CN113319234B - 一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具及成形方法 - Google Patents

一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具及成形方法 Download PDF

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Abstract

一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具及成形方法，所述成形方法包含：一、有限元模拟；二、设计并组装等温锻造模具，在下模的端面上固定用于放置坯料的垫高套，将制坯活块与上模的压头固接，且制坯活块与坯料的接触面均为平面；三、准备原始坯料；四、制坯，将步骤三制作的原始坯料放置于步骤二的垫高套上，得到具有弯曲弧度的坯料；五、模具结构调整，获得用于带凸耳铝合金端框锻件锻造的模具；六、模锻，使用终锻模具对得到的带有凸耳的坯料进行模锻，获得带凸耳铝合金端框锻件。本发明通过设计制坯活块进而改变制坯时金属流动方向，使金属向底部型腔聚集，成形出良好的坯料，降低了成形成本。

Description

一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具及成形方法
技术领域
本发明涉及精密锻造领域，具体涉及一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具及成形方法。
背景技术
铝合金由于密度小、比强度高和加工性能优良等优点，广泛应用于航空航天和军工设备的主承力结构件。其中5A06铝合金具有较高的强度和腐蚀稳定性，采用5A06铝合金制造的带凸耳铝合金端框是航空航天领域的重要承载构件。典型带凸耳铝合金端框锻件如图1 所示，该类锻件尺寸较大，长度530mm，宽度230mm，厚度115mm，且存在较大弧度，锻件内轮廓接近半圆形，各部位的横截面面积也存在很大变化，最大横截面与最小横截面面积比约为3：1，零件内分布有三个凸耳，由于以上特征这类锻件精密模锻成形难度大。
该类锻件作为承载构件有较高的疲劳性能要求，而合理的流线分布可以提高锻件的服役寿命，该类锻件流线要求较高，要求成形后的模锻件流线严格按外形分布。若采用机械加工方式生产铝合金端框锻件，会切断流线，采用厚板为坯料经模锻成形得到铝合金端框锻件，一般均存在流线露头。为了得到高强度且流线分布合理的锻件，需选用挤压棒料成形此类锻件，挤压棒料与该类锻件最终外形和尺寸差别较大，不能直接用作终锻模具的预锻料。挤压棒料在模锻前应通过制坯工艺预分料，否则坯料难以放入模膛，会使大量金属外流，降低材料利用率，甚至使锻件产生充不满缺陷，如图2和图3所示。为了确保锻件的尺寸精度和生产效率，不能采用自由锻工艺进行制坯，自由锻工艺在成形此类锻件时很难精准控制坯料分料，难以达到预制坯要求，因此，往往需在终锻模具以外另开发数套制坯模具。
热成形模具需采用热作模具钢，且制造过程中需经历锻造，粗加工，热处理，精加工多道工序，其制造价格较为昂贵，大大增加了锻件的生产成本，也延长了锻件的生产周期。航空航天锻件生产属于小批量性质，因此可通过改进模具及成形方法降低锻件的生产成本。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具及成形方法，以解决带凸耳铝合金端框锻件生产过程中独立设计多套制坯模具和终锻模具，造成锻件难以精密成形，小批量制造生产成本大幅提高的问题。
本发明的技术方案是：
一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具，所述一体化模具包含终锻模具，终锻模具包含上模和下模；其特征在于：还包含制坯模具，所述制坯模具包含终锻模具、制坯活块和垫高套，下模的端面上可拆卸连接有用于放置坯料的垫高套，制坯活块与上模的压头可拆卸连接，且制坯活块与坯料的接触面均为平面，制坯活块接触面的尺寸大于上模的压头与坯料接触面的尺寸。
一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，包含如下步骤：
一、有限元模拟，优化模具结构和原始坯料；
二、设计并组装等温锻造模具，在下模的端面上固定用于放置坯料的垫高套，将制坯活块与上模的压头固接，且制坯活块与坯料的接触面均为平面，制坯活块接触面的尺寸大于上模的压头与坯料接触面的尺寸；
三、准备原始坯料，初步检查原始的铝合金挤压棒材，切割下料，车掉外皮粗晶环，获得原始坯料；
四、制坯，将步骤三制作的原始坯料放置于步骤二的垫高套上，原始坯料在上模和制坯活块的作用下发生弯曲，至原始坯料刚好接触下模的型腔底部，得到具有弯曲弧度的坯料；
五、模具结构调整，步骤四完成后，拆卸制坯活块和垫高套，并封闭下模上用于连接垫高套的孔，获得用于带凸耳铝合金端框锻件锻造的终锻模具；
六、模锻，使用终锻模具对制坯得到的坯料进行模锻，终锻至合模，使坯料完全充满型腔，获得带凸耳铝合金端框锻件。
本发明相比现有技术的有益效果是：本发明在原有终锻模具的基础上可拆卸地设置用于制坯的制坯活块和垫高套，形成一体化方式设计等温锻造制坯模具，达到仅通过简单调整就可以完成制坯和模锻两步锻造工序的目的，降低成本的同时，节约了制坯模具的设计生产时间。通过简单调整模具实现制坯锻造一体化，相比传统热锻造成形方法更灵活方便，避免了在锻造设备上多次安装拆卸模具，提高了锻件生产效率。通过设计制坯活块进而改变制坯时金属流动方向，使金属向底部型腔聚集，从而解决锻件充不满的问题。通过在终锻模具上设计法兰结构，控制模锻时金属的流动方向，使锻件充填良好的同时仅产生少量飞边，使传统等温锻造材料利用率接近闭式模锻。
附图说明
图1为一种带凸耳铝合金端框锻件仿真示意图；
图2为未通过制坯预分料产生锻件充不满模拟图；
图3为未通过制坯预分料产生锻件充不满结果图；
图4为本发明配有制坯活块和垫高套的制坯模具示意图；
图5为垫高套的示意图；
图6为未精确设计制坯活块的金属流动示意图；
图7为制坯活块的示意图；
图8为精确设计制坯活块后金属流动示意图；
图9为采用制坯活块和垫高套得到的锻件充填良好模拟图；
图10为原始坯料的示意图；
图11为未采用制坯活块和垫高套成形制坯不到位示意图；
图12为采用制坯活块和垫高套获得的坯料；
图13为终锻模具示意图；
图14为模锻金属流动示意图；
图15为终锻件。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方案来进一步说明本发明的技术方案：
如图1和图4所示，本实施方式的一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具，所述一体化模具包含终锻模具，终锻模具包含上模和下模；还包含制坯模具，所述制坯模具包含终锻模具、制坯活块和垫高套，下模的端面上可拆卸连接有用于放置坯料的垫高套，制坯活块与上模的压头可拆卸连接，且制坯活块与坯料的接触面均为平面，制坯活块接触面的尺寸大于上模的压头与坯料接触面的尺寸。在原有终锻模具的基础上可拆卸地设置用于制坯的制坯活块和垫高套，形成一体化方式设计等温锻造制坯模具，达到仅通过简单调整就可以完成制坯和模锻两步锻造工序的目的，降低成本的同时，节约了制坯模具的设计生产时间。
如图1、图4-图15所示，另一个实施方式还提供一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，包含如下步骤：
一、有限元模拟，优化模具结构和原始坯料；
二、设计并组装等温锻造模具，在下模2的端面上固定用于放置坯料的垫高套4，垫高套4的结构，如图5所示，中间具有一能使坯料通过的通孔，整体外形为矩形，将制坯活块3与上模1的压头固接，且制坯活块3与坯料5的接触面均为平面，制坯活块3接触面的尺寸大于上模1的压头与坯料5接触面的尺寸；
在终锻模具的基础上设计一个图5所示的垫高套，用于增加型腔深度，防止由于坯料在未弯曲至合适尺寸时接触型腔底部导致的坯料形状不合格。下模2设计有装配凹槽，用于垫高套4的定位，并采用沉头螺栓连接。在终锻模具的基础上设计制坯活块3，用于为了增加凸模长度，保证坯料弯曲能够弯曲至合适弧度。制坯活块3与终锻模具上模1的形状不相同，尺寸应大于终锻模具的上模1的压头，且与坯料5接触面为平面，才能控制坯料在制坯过程中向型腔内流动，保证弯曲形状贴近最终锻件。若未精确设计制坯活块3的尺寸和形状，坯料在弯曲至下模2的型腔底部后，金属会向上流动，不能达到预分料的效果，如图6所示。通过优化获得的制坯活块3的结构如图7所示，采用该形状及相应尺寸的制坯活块3与垫高套4可以改变金属的流动方向，使金属向型腔内聚集，如图8所示。制坯活块3通过固定板与上模1的压头连接，采用沉头螺栓方便组装和拆卸。经过数值模拟仿真，装配了制坯活块3和垫高套4的终锻模具可以完成制坯工序，获得的坯料可以在后续锻造中获得充填良好的锻件，如图9所示；
三、准备原始坯料，初步检查原始的铝合金挤压棒材，切割下料，车掉外皮粗晶环，获得原始坯料；原始坯料结构如图10所示，切割下料可采取锯床实现；
四、制坯，将步骤三制作的原始坯料放置于步骤二的垫高套上，原始坯料在上模1和制坯活块3的作用下发生弯曲，至原始坯料刚好接触下模2的型腔底部，得到具有弯曲弧度的坯料；制坯时的难点在于在模具闭合间隙接近坯料高度前需将棒料弯曲到位并完全收拢进型腔内，若未采用制坯活块3和垫高套4，或制坯活块3和垫高套4的设计不合理，会导致两侧金属受模具压力镦粗，无法向型腔内流动，如图11所示。为解决此问题必须采用精确设计的制坯活块3和垫高套4，装配如图4所示，让坯料在模具的作用下发生弯曲，至坯料刚好接触下模2的型腔底部，得到弯曲弧度符合要求的坯料，如图12所示。
可选地，制坯时采用电阻丝加热模具，温度区间为400-440℃；
五、模具结构调整，步骤四完成后，拆卸制坯活块3和垫高套4，并封闭下模2上用于连接垫高套的孔，获得用于带凸耳铝合金端框锻件锻造的模具；如图13所示；
六、模锻，使用上述终锻模具对制坯得到的坯料进行模锻，终锻至合模，使坯料完全充满型腔，获得带凸耳铝合金端框锻件。终锻模具针对上述制坯工艺获得的坯料设计，带有法兰结构，可以使金属向型腔内填充，利用反挤成形，如图14所示，仅产生少量的飞边，接近闭式模锻，保证锻件充满且提高了材料的利用率。
另外，模锻包含预锻工序和终锻工序，预锻工序中，预锻温度区间为380-430℃，压下量到模具闭合高度剩余6-10mm得到预锻件，对预锻件进行修伤后进行终锻得到最终带凸耳铝合金端框锻件。
可选地，终锻工序的温度区间为350-400℃。最终获得的带凸耳铝合金端框锻件如图 15所示。
上述实施方案中，所述铝合金端框是5A06铝合金。采用deform软件进行有限元模拟，以优化模具结构和原始坯料。
可选地，下模2的端面上加工有定位垫高套的凹槽，凹槽的深度为10-15mm，垫高套4 的高度为50-100mm。
采用该方法获得的锻件充填良好，低倍检查及超声探伤无缺陷，流线良好。经计算统计，上述实施方式中模具使用5CrNiMo材料2.14吨，若未采用单独制造制坯模具和终锻模具，则需要材料3.91吨，此实施方式生产的带凸耳铝合金端框锻件可节省45.3％模具材料费，并节省了制坯模具的设计及制造时间。说明采用此方法成形带凸耳铝合金端框锻件是可行的，可以有效减少模具制造费用，降低锻件生产成本，并提高此类锻件的生产效率。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化模具，所述一体化模具包含终锻模具，终锻模具包含上模和下模；其特征在于：还包含制坯模具，所述制坯模具包含终锻模具、制坯活块和垫高套，下模的端面上可拆卸连接有用于放置坯料的垫高套，制坯活块与上模的压头可拆卸连接，且制坯活块与坯料的接触面均为平面，制坯活块接触面的尺寸大于上模的压头与坯料接触面的尺寸。
2.一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：包含如下步骤：
一、有限元模拟，优化模具结构和原始坯料；
二、设计并组装等温锻造模具，在下模的端面上固定用于放置坯料的垫高套，将制坯活块与上模的压头固接，且制坯活块与坯料的接触面均为平面，制坯活块接触面的尺寸大于上模的压头与坯料接触面的尺寸；
三、准备原始坯料，初步检查原始的铝合金挤压棒材，切割下料，车掉外皮粗晶环，获得原始坯料；
四、制坯，将步骤三制作的原始坯料放置于步骤二的垫高套上，原始坯料在上模和制坯活块的作用下发生弯曲，至原始坯料刚好接触下模的型腔底部，得到具有弯曲弧度的坯料；
五、模具结构调整，步骤四完成后，拆卸制坯活块和垫高套，并封闭下模上用于连接垫高套的孔，获得用于带凸耳铝合金端框锻件锻造的终锻模具；
六、模锻，使用终锻模具对制坯得到的坯料进行模锻，终锻至合模，使坯料完全充满型腔，获得带凸耳铝合金端框锻件。
3.根据权利要求2所述一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：所述铝合金端框为5A06铝合金。
4.根据权利要求2或3所述一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：制坯时模具温度为400℃-440℃。
5.根据权利要求4所述一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：制坯时采用电阻丝加热模具。
6.根据权利要求2或5所述一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：所述模锻包含预锻工序和终锻工序；预锻工序中，预锻温度区间为380-430℃，压下量到模具闭合高度剩余6-10mm得到预锻件，对预锻件进行修伤后进行终锻工序得到最终带凸耳铝合金端框锻件。
7.根据权利要求6所述一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：终锻工序的温度区间为350-400℃。
8.根据权利要求2所述一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：采用deform软件进行有限元模拟。
9.根据权利要求2所述一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：所述模具材质为5CrNiMo材料。
10.根据权利要求2或7所述一种带凸耳铝合金端框制坯终锻一体化成形方法，其特征在于：下模的端面上加工有定位垫高套的凹槽，凹槽的深度为10-15mm，垫高套的高度为50-100mm。
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