CN112275971A - 钛合金偏心变截面叶片的聚料工装及锻造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金偏心变截面叶片的聚料工装及锻造方法，聚料工装包括杆部型腔、聚料型腔以及连通杆部型腔和聚料型腔的过渡型腔，杆部型腔的直径与预锻坯的杆部的设计尺寸相同，聚料型腔的直径与预锻坯的聚料部的设计尺寸相同；根据杆部型腔的直径和聚料型腔的直径，使聚料工装的过渡型腔的尺寸和位置满足特定条件。本发明的钛合金偏心变截面叶片的聚料工装，通过尺寸合理的过渡型腔将杆部型腔和聚料型腔连接，使预锻坯的过渡段的尺寸和位置合理，从而使预锻坯模锻成型的叶片锻件的远离榫头的叶身边缘处不会产生折叠，进而保证锻造加工成的钛合金偏心变截面叶片合格。

Description

钛合金偏心变截面叶片的聚料工装及锻造方法
技术领域
本发明涉及叶片锻造加工技术领域，特别地，涉及一种钛合金偏心变截面叶片的聚料工装及锻造方法。
背景技术
钛合金叶片在航空发动机中应用非常广泛。钛合金偏心变截面叶片的叶片锻件的结构特点为：叶身沿榫头轴线方向偏心严重；榫头的截面积与叶身的截面积相差大(所需金属量相差近4倍)。目前钛合金偏心变截面叶片采用锻造加工，先将坯料进行局部聚料得到预锻坯，再将预锻坯进行模锻，但由于榫头的截面积与叶身的截面积相差大，若聚料后预锻坯的杆部与聚料盘部之间的过渡段的位置和/或尺寸不合理，而导致预锻坯模锻成型的叶片锻件远离榫头的叶身边缘处产生折叠。
发明内容
本发明提供了一种钛合金偏心变截面叶片的聚料工装及锻造方法，以解决目前锻造加工钛合金偏心变截面叶片时由于聚料后预锻坯的杆部与聚料盘部之间的过渡段的位置和/或尺寸不合理，而导致预锻坯模锻成型的叶片锻件远离榫头的叶身边缘处产生折叠的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种钛合金偏心变截面叶片的聚料工装，用于将坯料进行局部聚料以获得预锻坯，预锻坯包括未聚料变形的杆部、聚料变形的聚料盘部以及连接杆部和聚料盘部的过渡段，聚料工装包括杆部型腔、聚料型腔以及连通杆部型腔和聚料型腔的过渡型腔，杆部型腔的直径与预锻坯的杆部的设计尺寸相同，聚料型腔的直径与预锻坯的聚料部的设计尺寸相同；设过渡型腔与杆部型腔的连接处的截面中心为起始原点，以过渡型腔的任一个径向方向为X轴方向，以过渡型腔的轴向为Y轴方向，聚料工装的过渡型腔的尺寸和位置满足以下条件：
Figure BDA0002658815200000011
Figure BDA0002658815200000012
其中，D0为预锻坯的杆部的设计直径，D1为预锻坯的聚料部的设计直径，
当
Figure BDA0002658815200000013
时，λ∈[0.8,1.0]；当
Figure BDA0002658815200000014
时，λ∈[1.2,1.5]。
进一步地，聚料工装还包括与聚料型腔配合进行聚料的聚料冲头。
根据本发明的另一方面，还提供了一种钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，包括以下步骤：采用上述聚料工装对坯料进行局部聚料，从而获得预锻坯；将预锻坯放入锻模工装中进行模锻，从而获得叶片锻件；将叶片锻件进行加工，从而获得叶片。
进一步地，坯料锻造前，还包括以下步骤：根据钛合金偏心变截面叶片的设计尺寸设计叶片锻件的尺寸，叶片锻件的叶身型面法向的余量为1.5mm-2.0mm，榫头的余量为2.0mm-2.5mm；根据叶片锻件的设计尺寸设计锻模工装的尺寸；根据叶片锻件的设计尺寸设计预锻坯的尺寸。
进一步地，坯料进行局部聚料前，还包括以下步骤：坯料的下料：将坯料锯切成棒状，并在坯料的两端倒圆角。
进一步地，完成坯料的下料后，还包括以下步骤：将坯料加热至坯料材料的始锻温度。
进一步地，坯料进行局部聚料，包括以下步骤：将聚料工装安装在卧锻机上，将坯料放入聚料工装中，通过聚料冲头与聚料型腔配合镦粗坯料，从而使坯料的局部变形，获得预锻坯。
进一步地，坯料进行局部聚料后，预锻坯模锻前，还包括以下步骤：对预锻坯的表面进行吹砂处理；对吹砂处理后的预锻坯的表面喷涂玻璃润滑剂；将喷涂完玻璃润滑剂的预锻坯加热至坯料材料的始锻温度。
进一步地，预锻坯进行模锻，包括以下步骤：将锻模工装安装在模锻锤上，将预锻坯放入锻模工装中，通过模锻锤将预锻坯模锻成型。
进一步地，叶片锻件的加工，包括以下步骤：将叶片锻件打磨后进行校正并热处理，从而获得叶片。
本发明具有以下有益效果：
本发明的钛合金偏心变截面叶片的聚料工装，杆部型腔的直径与预锻坯杆部的设计尺寸相同，聚料型腔与预锻坯的聚料部的设计尺寸相同，通过使过渡型腔的尺寸和位置满足
Figure BDA0002658815200000021
因此能确定过渡型腔的轴向总长度以及沿轴向不同位置处的截面的半径，通过尺寸合理的过渡型腔将杆部型腔和聚料型腔连接，坯料放入聚料工装中，使坯料伸入杆部型腔、过渡型腔以及聚料型腔中，通过聚料冲头将坯料位于聚料型腔和过渡型腔中的部分镦粗变形形成预锻坯的聚料盘部和过渡段，而坯料位于杆部型腔的部分则受到限制未发生变形，构成预锻坯的杆部，预锻坯的过渡段的尺寸和位置合理，从而使预锻坯模锻成型的叶片锻件的远离榫头的叶身边缘处不会产生折叠，进而保证锻造加工成的钛合金偏心变截面叶片合格。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的叶片锻件的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的聚料工装的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的锻模工装的结构示意图；
图4是图3中ab段的桥部的结构示意图；
图5是图3中cd段的桥部的结构示意图。
图例说明：
1、榫头；2、叶身；3、聚料工装；31、杆部型腔；32、过渡型腔；33、聚料型腔；4、锻模工装；41、锻模型腔；42、毛边槽；421、桥部；422、仓部。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的叶片锻件的结构示意图；图2是本发明优选实施例的聚料工装的结构示意图；图3是本发明优选实施例的锻模工装的结构示意图；图4是图3中ab段的桥部的结构示意图；图5是图3中cd段的桥部的结构示意图。
如图1和图2所示，本实施例的钛合金偏心变截面叶片的聚料工装3，用于将坯料进行局部聚料以获得预锻坯，预锻坯包括未聚料变形的杆部、聚料变形的聚料盘部以及连接杆部和聚料盘部的过渡段，聚料工装3包括杆部型腔31、聚料型腔33以及连通杆部型腔31和聚料型腔33的过渡型腔32，杆部型腔31的直径与预锻坯的杆部的设计尺寸相同，聚料型腔33的直径与预锻坯的聚料部的设计尺寸相同；设过渡型腔32与杆部型腔31的连接处的截面中心为起始原点，以过渡型腔32的任一径向方向为X轴方向，以过渡型腔32的轴向为Y轴方向，聚料工装3的过渡型腔32的尺寸和位置满足以下条件：
Figure BDA0002658815200000031
Figure BDA0002658815200000032
Figure BDA0002658815200000041
其中，D0为预锻坯的杆部的设计直径，D1为预锻坯的聚料部的设计直径，
当
Figure BDA0002658815200000042
时，λ∈[0.8,1.0]；当
Figure BDA0002658815200000043
时，λ∈[1.2,1.5]。
本发明的钛合金偏心变截面叶片的聚料工装3，杆部型腔31的直径与预锻坯杆部的设计尺寸相同，聚料型腔33与预锻坯的聚料部的设计尺寸相同，通过使过渡型腔32的尺寸和位置满足
Figure BDA0002658815200000044
因此能确定过渡型腔32的轴向总长度以及沿轴向不同位置处的截面的半径，通过尺寸合理的过渡型腔32将杆部型腔31和聚料型腔33连接，坯料放入聚料工装3中，使坯料伸入杆部型腔31、过渡型腔32以及聚料型腔33中，通过聚料冲头将坯料位于聚料型腔33和过渡型腔32中的部分冲压变形形成预锻坯的聚料盘部和过渡段，而坯料位于杆部型腔31的部分则受到限制未发生变形，构成预锻坯的杆部，预锻坯的过渡段的尺寸和位置合理，从而使预锻坯模锻成型的叶片锻件的远离榫头1的叶身2边缘处不会产生折叠，进而保证锻造加工成的钛合金偏心变截面叶片合格。
如图2所示，聚料工装3还包括与聚料型腔33配合进行聚料的聚料冲头。聚料工装3包括阴模、聚料冲头以及钳子。杆部型腔31、过渡型腔32以及聚料型腔33设于阴模上。聚料冲头与聚料型腔33相配合以进行聚料。阴模上还设有用于放置钳子的钳槽。
如图1所示，本实施例的钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，包括以下步骤：采用上述聚料工装3对坯料进行局部聚料，从而获得预锻坯；将预锻坯放入锻模工装4中进行模锻，从而获得叶片锻件；将叶片锻件进行加工，从而获得叶片。
如图1所示，坯料锻造前，还包括以下步骤：根据钛合金偏心变截面叶片的设计尺寸设计叶片锻件的尺寸，叶片锻件的叶身2型面法向的余量为1.5mm-2.0mm，榫头1的余量为2.0mm-2.5mm；根据叶片锻件的设计尺寸设计预锻坯的尺寸；根据预锻坯的尺寸设计聚料工装3的尺寸以及坯料的尺寸。叶片锻件的尺寸设计还包括选择合适的出模斜度和过渡圆角。根据叶片锻件的设计尺寸设计预锻坯的尺寸应考虑预锻坯加热后的热收缩。
坯料进行局部聚料前，还包括以下步骤：坯料的下料：将坯料锯切成棒状，并在坯料的两端倒圆角。在坯料的两端倒圆角可以防止下料完成后坯料的切口存在毛刺，导致进行聚料时毛刺被挤入杆部型腔31中使预锻坯的杆部形成折叠。在本实施例中，棒状坯料的直径预锻坯的杆部的设计直径相等，因此，棒状坯料位于杆部型腔31中的部分在聚料过程中不发生变形。
完成坯料的下料后，还包括以下步骤：将坯料加热至坯料材料的始锻温度。本实施例中，先将坯料摆放在电炉的有效加热区加热，坯料小于800℃入炉，加热温度为t±10℃(t为该批钛合金棒料最低β相变温度减去30℃)，保温时间为(0.6D～3D)min(D为坯料外圆尺寸，单位mm)，锻造温度范围(t+10)℃～850℃。
如图2所示，坯料进行局部聚料，包括以下步骤：将聚料工装3安装在卧锻机上，将坯料放入聚料工装3中，通过聚料冲头与聚料型腔33配合镦粗坯料，从而使坯料的局部变形，获得预锻坯。在本实施例中，将聚料工装3的阴模安装在卧锻机的模座上，将聚料冲头固定在卧锻机的冲头柄上。通过钳子将加热后的坯料夹紧固定，并将钳子放置于阴模的钳槽中，启动卧锻机，阴模合拢，通过杆部型腔31将坯夹紧，接着聚料冲头沿聚料型腔33的轴向运动与聚料型腔33配合将坯料的局部镦粗变形形成聚料盘部和过渡段，得到预锻坯。坯料进行局部聚料后，预锻坯模锻前，还包括以下步骤：对预锻坯的表面进行吹砂处理；对吹砂处理后的预锻坯的表面喷涂玻璃润滑剂；将喷涂完玻璃润滑剂的预锻坯加热至坯料材料的始锻温度。通过吹砂处理将预锻坯的表面清理干净。通过将玻璃润滑剂喷涂在预锻坯的表面，玻璃润滑剂中的水分受热蒸发，玻璃润滑剂不会流动，可以让玻璃润滑剂附着在预锻坯的表面，形成一层均匀的润滑层，以起到润滑的作用，以提高叶片锻件的表面质量。本实施例中，先将喷涂完玻璃润滑剂的预锻坯摆放在电的有效加热区加热，预锻坯小于800℃入炉，加热温度为t±10℃(t为该批钛合金棒料最低β相变温度减去30℃)，保温时间为(0.6D～3D)min(D为坯料外圆尺寸，单位mm)，锻造温度范围(t+10)℃～850℃。
如图3、图4以及图5所示，预锻坯进行模锻前，还包括以下步骤：锻模工装4包括用于钛合金叶片锻造成型的锻模型腔41以及位于锻模型腔41外围并与锻模型腔41连通毛边槽42，毛边槽42包括与锻模型腔41连通的桥部421以及与桥部421连通的仓部422，锻模型腔41的尺寸与叶片锻件的设计尺寸相同，根据榫头1轴线到叶身2较远边缘的径向距离以及榫头1轴线到叶身2较近边缘的径向距离，设计距离榫头1轴线较远一侧(即图3中ab段)的桥部421的尺寸以及距离榫头1轴线较近一侧(即图3中cd段)的桥部421的尺寸。在本实施例中，锻模工装4包括锻模上模和锻模下模。锻模上模和锻模下模合模后，锻模上模的上模型腔与锻模下模的下模型腔配合构成锻模型腔41和毛边槽42。
如图3、图4以及图5所示，设计距离榫头1轴线较远一侧的桥部421的尺寸以及距离榫头1轴线较近一侧的桥部421的尺寸，包括以下步骤：确定距离榫头1轴线较远一侧的桥部421的宽度和厚度；根据距离榫头1轴线较远一侧的桥部421的宽度和厚度确定距离榫头1轴线较近一侧的桥部421的宽度和厚度，距离锻模型腔41的榫头段轴线较远一侧的桥部421的宽度和厚度与距离锻模型腔41的榫头段轴线较近一侧的桥部421的宽度和厚度满足以下条件：
Figure BDA0002658815200000051
其中，b0为距离锻模型腔41的榫头段轴线较远一侧的桥部42的宽度，h0为距离锻模型腔41的榫头段轴线较远一侧的桥部42的宽度，b1为距离锻模型腔41的榫头段轴线较近一侧的桥部42的宽度，h1为距离锻模型腔41的榫头段轴线较近一侧的桥部42的宽度，n表示叶身2总截面数量，aqi表示第i个截面处榫头1轴线到叶身2较远边缘的弦宽长度，ahi表示第i截面榫头1轴线到较近叶身2端部弦宽长度。
通过使距离榫头1轴线较远一侧的桥部421的宽度和厚度与距离榫头1轴线较近一侧的桥部421的宽度和厚度满足上述条件，使预锻坯沿榫头1轴线摆放至锻模型腔41中，模锻时预锻坯受压变形将锻模型腔41充满后从桥部421填充至仓部422，且距离榫头1轴线较远的一侧的仓部422和距离榫头1轴线较近的一侧的仓部422均能被充满，通过将叶身2和榫头1周围的毛边去除后便能获得叶片锻件，而无需通过增加原材料的规格，从而保证叶片锻件的尺寸符合要求。在本实施例中，通过查找设计手册，确定距离榫头1轴线较远一侧的桥部421的宽度和厚度，再根据上述距离榫头1轴线较远一侧的桥部421的宽度和厚度与距离榫头1轴线较近一侧的桥部421的宽度和厚度的满足条件，确定距离榫头1轴线较近一侧的桥部421的宽度和厚度。
如图3、图4以及图5所示，预锻坯的体积与锻模型腔41和桥部421的总体积的差值占仓部422的体积的10％-15％，以使预锻坯进行模锻时锻模型腔41和桥部421的金属填充量为百分之百，而仓部422的金属填充量为仓部422体积的10％-15％。
如图3、图4以及图5所示，预锻坯进行模锻，包括以下步骤：将锻模工装4安装在模锻锤上，将预锻坯放入锻模工装4中，通过模锻锤将预锻坯模锻成型。预锻坯经锻模工装4模锻成型后取出，叶片锻件的周围存在一圈毛边，通过切边将毛边去除。在本实施例中，通过切边模切除毛边。切边模的阴模刃口的轮廓尺寸与叶片锻件的最大外轮廓尺寸一致，切边模的切边冲头的最大轮廓尺寸等于阴模刃口的轮廓尺寸向内收缩0.3mm。在本实施例中，先将锻模工装4放在油路门口预热至250℃～300℃，再将锻模工装4安装在模锻锤的模座上，并通过试压铅块调整锻模工装4错移符合要求。加热后的预锻坯出炉，将预锻坯放置于锻模工装4的锻模型腔41中，并使预锻坯的聚料盘部与锻模型腔41的榫头段相匹配，并保证预锻坯的轴线与锻模工装4的榫头段轴线基本重合，通过模锻锤的第一锤和第二锤轻击预锻坯，确保预锻坯变形填充至锻模型腔41中，再通过第三锤重击成形，且多余的金属填充至毛边槽42内，从而保证锻模型腔41被完全填充，且成型的叶片锻件的厚度尺寸合格。
叶片锻件的加工，包括以下步骤：将叶片锻件打磨后进行校正并热处理，从而获得叶片。在本实施例中，叶片锻件的打磨：通过砂轮机打磨去除叶片锻件的毛刺。由于叶片锻件的叶身2较薄，切边后会产生局部变形，通过校正稳定叶身2的型面尺寸。叶片锻件的校正，包括以下步骤：加热：将叶片锻件摆放在电的有效加热区加热，锻件小于800℃入炉，加热温度t±10℃(t为该批钛合金棒料最低β相变温度减去80℃)，保温时间为(0.6H～3H)min(H为叶片锻件的最大厚度)；校正：利用锻模工装4，将叶片锻件放入锻模型腔41内，轻击叶片锻件，保证叶片锻件的叶身2完全贴合锻模型腔41的叶身段。将校正完的叶片锻件按工艺规定要求进行固溶+时效制度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种钛合金偏心变截面叶片的聚料工装，用于将坯料进行局部聚料以获得预锻坯，预锻坯包括未聚料变形的杆部、聚料变形的聚料盘部以及连接杆部和聚料盘部的过渡段，其特征在于，
聚料工装(3)包括杆部型腔(31)、聚料型腔(33)以及连通杆部型腔(31)和聚料型腔(33)的过渡型腔(32)，杆部型腔(31)的直径与预锻坯的杆部的设计尺寸相同，聚料型腔(33)的直径与预锻坯的聚料部的设计尺寸相同；
设过渡型腔(32)与杆部型腔(31)的连接处的截面中心为起始原点，以过渡型腔(32)的任一个径向方向为X轴方向，以过渡型腔(32)的轴向为Y轴方向，聚料工装(3)的过渡型腔(32)的尺寸和位置满足以下条件：
Figure FDA0002658815190000011
Figure FDA0002658815190000012
Figure FDA0002658815190000013
其中，D0为预锻坯的杆部的设计直径，D1为预锻坯的聚料部的设计直径，
当
Figure FDA0002658815190000014
时，λ∈[0.8,1.0]；当
Figure FDA0002658815190000015
时，λ∈[1.2,1.5]。
2.根据权利要求1所述的钛合金偏心变截面叶片的聚料工装，其特征在于，
聚料工装(3)还包括与聚料型腔(33)配合进行聚料的聚料冲头。
3.一种钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用权利要求1-2任一所述的聚料工装(3)对坯料进行局部聚料，从而获得预锻坯；
将预锻坯放入锻模工装(4)中进行模锻，从而获得叶片锻件；
将叶片锻件进行加工，从而获得叶片。
4.根据权利要求3所述的钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，其特征在于，坯料锻造前，还包括以下步骤：
根据钛合金偏心变截面叶片的设计尺寸设计叶片锻件的尺寸，叶片锻件的叶身(2)型面法向的余量为1.5mm-2.0mm，榫头(1)的余量为2.0mm-2.5mm；
根据叶片锻件的设计尺寸设计锻模工装(4)的尺寸；
根据叶片锻件的设计尺寸设计预锻坯的尺寸。
5.根据权利要求3所述的钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，其特征在于，坯料进行局部聚料前，还包括以下步骤：
坯料的下料：将坯料锯切成棒状，并在坯料的两端倒圆角。
6.根据权利要求5所述的钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，其特征在于，完成坯料的下料后，还包括以下步骤：
将坯料加热至坯料材料的始锻温度。
7.根据权利要求3所述的钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，其特征在于，坯料进行局部聚料，包括以下步骤：
将聚料工装(3)安装在卧锻机上，将坯料放入聚料工装(3)中，通过聚料冲头与聚料型腔(33)配合镦粗坯料，从而使坯料的局部变形，获得预锻坯。
8.根据权利要求3所述的钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，其特征在于，坯料进行局部聚料后，预锻坯模锻前，还包括以下步骤：
对预锻坯的表面进行吹砂处理；
对吹砂处理后的预锻坯的表面喷涂玻璃润滑剂；
将喷涂完玻璃润滑剂的预锻坯加热至坯料材料的始锻温度。
9.根据权利要求3所述的钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，其特征在于，预锻坯进行模锻，包括以下步骤：
将锻模工装(4)安装在模锻锤上，将预锻坯放入锻模工装(4)中，通过模锻锤将预锻坯模锻成型。
10.根据权利要求3所述的钛合金偏心变截面叶片的锻造方法，其特征在于，叶片锻件的加工，包括以下步骤：
将叶片锻件打磨后进行校正并热处理，从而获得叶片。
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