CN113245492A - 大型整体框锻造模具的制备方法及挤压扩孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大型整体框锻造技术领域，提供了一种大型整体框挤压扩孔成形方法，包括以下步骤：采用大型整体框锻造模具的制备方法制备制坯模、预锻模和终锻模；将原始坯料通过制坯模锻造为制坯件；去除制坯件的制坯件连皮；将去除制坯件连皮的制坯件通过预锻模锻造为仅包括预锻件本体和预锻件过渡部的预锻件；将预锻件通过终锻模锻造为锻件毛坯。预锻过程中：在压制前期阶段，可通过预锻模对制坯件过渡部产生一个水平分力，该水平分力挤压推动制坯件本体及制坯件过渡部快速向外侧移动，在压制后期阶段，再通过预锻模压薄制坯件过渡部进一步提供坯料，不仅实现整体框内孔的高效扩孔，而且保证坯料充满预模锻的型腔。

Description

大型整体框锻造模具的制备方法及挤压扩孔方法
技术领域
本发明涉及大型整体框锻造技术领域，尤其是一种大型整体框锻造模具的制备方法及挤压扩孔方法。
背景技术
为提高结构效率，减轻结构重量，缩短生产周期和降低成本，结构整体化是大型飞机的重要发展方向。飞机机身整体框种类、数量越来越多，复杂整体框具有双孔、外形尺寸大、带众多连接功能耳片的特点。飞机机身的整体框，尤其是重量超过50kg、外廓尺寸在500mm以上的大型整体框，这类整体框沿其长度方向具有至少一个通孔，目前这类整体框的锻造成形方法主要有两种：
第一种方法是：通过大吨位模锻压机，在预锻模中对中间孔进行整体压薄连皮，将坯料向型腔聚集，实现锻件成形。但是这种方法在压连皮时的效率较低，同时材料的利用率也较低，料工比在2～2.5。
第二种方法是：通过自由锻造设备，在胎模中对中间孔进行局部锻压，将连皮压薄，使孔扩大，制造出荒坯，然后再通过预锻模、终锻模进行整体锻造。但是这种方法自由锻火次较多，坯料在胎模成形过程中存在局部无变形量现象、且制坯过程的控制性及稳定性较差，锻造生产周期长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大型整体框锻造模具的制备方法及挤压扩孔方法，提高大型整体框在锻造过程中的扩孔效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：大型整体框锻造模具的制备方法，所述锻造模具包括制坯模、预锻模和终锻模；包括以下步骤：
S1、根据锻件毛坯的形状和尺寸设计预锻件的形状和尺寸；所述预锻件包括预锻件本体，设置在预锻件本体内孔中的预锻件连皮，连接在预锻件本体与预锻件连皮之间的预锻件过渡部；其中，所述预锻件连皮在预锻件宽度方向的尺寸为L1，所述预锻件过渡部与预锻件本体连接的部位在预锻件宽度方向的尺寸为L2；
S2、根据预锻件的形状和尺寸设计制坯件的形状和尺寸；所述制坯件包括制坯件本体，设置在制坯件本体内孔中的制坯件连皮，连接在制坯件本体与制坯件连皮之间的制坯件过渡部；其中，所述制坯件过渡部与制坯件本体连接的部位在制坯件宽度方向的尺寸为L3；其中，L1＜L3＜L2；
S3、制备制坯模；所述制坯模型腔的形状和尺寸与所述制坯件的形状和尺寸相一致；
制备预锻模；所述预锻模型腔的形状和尺寸与去除预锻件连皮后的预锻件的形状和尺寸相一致；
制备终锻模；所述终锻模型腔的形状和尺寸与锻件毛坯的形状和尺寸相一致。
进一步的，
Figure BDA0003073469720000021
其中，
Figure BDA0003073469720000022
进一步的，
Figure BDA0003073469720000023
进一步的，所述预锻件过渡部的表面为弧面，且其半径为R1；其中，50mm≤R1≤120mm；所述制坯件过渡部的表面为弧面，且其半径为R2；其中，150mm≤R1≤350mm。
进一步的，所述制坯件过渡部与制坯件本体之间通过半径为r2的弧面过渡连接；其中，30mm≤r2≤60mm。
大型整体框挤压扩孔成形方法，包括以下步骤：
K1、采用大型整体框锻造模具的制备方法制备制坯模、预锻模和终锻模；
K2、将原始坯料通过制坯模锻造为制坯件；
K3、去除制坯件的制坯件连皮；
K4、将去除制坯件连皮的制坯件通过预锻模锻造为仅包括预锻件本体和预锻件过渡部的预锻件；
K5、将仅包括预锻件本体和预锻件过渡部的预锻件通过终锻模锻造为锻件毛坯。
进一步的，所述大型整体框的材质为TA15钛合金。
本发明的有益效果是：
1、采用本发明实施例提供的大型整体框锻造模具的制备方法制备的锻造模具对大型整体框进行锻造时，在预锻过程中：在压制前期阶段，可通过预锻模对制坯件过渡部产生一个水平分力，该水平分力挤压推动制坯件本体及制坯件过渡部快速向外侧移动，在压制后期阶段，再通过预锻模压薄制坯件过渡部进一步提供坯料，不仅实现整体框内孔的高效扩孔，而且可保证坯料充满预模锻的型腔。
2、本发明通过设置制坯件的尺寸小于预锻件的尺寸，可降低制坯件的水平投影面积，减小原始坯料的下料尺寸，降低内孔连皮、外廓飞边材料的消耗，进而提高了大型整体框材料的利用率，使得料工比控制在1.6-2.1，与现有技术相比，提高材料的利用率约15％-30％。
3、本发明的挤压扩孔方法，相对于现有的自由锻局部扩孔，提高了每火次锻造变形中坯料各部位的变形量及变形均匀性，也提高了锻造过程的可控性和一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是锻件毛坯的结构示意图；
图2是终锻模的剖面图；
图3是预锻件的结构示意图；
图4是图3中A-A剖视图；
图5是预锻模的剖面图；
图6是制坯件的结构示意图；
图7是图6中B-B剖视图；
图8是制坯模的剖面图；
图9是去除制坯件连皮的制坯件在预锻模内压制前期阶段的状态图。
图中附图标记为：1-制坯模，2-预锻模，3-终锻模，4-锻件毛坯，5-预锻件，6-制坯件，11-制坯上模，12-制坯下模，21-预锻上模，22-预锻下模，31-终锻上模，32-终锻下模，51-预锻件本体，52-预锻件连皮，53-预锻件过渡部，61-制坯件本体，62-制坯件连皮，63-制坯件过渡部。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
参见图1至图8，本发明实施例提供的大型整体框锻造模具的制备方法，所述锻造模具包括制坯模1、预锻模2和终锻模3；包括以下步骤：
S1、根据锻件毛坯4的形状和尺寸设计预锻件5的形状和尺寸；所述预锻件5包括预锻件本体51，设置在预锻件本体51内孔中的预锻件连皮52，连接在预锻件本体51与预锻件连皮52之间的预锻件过渡部53；其中，所述预锻件连皮52在预锻件宽度方向的尺寸为L1，所述预锻件过渡部53与预锻件本体51连接的部位在预锻件宽度方向的尺寸为L2；
S2、根据预锻件5的形状和尺寸设计制坯件6的形状和尺寸；所述制坯件6包括制坯件本体61，设置在制坯件本体61内孔中的制坯件连皮62，连接在制坯件本体61与制坯件连皮62之间的制坯件过渡部63；其中，所述制坯件过渡部63与制坯件本体61连接的部位在制坯件宽度方向的尺寸为L3；其中，L1＜L3＜L2；
S3、制备制坯模1；所述制坯模1型腔的形状和尺寸与所述制坯件6的形状和尺寸相一致；制备预锻模2；所述预锻模2型腔的形状和尺寸与去除预锻件连皮52后的预锻件5的形状和尺寸相一致；制备终锻模3；所述终锻模3型腔的形状和尺寸与锻件毛坯4的形状和尺寸相一致。
图1是锻件毛坯4的结构示意图。参见图1，所述锻件毛坯4是指用锻造的方法得到的化学成分和力学性能满足要求的零件毛坯，可以直接对其进行精加工。
图2是终锻模的剖面图。参见图2，所述终锻模3包括终锻上模31和终锻下模32，所述终锻上模31和终锻下模32之间形成的型腔的形状和尺寸与所述终锻毛坯4的形状和尺寸相一致。
根据锻件毛坯4的形状和尺寸，采用锻件毛坯计算法，将锻件毛坯4的截面面积加上飞边截面面积以得到预锻件本体51各截面成形所需的坯料体积，然后将预锻件本体51的内孔设计成预锻件连皮52，并将预锻件连皮52与预锻件本体51之间设计为过渡连接的预锻件过渡段53，这样就得到如图3所示的包括预锻件本体51、预锻件连皮52和预锻件过渡部53的预锻件5的形状和尺寸。
图4是图3中A-A剖视图。参见图4，图4中示出了预锻件5沿其宽度方向的剖面结构，图中以不同的剖面线表示预锻件本体51、预锻件连皮52和预锻件过渡部53的结构。其中，所述预锻件本体51的厚度为H1，所述预锻件连皮52的厚度小于预锻件本体51的厚度；所述预锻件过渡部53将预锻件本体51与预锻件连皮52过渡连接，所述预锻件过渡部53的厚度沿预锻件本体51至预锻件连皮52的方向逐渐减小。所述预锻件连皮52在预锻件宽度方向的尺寸为L1，所述预锻件过渡部53与预锻件本体51连接的部位在预锻件宽度方向的尺寸为L2；所述预锻件本体51的外轮廓在预锻件宽度方向的尺寸为L4。优选的，所述预锻件过渡部53的表面为弧面，且其半径为R1；其中，50mm≤R1≤120mm。所述预锻件过渡部53与预锻件本体51之间通过半径为r1的弧面过渡连接；其中，10mm≤r1≤20mm。
图5是预锻模的剖面图。参见图5，所述预锻模2包括预锻上模21和预锻下模22，所述预锻上模21和预锻下模22之间形成的型腔的形状和尺寸与去除预锻件连皮52后的预锻件5的形状和尺寸相一致。
根据预锻件5的形状和尺寸，采用预锻件计算法，将预锻件本体51的截面面积加上飞边截面面积以得到制坯件本体61各截面成形所需的坯料面积。然后将预锻件本体51的外轮廓和内孔均沿预锻件本体51的宽度方向向内缩小，同时增加预锻件本体51的厚度以得到制坯件本体61的形状和尺寸。然后将制坯件本体61的内孔设计成制坯件连皮62，并将制坯件连皮62与制坯件本体61之间设计为过渡连接的制坯件过渡部63，这样就得到如图6所述的包括制坯件本体61、制坯件连皮62和制坯件过渡部63的制坯件6的形状和尺寸。
图7是图6中B-B剖视图。参见图7，图7中示出了制坯件6沿其宽度方向的剖面结构，图中以不同的剖面线表示制坯件本体61、制坯件连皮62和制坯件过渡部63的结构。其中，所述制坯件本体61的厚度为H2，所述制坯件连皮62的厚度小于制坯件本体61的厚度；所述制坯件过渡部63将制坯件本体61与制坯件连皮62过渡连接，所述制坯件过渡部63的厚度沿制坯件本体61至制坯件连皮62的方向逐渐减小。其中，H1＜H2。优选的，H2＝H1+10～40mm。所述制坯件过渡部63与制坯件本体61连接的部位在制坯件宽度方向的尺寸为L3；其中，L1＜L3＜L2。所述制坯件连皮62在制坯件宽度方向的尺寸为L5，所述制坯件本体61的外轮廓在制坯件宽度方向的尺寸为L6。优选的，L5＜L1，L2＜L6＜L4。优选的，L4＝L6+60～120mm。优选的，所述制坯件过渡部63的表面为弧面，且其半径为R2；其中，150mm≤R1≤350mm。所述制坯件过渡部63与制坯件本体61之间通过半径为r2的弧面过渡连接；其中，30mm≤r2≤60mm。
图8是制坯模的剖面图。参见图8，所述制坯模1包括制坯上模11和制坯下模12，所述制坯上模11和制坯下模12之间形成的型腔的形状和尺寸与所述制坯件6的形状和尺寸相一致。
当采用本发明实施例提供的大型整体框锻造模具的制备方法制备的锻造模具对大型整体框进行锻造时，在预锻过程中：压制前期阶段，可通过预锻模2对制坯件过渡部63产生一个侧向水平分力F1，该水平分力F1挤压推动制坯件本体61及制坯件过渡部63快速向外侧移动，在压制后期阶段，再通过预锻模2压薄制坯件过渡部63进一步提供坯料，不仅实现整体框内孔的高效扩孔，而且可保证坯料充满预模锻2的型腔。
例如，现有一大型整体框，材质为TA15钛合金；锻件毛坯4的形状如图1所示，锻件毛坯4的外形轮廓为3700×1500×260mm，重量约900kg。该大型整体框挤压扩孔成形方法，包括以下步骤：
K1、采用本发明实施例提供的大型整体框锻造模具的制备方法制备制坯模1、预锻模2和终锻模3各一套。
K2、将TA15钛合金板坯加热至960℃，然后放入制坯模1中，在800MN模锻压机上进行1-2火次锻造制坯锻，得到制坯件6。
K3、去除制坯件6的外轮廓飞边、以及制坯件连皮62。
K4、将去除制坯件连皮62的制坯件6加热至960℃，然后放入预锻模2中，在800MN模锻压机上进行1个火次预锻；得到仅包括预锻件本体51和预锻件过渡部53的预锻件5。参见图9，当预锻上模21接触制坯件6的制坯件过渡部63时，在压制初始阶段，就会产生侧向水平分力F1，该水平分力F1挤压推动制坯件本体61及制坯件过渡部63快速向外侧移动，在压制后期阶段，再通过压薄制坯件过渡部63进一步提供坯料，不仅高效扩孔，而且可保证坯料充满预模锻2的型腔。
K5、将仅包括预锻件本体51和预锻件过渡部53的预锻件5加热至960℃，然后放入终锻模3中，在800MN模锻压机上进行1个火次终锻，去除内外轮廓飞边后得到锻件毛坯4。
在预锻过程中的压制前期阶段，为了保证预锻模2对制坯件过渡部63产生较大的水平分力F1，优选的，
Figure BDA0003073469720000061
其中，
Figure BDA0003073469720000062
优选的，
Figure BDA0003073469720000063
本发明通过设置制坯件6的尺寸小于预锻件5的尺寸，可降低制坯件6的水平投影面积，减小原始坯料的下料尺寸，降低内孔连皮、外廓飞边材料的消耗，进而提高了大型整体框材料的利用率，使得料工比控制在1.6-2.1，与现有技术相比，提高材料的利用率约15％-30％。
本发明的挤压扩孔方法，相对于现有的自由锻局部扩孔，提高了每火次锻造变形中坯料各部位的变形量及变形均匀性，也提高了锻造过程的可控性和一致性。
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 (7)

1.大型整体框锻造模具的制备方法，所述锻造模具包括制坯模(1)、预锻模(2)和终锻模(3)；其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据锻件毛坯(4)的形状和尺寸设计预锻件(5)的形状和尺寸；所述预锻件(5)包括预锻件本体(51)，设置在预锻件本体(51)内孔中的预锻件连皮(52)，连接在预锻件本体(51)与预锻件连皮(52)之间的预锻件过渡部(53)；其中，所述预锻件连皮(52)在预锻件宽度方向的尺寸为L1，所述预锻件过渡部(53)与预锻件本体(51)连接的部位在预锻件宽度方向的尺寸为L2；
S2、根据预锻件(5)的形状和尺寸设计制坯件(6)的形状和尺寸；所述制坯件(6)包括制坯件本体(61)，设置在制坯件本体(61)内孔中的制坯件连皮(62)，连接在制坯件本体(61)与制坯件连皮(62)之间的制坯件过渡部(63)；其中，所述制坯件过渡部(63)与制坯件本体(61)连接的部位在制坯件宽度方向的尺寸为L3；其中，L1＜L3＜L2；
S3、制备制坯模(1)；所述制坯模(1)型腔的形状和尺寸与所述制坯件(6)的形状和尺寸相一致；
制备预锻模(2)；所述预锻模(2)型腔的形状和尺寸与去除预锻件连皮(52)后的预锻件(5)的形状和尺寸相一致；
制备终锻模(3)；所述终锻模(3)型腔的形状和尺寸与锻件毛坯(4)的形状和尺寸相一致。
2.根据权利要求1所述的大型整体框锻造模具的制备方法，其特征在于，
Figure FDA0003073469710000011
Figure FDA0003073469710000012
其中，
Figure FDA0003073469710000013
3.根据权利要求2所述的大型整体框锻造模具的制备方法，其特征在于，
Figure FDA0003073469710000014
4.根据权利要求1所述的大型整体框锻造模具的制备方法，其特征在于，所述预锻件过渡部(53)的表面为弧面，且其半径为R1；其中，50mm≤R1≤120mm；所述制坯件过渡部(63)的表面为弧面，且其半径为R2；其中，150mm≤R1≤350mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的大型整体框锻造模具的制备方法，其特征在于，所述制坯件过渡部(63)与制坯件本体(61)之间通过半径为r2的弧面过渡连接；其中，30mm≤r2≤60mm。
6.大型整体框挤压扩孔成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
K1、采用如权利要求1-5中任一项所述的大型整体框锻造模具的制备方法制备制坯模(1)、预锻模(2)和终锻模(3)；
K2、将原始坯料通过制坯模(1)锻造为制坯件(6)；
K3、去除制坯件(6)的制坯件连皮(62)；
K4、将去除制坯件连皮(62)的制坯件(6)通过预锻模(2)锻造为仅包括预锻件本体(51)和预锻件过渡部(53)的预锻件(5)；
K5、将仅包括预锻件本体(51)和预锻件过渡部(53)的预锻件(5)通过终锻模(3)锻造为锻件毛坯(4)。
7.根据权利要求6所述的大型整体框挤压扩孔成形方法，其特征在于，所述大型整体框的材质为TA15钛合金。
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