料放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的坯料快速移出电阻炉，在快锻机上对该坯料进行镦粗整形，最后将该坯料处理成板坯；

S2、将板坯进行全表面加工处理，制备加工后的板坯；

该步骤中，对该板坯进行全表面加工处理，包括板坯的上下面和侧面，以使板坯尺寸能够满足模锻要求，控制荒坯的厚度尺寸公差±1mm，长度、宽度尺寸公差±5mm，同时需从加工后的板坯的上下面方向进行探伤；

S3、将加工后的板坯置于预锻模具中进行预锻，制造预成型锻件；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将加工后的板坯放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的板坯快速移出电阻炉后置于预热后的上述预锻模具中，此外，加工后的板坯放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，预锻模具采用水基石墨润滑；

S4、将预成型锻件置于终锻模具中进行终锻，制造锻件；

该步骤中，先使用电阻炉预热，当炉温达到预期温度时将预成型锻件放入电阻炉中加热，当炉温回升到预期温度时保温一段时间，然后将加热好的预成型锻件快速移出电阻炉后置于预热后的上述终锻模具中，此外，加工后的预成型锻件放入电阻炉前应喷涂防护润滑剂Ti6，终锻模具采用水基石墨润滑；

S5、将终锻压制完的锻件进行保压处理，消除残余应力；

该步骤中，将S4压制完成的锻件进行保压处理，消除锻件压制过程中大变形引起的残余应力，减小后续零件变形；

S6、通过顶杆将锻件从锻造模具中顶出；

该步骤中，整个锻造过程完成后，开启顶杆，将锻件从下模型腔中顶出。

2.根据权利要求1所述的大型机闸类锻件的锻造方法，其特征在于，还包括当所述预锻、终锻上模与所述下模闭合后，所述预锻、终锻上模的底面与所述下模的顶面相接触形成分模面。

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