CN109093049A - 一种锻造模具及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锻造模具及锻造方法，包括一种锻造模具，该锻造模具为H型锻造生产高温合金鼓筒轴锻造模具，包括相互匹配的上模和下模，所述上模具有向下凹陷于所述下模顶面的下模型腔，所述上模还具有向上凹陷于上模底面的上模型腔以及向下突出于上模底面的凸台，凸台设于上模底面的中心位置处，当所述上模与所述下模闭合后，所述上模型腔和所述下模型腔相结合后的形状与锻件的外形相同。本发明还公开了一种锻造方法，所述锻造方法包括：将棒料制备坯料；将所述坯料进行镦粗滚圆处理，制备饼坯；将所述饼坯进行加工外圆面处理，制备加工后的饼坯；将所述加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，制造锻件。

Description

一种锻造模具及锻造方法

技术领域

本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种锻造模具及锻造方法，尤其涉及的是一种大型高温合金鼓筒轴“H”型锻造(正挤压+反挤压)模锻件的制造方法。

背景技术

高温合金鼓筒轴属于发动机关键转动件，随着国产发动机的需求量与日俱增，对于高温合金鼓筒轴的需求越来越大，现有技术中，高温合金鼓筒轴的锻造通常采用自由锻方式或“U”型反挤压的设计方案，然而，采用自由锻方式生产的锻件，材料利用率低，热处理淬透性差，金属流线基本被切断，组织力学性能和均匀性得不到保证。采用“U”型反挤压适用于钛合金鼓筒锻件的生产，高温合金由于金属流动性差，采用该种锻造方法存在锻造火次多，锻件性能合格率低等问题，现阶段已难以满足国产发动机对于大型高温合金鼓筒轴锻件日益增长的使用需求。

因此，需要不断改进大型高温合金鼓筒轴模锻件的制造方法，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，以解决现有技术中高温合金鼓筒轴模锻件锻造过程中存在的锻造火次多、材料利用率低、组织力学性能差、工艺繁琐以及生产效率低等问题。

具体的方案如下：

一种锻造模具，该锻造模具为H型锻造生产高温合金鼓筒轴锻造模具，包括相互匹配的上模和下模，所述上模具有向下凹陷于所述下模顶面的下模型腔，所述上模还具有向上凹陷于上模底面的上模型腔以及向下突出于上模底面的凸台，凸台设于上模底面的中心位置处，当所述上模与所述下模闭合后，所述上模型腔和所述下模型腔相结合后的形状与锻件的外形相同。

所述下模设有下顶出杆，所述下顶出杆用于将锻造成型的锻件从所述下模中顶出。

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

所述下模型腔的侧壁拔模斜度为0°～3°，所述下模型腔底部内侧壁拔模斜度为15°～30°，所述下模型腔的凹圆角为R30mm～R50mm；所述上模型腔的侧壁拔模斜度为5°～10°。

在设置下模型腔的侧壁拔模斜度和上模型腔的侧壁拔模斜度d1时，下模型腔的侧壁拔模斜度和上模型腔的侧壁拔模斜度d1吻合时可使金属在上模的凸台挤压下，沿下模型腔和上模型腔往上流动时受到下模侧壁和上模侧壁的摩擦阻力降到最小，其中，下模型腔的侧壁拔模斜度为0°～3°，上模型腔的侧壁拔模斜度d1为3°～10°。

所述凸台底部的凸圆角R1为R20mm～R50mm，下顶杆上端的凸圆角R2设为R10mm～R30mm。

所述上模中凸台底部的斜度D为5°～15°。

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，基于上述所述的锻造模具，包括如下步骤:

S1、将坯料进行镦粗滚圆处理，制备饼坯；

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滚圆，最后将该坯料处理成饼坯；

S2、将饼坯进行加工外圆面处理，制备加工后的饼坯；

该步骤中，对该饼坯进行加工外圆面处理，包括饼坯的上下面和侧面，以使饼坯的直径小于上述锻造模具中下模型腔的内径，一般控制饼坯的直径比下模型腔的内径小5mm，同时需从加工后的饼坯的上下面方向进行探伤，对饼坯的直径进行如此精确的控制，使得饼坯加热后能够顺利放入到下模型腔中；

S3、将加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，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加工后的饼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，然后将加热好的加工后的饼坯快速移出电阻炉后置于预热后的上述锻造模具中，在模锻液压机上对该加工后的饼坯进行一火次锻造成型；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；

S4、通过下顶出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，开启下顶出杆，将锻件从下模型腔中顶出。

本发明的锻造模具具有较小的拔模斜度，生产出的锻件余量小，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，有效缩短了锻件的锻造周期。采用本锻造模具的锻造方法，提高了锻件的合格率。

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模锻方式加工出的锻件的结构示意图；

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结构示意图；

图4为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件上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中部的显微组织放大图；

图6为本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件下部的显微组织放大图。

图中：1、上模，2、下模，3、下顶出杆，4、下模型腔，5、上模型腔，6、凸台，7、分模面；

h、上模型腔的深度，d1、上模型腔的侧壁拔模斜度，d2、下模型腔的侧壁拔模斜度，R1、凸台底部的凸圆角，R2、下顶杆上端的凸圆角。

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中所示的高温合金鼓筒轴是通过现有技术中的“U”型反挤压传统模锻方式加工出的，图1中的虚线所示的为由该锻件进一步加工出的粗加工件。由于高温合金金属流动性差，采用该种方法一般均需多火次模锻成型，锻造火次是影响高温合金锻件组织性能的主要参数，多火次锻造易造成锻件组织性能不合格，同时，多火次锻造也增加了制造成本及生产周期。

参照图2及图3，本发明实施例提供一种锻造模具，一般用于大型高温合金鼓筒轴的加工，包括相互匹配的上模1和下模2，其中下模2具有向下凹陷于下模2顶面的下模型腔4，上模1具有向上凹陷于上模1底面的上模型腔5以及向下突出于上模1底面的凸台6，凸台6设于上模1底面的中心位置处；当上模1与下模2闭合后，上模型腔5和下模型腔4相结合后的形状与锻件的外形相同。

为使利用该锻造模具加工出的锻件的流线更加流畅，以及使锻件的侧壁有较小的拔模斜度，本发明实施例中提供的锻造模具对此做了进一步改进。在设置下模型腔的侧壁拔模斜度和上模型腔的侧壁拔模斜度d1时，考虑到减小下模型腔的侧壁拔模斜度和上模型腔的侧壁拔模斜度d1可使金属在上模1的凸台6挤压下，沿下模型腔4和上模型腔5往上流动时受到下模侧壁和上模侧壁的摩擦阻力降到最小，而且这样生产出的锻件具有较小的拔模斜度，大幅降低了锻件余量，提高了材料利用率，也保证了锻件的金属流线的完整性；但是，考虑到便于成型后的锻件有利于从上模脱落下来，上模型腔的侧壁拔模斜度d1不能小于3°。因此，本发明实施例提供的锻造模具中，下模型腔的侧壁拔模斜度设为0°～3°，上模型腔的侧壁拔模斜度d1设为3°～10°。

在设置上模1中凸台底部的凸圆角R1和下顶杆上端的凸圆角R2时，考虑到上模1中凸台底部的凸圆角R1和下顶杆上端的凸圆角R2较小时，金属在下模型腔4和上模型腔5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，考虑到上模1中凸台底部的凸圆角R1和下顶杆上端的凸圆角R2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，凸台底部的凸圆角R1为R20mm～R50mm，下顶杆上端的凸圆角R2设为R10mm～R30mm。

在设置上模1中凸台底部的斜度d1时，考虑到较大的斜度会使锻造时金属顺利地从凸台6的底部流出，减小锻造所需压力，但是斜度太大又会使锻件此处余量增大，材料利用率不高。因此，本发明实施例提供的锻造模具中，上模1中凸台底部的斜度D为5°～15°。

当上模1与下模2闭合后，上模1的底面与下模2的顶面相接触形成一个分模面7，上模型腔的深度h设为比该分模面7高10～50mm。随着锻造过程的进行，由于上模侧壁上存在大于零的拔模斜度，会使金属受到往外的分力而有向外翻的趋势；锻造过程中，位于下模型腔4中受到挤压的金属在越过该分模面7之前，受到下模侧壁的约束，会直直地沿下模侧壁往上流动，但当金属越过该分模面7后会在分模面7形成的自由空间中向外翻成喇叭状。位于分模面7上方的槽状的上模型腔5的存在就是要保证随着锻造过程的进行，使金属进入此槽状上模型腔5后受到限制，当上模型腔的深度h比该分模面8高10～50mm时可使金属恢复直筒状，从而保证锻件有良好的成型效果。

此外，下模2设有下顶出杆3，下顶出杆3用于将锻造成型的锻件从下模2中顶出。

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、将坯料进行镦粗滚圆处理，制备饼坯。

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滚圆，最后将该坯料处理成饼坯。

S2、将饼坯进行加工外圆面处理，制备加工后的饼坯。

该步骤中，对该饼坯进行加工外圆面处理，包括饼坯的上下面和侧面，以使饼坯的直径小于上述锻造模具中下模型腔的内径，一般控制饼坯的直径比下模型腔的内径小5mm，同时需从加工后的饼坯的上下面方向进行探伤。对饼坯的直径进行如此精确的控制，目的在于保证加工后的饼坯加热后能够顺利放入到下模型腔中，且保证饼坯与下模型腔的间隙尽可能小，以防止锻造时饼坯偏心导致最终锻造成型的锻件上端高度不一致。

S3、将加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，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加工后的饼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，然后将加热好的加工后的饼坯快速移出电阻炉后置于预热后的上述锻造模具中，在模锻液压机上对该加工后的饼坯进行一火次锻造成型。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。

S4、通过下顶出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，开启下顶出杆3，将锻件从下模型腔4中顶出。

实施例1

以制作GH4169高温合金材质的大型深筒形鼓筒轴锻件为例，先采用φ250mm的GH4169高温合金棒料，按工艺截取505mm的棒料，将按规格下料后的棒料进行镦粗并滚圆，制备坯料。接着使用电阻炉预热，当炉温达到850℃时将坯料放入电阻炉中预热，当炉温再次回升到850℃时开始计算保温时间，保温达到250分钟后，将炉温升至1000℃，在1000℃继续保温200分钟，然后将加热好的坯料快速移处电阻炉，在31.5MN快锻机上对该坯料进行镦粗滚圆，最后将该坯料处理成至的饼坯。

对该饼坯进行加工外圆面处理，包括饼坯的上下面和侧面，以使饼坯的直径比下模型腔的内径小5mm，同时需从加工后的饼坯的上下面方向进行探伤。接着再次使用电阻炉预热，当炉温达到850℃时将坯料放入电阻炉中预热，当炉温再次回升到850℃时开始计算保温时间，保温达到500分钟后，将炉温升至1000℃，在1000℃继续保温450分钟，然后将加热好的坯料快速移出电阻炉后至于预热后的锻造模具中，锻造模具预热温度为250～350℃。该锻造模具中，下模型腔的侧壁拔模斜度为0°，下顶杆上端的凸圆角为R10mm,上模型腔的侧壁拔模斜度为7°，凸台底部的凸圆角R1为R30mm，上模型腔的深度h高出分模面7的高度为20mm，在400MN模锻液压机上对该加工后的饼坯进行1火次锻造成型。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。

整个锻造过程完成后，开启下顶出杆3，将锻件从下模型腔4中顶出。一般情况下，锻件还需要进一步进行热处理，一般分为固溶处理和时效处理，其中固溶处理过程具体为：加热炉升温至700℃后将锻件入炉，升温至800℃保温120分钟，再升温至975℃均热120分钟后开始保温，保温时间60分钟，到温后锻件出炉空冷；时效过程具体为加热炉升温到650℃±6℃时，将锻件放入炉中保温120分钟，随后升温至720℃均热120分钟后保温480分钟，以40～60℃/h炉冷至620℃均热360分钟后开始保温，保温时间480分钟，到温后锻件出炉空冷。

参照图3，图3中所示的GH4169高温合金材质的大型深筒形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中的虚线所示的为由该锻件进一步加工出的粗加工件。该锻件具有以下优点：(1)锻件加工时所需的锻造压力大大减小，实现在压力较小的锻造设备上方便快捷地生产出大型深筒型锻件，如利用本发明实施例提供的锻造模具加工出的锻件所需的锻造压力为130MN，而采用现有技术中的传统模锻方式加工出的相同尺寸的锻件所需的锻造压力为350MN；(2)锻件在模锻时的锻造火次大幅度的降低，显著提高了锻件的超声波探伤水平和组织力学性能及其均匀性；(3)锻件的制造流程大大简化，而且锻造时的火次由以前的三火次以上成型减少到了一火成型，显著缩短了生产周期。

参照图4、图5及图6，图4、图5及图6分别为图3中所示的锻件上部、中部和下部的显微组织放大图，放大倍数为500倍。从图中可以看出，锻件各部位的组织细小均匀，锻件晶粒度级别均在10级左右，锻件延高度方向的晶粒级差较小。

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 (8)

1.一种锻造模具，该锻造模具为H型锻造生产高温合金鼓筒轴锻造模具，其特征在于，包括相互匹配的上模和下模，所述上模具有向下凹陷于所述下模顶面的下模型腔，所述上模还具有向上凹陷于上模底面的上模型腔以及向下突出于上模底面的凸台，凸台设于上模底面的中心位置处，当所述上模与所述下模闭合后，所述上模型腔和所述下模型腔相结合后的形状与锻件的外形相同。

2.根据权利要求1所述的锻造模具，其特征在于，所述下模设有下顶出杆，所述下顶出杆用于将锻造成型的锻件从所述下模中顶出。

3.根据权利要求1所述的锻造模具，其特征在于，还包括当所述上模与所述下模闭合后，所述上模的底面与所述下模的顶面相接触形成分模面。

4.根据权利要求1所述的锻造模具，其特征在于，所述下模型腔的侧壁拔模斜度为0°～3°，所述下模型腔底部内侧壁拔模斜度为15°～30°，所述下模型腔的凹圆角为R30mm～R50mm；所述上模型腔的侧壁拔模斜度为5°～10°。

5.根据权利要求1或4所述的锻造模具，其特征在于，在设置下模型腔的侧壁拔模斜度和上模型腔的侧壁拔模斜度d1时，下模型腔的侧壁拔模斜度和上模型腔的侧壁拔模斜度d1吻合时可使金属在上模的凸台挤压下，沿下模型腔和上模型腔往上流动时受到下模侧壁和上模侧壁的摩擦阻力降到最小，其中，下模型腔的侧壁拔模斜度为0°～3°，上模型腔的侧壁拔模斜度d1为3°～10°。

6.根据权利要求1所述的锻造模具，其特征在于，所述凸台底部的凸圆角R1为R20mm～R50mm，下顶杆上端的凸圆角R2设为R10mm～R30mm。

7.根据权利要求1所述的锻造模具，其特征在于，所述上模中凸台底部的斜度D为5°～15°。

8.一种锻造方法，基于权利要求1-7所述的锻造模具，其特征在于，包括如下步骤:

S1、将坯料进行镦粗滚圆处理，制备饼坯；

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滚圆，最后将该坯料处理成饼坯；

S2、将饼坯进行加工外圆面处理，制备加工后的饼坯；

该步骤中，对该饼坯进行加工外圆面处理，包括饼坯的上下面和侧面，以使饼坯的直径小于上述锻造模具中下模型腔的内径，一般控制饼坯的直径比下模型腔的内径小5mm，同时需从加工后的饼坯的上下面方向进行探伤，对饼坯的直径进行如此精确的控制，使得饼坯加热后能够顺利放入到下模型腔中；

S3、将加工后的饼坯置于锻造模具中进行锻造处理，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加工后的饼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，然后将加热好的加工后的饼坯快速移出电阻炉后置于预热后的上述锻造模具中，在模锻液压机上对该加工后的饼坯进行一火次锻造成型；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；

S4、通过下顶出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，开启下顶出杆，将锻件从下模型腔中顶出。