CN109351906A - 一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，墩头模是由冲头、阴模、顶杆导套和顶杆组成，其中冲头上端内设有螺孔，通过螺钉固定在上模座的冲头夹持器上，顶杆穿上顶杆导套一同放入压力机底部的顶出装置及下模座，顶杆导套上端设置垫块，垫块上端设有阴模；本设计方案确定了墩头模的设计参数，墩头模具的形状设计，方法合理，周期短合格率高。

Description

一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法

技术领域

本发明涉及模具设计技术领域，特别涉及一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法。

背景技术

先进航空发动机压气机叶片制造的需要。该航空发动机压气机叶片的特点是大缘板、叶身型面薄、前后缘厚度小，叶片材料的合金化程度高，加之叶片配套加工的后续工序是冷辊轧工艺，对锻件的加工余量、尺寸精度和表面质量要求均很高，这些因素都增大了叶片锻造成形的难度，所以叶片锻造成形需采用新工艺才能满足叶片成形的需要。根据所掌握的资料，国外在某发动机上已应用了精密冷辊轧的高压压气机叶片，但其毛料成形方式我们无从知晓，而且整个工艺路线属机密技术。在本项目之前，国内对该项技术没有突破。由于带榫头叶片的结构、辊轧工艺和高温合金的特点，存在叶片榫头、过渡区和叶身型面三部分组织均匀性和晶粒粗大的控制关键技术，该技术在国外也未突破。突破关键技术，实现先进航发叶片制造技术的自主创新，摆脱受制于人的局面。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，具体技术方案如下：

一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，包括如下步骤：

1)墩头模是由冲头、阴模、顶杆导套和顶杆组成，其中冲头上端内设有螺孔，通过螺钉固定在上模座的冲头夹持器上，顶杆穿上顶杆导套一同放入压力机底部的顶出装置及下模座，顶杆导套上端设置垫块，垫块上端设有阴模；

2)阴模采用整体形式，内设腔体，材料是4Cr5W2VSi，硬度HRC48-53；阴模的基准为冲头停止的位置；从阴模的基准向上起有1°的斜度，便于墩头件的顶出；阴模基准以下的头部型腔尺寸等于热态镦头毛坯头部相应的尺寸；阴模型腔深度等于挤杆毛坯头部加上3mm再加调整量；阴模杆部内孔直径比挤杆毛坯杆部直径热态尺寸大0.4mm-0.6mm,使挤杆毛坯杆部容易放入；阴模的外径为挤杆毛坯头部长度尺寸的1.5-2倍，阴模的高度大约等于型腔深度的3倍；

3)镦头模的冲头材料是W9Mo3Cr4V，硬度HRC53-58；冲头在镦头基准线处与阴模的间隙为单边0.05mm-0.08mm，凸台型腔深度比墩头毛坯凸台大5mm，以做储气孔用；

4)冲头工作端与阴模保持0.05-0.10的单边间隙，间隙过大，毛坯头部上端易出现倒向毛刺，冲头下端面边缘保持尖边，若尖边出现倒角也会产生倒向毛刺；

5)垫块、顶杆导套选用5CrNiMo，顶杆选用40Cr，垫块和顶杆导套硬度为HRC33-38，顶杆硬度为HRC25-31，垫块内孔直径比热态挤杆毛坯杆部直径大0.2mm-0.4mm；顶杆导套的内孔直径比热态挤杆毛坯直径大0.3mm-0.6mm，以防碰伤毛坯杆部，并保证顶杆顺利通过；顶杆导套长度比毛坯杆部最下端长40mm，其中30mm是为毛坯杆部长度留出的调整量，10mm是为保证顶杆始终停留在顶杆导套内预留的；垫块、顶杆导套大端与下模座的装配间隙为单边0.08mm-0.12mm，顶杆直径比热态挤杆毛坯的直径小0.5mm；

6)顶杆顶出前在最低位置中，此时应使顶杆头部进入顶杆导套内10mm左右，确保顶杆始终处在顶杆导套内；顶杆顶出时上升一个顶出行程So，到达最高位置，把毛坯杆部下端顶到挤压口以上，确保挤杆毛坯顺利取出，此时还要保证模座的顶杆固定座及顶杆的粗杆部分不会碰到顶杆导套，否则会导致顶杆折断或将阴模连周垫块、顶杆导套一并顶出；因此顶杆和顶杆导套小端的长度需满足如下条件：

Ld＝Lg+30+10+Lw

Lu-So-Lx-Lo＞10

Ld—顶杆长度，mm；

Lg—挤杆毛坯杆部长度，mm；

Lx—顶杆导套小端长度，mm；

Lw—顶杆粗杆部分长度，mm；

Lu—模座长度，mm；

Lo—顶杆的粗杆部分在顶杆固定座以外的长度，mm；

So—设备顶出行程。

一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，其优选方案为，所述步骤2)中阴模型腔和冲头工作部分的位置公差为0.02mm，以保证装配时有互换性。

一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，其优选方案为，所述步骤1)中冲头与冲头夹持器之间用小间隙配合装配，再由螺钉坚固，冲头与冲头夹持器的装配部分尺寸固定，这样可使冲头固定端标准化，以达到互换目的；冲头夹持器与上模座底板之间有精调垫板，用以调整冲头进入阴模的深度，从而控制镦头后头部的长度。

一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法制作出的镦头件的设计方法如下：

(1)、头部体积Vt的计算：Vt＝Vs+Vg+Vm

Vs—预锻件榫头的体积；

Vg—预锻件榫头工艺凸台的体积；

Vm—预锻件榫头及工艺凸台周围的毛边体积；

头部的真实体积应从Vt中减去小凸台的体积。但为了把镦头阴模做大一点，使头部的金属充不满阴模四角，以防头部四周出现倒向毛刺和使杆部过于增长，所以在计算头部体积时，把小凸台的体积也包括在内；

(2)、头部平均厚度T的确定：T＝t-△

t—预锻件榫头的平均厚度。

△—毛坯放入预锻型腔时的双边间隙，当榫头截面积小于8cm时，△取0.3mm，大于8cm时，△取0.5mm。

本发明的有益效果：本发明的技术方案(1)开辟了我国第三代航空发动机高温合金压气机叶片，采用精密成形毛坯+冷精轧叶身的制造技术，实现叶身无切削加工的新道路，使压气机叶片制造技术得到了显著的提升；(2)叶片叶身金属流线方向合理，提高了叶片的力学性能和使用性能。通过了σ-1应力2×107次循环振动疲劳考核和发动机累计1200h的三次长期试车考核。

本研究成果已应用于某发动机上高压压气机叶片的研制，并完善了锻件的技术标准。可推广应用于其它型号三代新机铁、镍基高温合金的压气机叶片的制造和第四代发动机的预研。

附图说明

图1为墩头模结构示意图；

图2为阴模结构示意图；

图3为图2的A-A示意图；

图4为冲头结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为顶杆导套与顶杆连接示意图；

图7为挤杆毛坯结构示意图；

图8为墩头毛坯结构示意图。

图中，1-冲头、2-阴模、3-垫块、4-顶杆导套、5-顶杆、6-基准、7-斜度、8-挤杆毛坯、9-墩头毛坯。

具体实施方式

如图1-8所示一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，包括如下步骤：

1)墩头模是由冲头1、阴模2、垫块3、顶杆导套4和顶杆5组成，其中冲头1上端内设有螺孔，通过螺钉固定在上模座的冲头夹持器上，顶杆5穿上顶杆导套4一同放入压力机底部的顶出装置及下模座，顶杆导套4上端设置垫块3，垫块3上端设有阴模2；

2)阴模2采用整体形式，材料是4Cr5W2VSi，硬度HRC48-53；阴模的基准6为冲头1停止的位置；从阴模2的基准6向上起有1°的斜度7，便于墩头毛坯9的顶出；阴模2基准6以下的头部型腔尺寸等于热态镦头毛坯9头部相应的尺寸；阴模2型腔深度等于挤杆毛坯8头部加上3mm再加调整量；阴模2杆部内孔直径比挤杆毛坯8杆部直径热态尺寸大0.4mm-0.6mm,使挤杆毛坯8杆部容易放入；阴模2的外径为挤杆毛坯8头部长度尺寸的1.5-2倍，阴模2的高度大约等于型腔深度的3倍；

3)镦头模的冲头1材料是W9Mo3Cr4V，硬度HRC53-58；冲头1在镦头阴模2基准6线处与阴模2的间隙为单边0.05mm-0.08mm，凸台型腔深度比墩头毛坯9凸台大5mm，以做储气孔用；

4)冲头1工作端与阴模2保持0.05-0.10的单边间隙，间隙过大，墩头毛坯9头部上端易出现倒向毛刺，冲头下端面边缘保持尖边，若尖边出现倒角也会产生倒向毛刺；

5)垫块3、顶杆导套4选用5CrNiMo，顶杆5选用40Cr，垫块3和顶杆导套4硬度为HRC33-38，顶杆5硬度为HRC25-31，垫块3内孔直径比热态挤杆毛坯8杆部直径大0.2mm-0.4mm；顶杆导套4的内孔直径比热态挤杆毛坯8直径大0.3mm-0.6mm，以防碰伤墩头毛坯9杆部，并保证顶杆顺利通过；顶杆导套4长度比挤杆毛坯8杆部最下端长40mm，其中30mm是为挤杆毛坯8杆部长度留出的调整量，10mm是为保证顶杆始终停留在顶杆导套内预留的；垫块3、顶杆导套4大端与下模座的装配间隙为单边0.08mm-0.12mm，顶杆5直径比热态挤杆毛坯8的直径小0.5mm；

6)顶杆5顶出前在最低位置中，此时应使顶杆5头部进入顶杆导套4内10mm左右，确保顶杆始终处在顶杆导套4内；顶杆5顶出时上升一个顶出行程So，到达最高位置，把挤杆毛坯8杆部下端顶到挤压口以上，确保挤杆毛坯8顺利取出，此时还要保证模座的顶杆固定座及顶杆8的粗杆部分不会碰到顶杆导套7，否则会导致顶杆8折断或将阴模5连垫块3、顶杆导套4一并顶出；因此顶杆5和顶杆导套4小端的长度需满足如下条件：Ld＝Lg+30+10+Lw

Lu-So-Lx-Lo＞10

Ld—顶杆长度，mm；

Lg—挤杆毛坯杆部长度，mm；

Lx—顶杆导套小端长度，mm；

Lw—顶杆粗杆部分长度，mm；

Lu—模座长度，mm；

Lo—顶杆的粗杆部分在顶杆固定座以外的长度，mm；

So—设备顶出行程。

所述步骤2)中阴模2型腔和冲头工作部分的位置公差为0.02mm，以保证装配时有互换性。

所述步骤1)中冲头1与冲头夹持器之间用小间隙配合装配，再由螺钉坚固，冲头1与冲头夹持器的装配部分尺寸固定，这样可使冲头固定端标准化，以达到互换目的；冲头夹持器与上模座底板之间有精调垫板，用以调整冲头进入阴模2的深度，从而控制镦头后头部的长度。

一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法制作出的镦头件的设计方法如下：

(1)、头部体积Vt的计算：Vt＝Vs+Vg+Vm

Vs—预锻件榫头的体积；

Vg—预锻件榫头工艺凸台的体积；

Vm—预锻件榫头及工艺凸台周围的毛边体积；

头部的真实体积应从Vt中减去小凸台的体积。但为了把镦头阴模做大一点，使头部的金属充不满阴模四角，以防头部四周出现倒向毛刺和使杆部过于增长，所以在计算头部体积时，把小凸台的体积也包括在内；

(2)、头部平均厚度T的确定：T＝t-△

t—预锻件榫头的平均厚度。

△—毛坯放入预锻型腔时的双边间隙，当榫头截面积小于8cm时，△取0.3mm，大于8cm时，△取0.5mm。

Claims (4)

1.一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)墩头模是由冲头、阴模、顶杆导套和顶杆组成，其中冲头上端内设有螺孔，通过螺钉固定在上模座的冲头夹持器上，顶杆穿上顶杆导套一同放入压力机底部的顶出装置及下模座，顶杆导套上端设置垫块，垫块上端设有阴模；

2)阴模采用整体形式，内设腔体，材料是4Cr5W2VSi，硬度HRC48-53；阴模的基准为冲头停止的位置；从阴模的基准向上起有1°的斜度，便于墩头件的顶出；阴模基准以下的头部型腔尺寸等于热态镦头毛坯头部相应的尺寸；阴模型腔深度等于挤杆毛坯头部加上3mm再加调整量；阴模杆部内孔直径比挤杆毛坯杆部直径热态尺寸大0.4mm-0.6mm,使挤杆毛坯杆部容易放入；阴模的外径为挤杆毛坯头部长度尺寸的1.5-2倍，阴模的高度大约等于型腔深度的3倍；

3)镦头模的冲头材料是W9Mo3Cr4V，硬度HRC53-58；冲头在镦头基准线处与阴模的间隙为单边0.05mm-0.08mm，凸台型腔深度比墩头毛坯凸台大5mm，以做储气孔用；

4)冲头工作端与阴模保持0.05-0.10的单边间隙，间隙过大，毛坯头部上端易出现倒向毛刺，冲头下端面边缘保持尖边，若尖边出现倒角也会产生倒向毛刺；

5)垫块、顶杆导套选用5CrNiMo，顶杆选用40Cr，垫块和顶杆导套硬度为HRC33-38，顶杆硬度为HRC25-31，垫块内孔直径比热态挤杆毛坯杆部直径大0.2mm-0.4mm；顶杆导套的内孔直径比热态挤杆毛坯直径大0.3mm-0.6mm，以防碰伤毛坯杆部，并保证顶杆顺利通过；顶杆导套长度比毛坯杆部最下端长40mm，其中30mm是为毛坯杆部长度留出的调整量，10mm是为保证顶杆始终停留在顶杆导套内预留的；垫块、顶杆导套大端与下模座的装配间隙为单边0.08mm-0.12mm，顶杆直径比热态挤杆毛坯的直径小0.5mm；

6)顶杆顶出前在最低位置中，此时应使顶杆头部进入顶杆导套内10mm左右，确保顶杆始终处在顶杆导套内；顶杆顶出时上升一个顶出行程So，到达最高位置，把毛坯杆部下端顶到挤压口以上，确保挤杆毛坯顺利取出，此时还要保证模座的顶杆固定座及顶杆的粗杆部分不会碰到顶杆导套，否则会导致顶杆折断或将阴模连周垫块、顶杆导套一并顶出；因此顶杆和顶杆导套小端的长度需满足如下条件：

Ld＝Lg+30+10+Lw

Lu-So-Lx-Lo＞10

Ld—顶杆长度，mm；

Lg—挤杆毛坯杆部长度，mm；

Lx—顶杆导套小端长度，mm；

Lw—顶杆粗杆部分长度，mm；

Lu—模座长度，mm；

Lo—顶杆的粗杆部分在顶杆固定座以外的长度，mm；

So—设备顶出行程。

2.根据权利要求1所述的一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，其特征在于，所述步骤2)中阴模型腔和冲头工作部分的位置公差为0.02mm，以保证装配时有互换性。

3.根据权利要求1所述的一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法，其特征在于，所述步骤1)中冲头与冲头夹持器之间用小间隙配合装配，再由螺钉坚固，冲头与冲头夹持器的装配部分尺寸固定，这样可使冲头固定端标准化，以达到互换目的；冲头夹持器与上模座底板之间有精调垫板，用以调整冲头进入阴模的深度，从而控制镦头后头部的长度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于辊轧的锻造毛坯及其锻造用的墩头模设计方法制作出的镦头件的设计方法如下：

(1)、头部体积Vt的计算：Vt＝Vs+Vg+Vm

Vs—预锻件榫头的体积；

Vg—预锻件榫头工艺凸台的体积；

Vm—预锻件榫头及工艺凸台周围的毛边体积；

头部的真实体积应从Vt中减去小凸台的体积。但为了把镦头阴模做大一点，使头部的金属充不满阴模四角，以防头部四周出现倒向毛刺和使杆部过于增长，所以在计算头部体积时，把小凸台的体积也包括在内；

(2)、头部平均厚度T的确定：T＝t-△

t—预锻件榫头的平均厚度。

△—毛坯放入预锻型腔时的双边间隙，当榫头截面积小于8cm时，△取0.3mm，大于8cm时，△取0.5mm。