CN114160730B - 一种大尺寸变截面gh4169合金动力涡轮后轴锻件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温合金热加工技术领域，涉及一种大尺寸变截面GH4169合金动力涡轮后轴锻件的制造方法。本申请通过设计合理工装及设计简单的挤压小截面杆部+局部挤压大截面头部技术工艺路线对坯料进行模锻成形，实现了降低模锻成形压力、提高材料利用率，稳定锻件组织性能，提高生产效率进而最终降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明属于高温合金热加工技术领域，涉及一种大尺寸变截面GH4169合金动力涡轮后轴锻件的的制造方法。
背景技术
GH4169合金是一种以体心四方的γ＂和面心立方的γ＇相沉淀强化的镍基高温合金，主要应用于航空航天发动机的关键承力零件，这些关键承力零件制造时所用的锻件对性能有着很高的要求，大尺寸变截面动力涡轮后轴锻件(轮廓尺寸)一般采用“降镦比镦粗+约束镦粗+拔长杆部+机加荒型+模具镦头”的成形方法，采用这种成形方法生产此类锻件材料消耗较大，工序多且复杂，同时该锻件纵截面厚度差异较大，锻件大头较厚截面成形非常困难，锻件小头杆部不变形影响锻件组织均匀性，特别是对于大尺寸变截面涡轮后轴锻件需要4万吨以上设备才能满足锻造成形要求。
发明内容
发明目的：提供一种大尺寸变截面GH4169合金动力涡轮后轴锻件的制造方法，以利用小吨位油压机高效快捷的实现大尺寸异型截面GH4169合金动力涡轮后轴锻件的高质量加工。
本发明的技术方案是：
一种大尺寸变截面GH4169合金动力涡轮后轴锻件的制造方法，包括：
在直径的坯料下端面机加W°定位斜面；
将加热炉炉底板上放置一块厚为40～80mm的45#钢板，将加热炉升温至1020℃～1040℃后直接将坯料竖立放置在45#钢板上进行加热，坯料加热时间系数按照执行；
通过螺栓将导向模和阴模固定并放置在下模座上，将冲头固定在设备上模座上形成组合模具，将组合模具通过电磁感应预热至400～500℃，预热时间为5～10h，对预热后型腔喷涂石墨基润滑剂，其中，导向模中加工有导向型腔和锻件第一头部型腔，在阴模中加工有锻件杆部型腔和锻件第二头部型腔，其中，第一头部型腔和锻件第二头部型腔组成锻件头部型腔；
从加热炉取出保温到时后的坯料放进组合模具型腔内，在100MN油压机上对冲头施加压力F，垂直挤压速度为5～10mm/s，第一工步压至欠压量δ为10～15mm，挤压出锻件杆部，第二工步压靠成形，最终制出锻件。
进一步地，还包括：对锻件进行950～980℃固溶处理，保温时间60±10min。
进一步地，还包括：对锻件进行720℃保温8h后炉冷至650℃，保温8h，空冷。
进一步地，冲头的杆部直径冲头端部设置有导向锥面。
进一步地，导向型腔直径
进一步地，冲头、导向模、阴模均为H13模具材料，硬度均为50～55HRC。
进一步地，阴模的锻件杆部型腔的与和锻件第二头部型腔的连接处设置有10～20mm的挤压工作带。
进一步地，锻件头部直径ΦB与冲头的杆部直径满足A≈0.5～0.8B。
本发明的有益效果是：
针对GH4169合金大尺寸变截面涡轮后轴锻件，传统采用“降镦比镦粗+约束镦粗+拔长杆部+机加荒型+模具镦头”的制造方法，因坯料大头投影面积大，坯料杆部尺寸长，采用传统技术工艺方法设备吨位无法同时满足坯料大头及杆部成形压力要求，且需多火次中间坯料成形，坯料杆部最后一工步只进行空烧加热，没有变形，杆部组织力学性能较差。
本发明通过设计合理工装及设计简单的挤压小截面杆部+局部挤压大截面头部技术工艺路线对坯料进行模锻成形，可以实现降低模锻成形压力、提高材料利用率，稳定锻件组织性能，提高生产效率进而最终降低了制造成本。
附图说明
图1分体式模具示意图；
图2坯料机加定位面示意图；
图3摆料示意图；
图4第一工步工作示意图；
图5第二工步工作示意图；
图6是锻件示意图。
其中，冲头1、导向模2、螺栓3、阴模4、下模座5、上模座6、坯料7。
具体实施方式
针对如图6所示的锻件，因其锻件投影面积接近0.5m2，采用传统工艺制造需要油压机设备吨位至少为300MN，公司没有该类大型模锻设备；
该类锻件传统制造方法步骤为：下料—机加倒角—坯料加热—降镦比镦饼—滚圆—拔长杆部—机加荒型—坯料加热—模锻—热处理，所需工序多，能耗大，生产效率低；
另外，采用传统制造方法生产锻件由于最终模锻时，小截面杆部为空烧加热不变形状态，只有大截面头部进行变形，造成锻件最终组织晶粒度明显不均匀，进而最终影响锻件使用性能；
采用传统制造方法所需模具为整体式结构，模具整体消耗成本大；
为解决以上几种问题，本发明一种简洁的制造方法，利用公司现有100MN锻造设备，采用挤压小截面杆部+局部挤压大截面头部主导工艺路线，使用较低模具制造成本及设计方式，方便高效的实现了大尺寸变截面GH4169合金动力涡轮后轴锻件的生产制造，大大提高了锻件整体组织性能的均匀性，可以实现在100MN油压机上高效快捷的实现大尺寸异型截面GH4169合金动力涡轮后轴锻件的节材降耗目标。
采用分体式模具设计(示意见图1)：冲头1的杆部直径冲头1端部设置有导向锥面，在导向模2中加工有导向型腔和锻件第一头部型腔，导向型腔直径/>在阴模4中加工有锻件杆部型腔和锻件第二头部型腔，其中，第一头部型腔和锻件第二头部型腔组成锻件头部型腔。通过螺栓3将2、4进行组合连接。直接采购合格的棒材，减去制造过程中的降镦比、拔长及机加荒型工序，并通过将坯料放入分体式组合模具中在100MN油压机上采取正向挤压锻件杆部+局部挤压锻件大截面头部的工艺方法，所需最大压力不超过100MN，最终制造出组织性能均匀的锻件。
依次按照以下步骤进行：加工专用分体式模具—下料—坯料机加—坯料加热—组合分体式模具—挤压小截面杆部和大截面头部—卸螺栓取料—热处理。
具体包括如下步骤：
步骤1采用3块H13模具材料，模具硬度均为50～55HRC，使用高速铣床分别加工出如图1所示冲头1、导向模2及阴模4。其中，冲头1工作部分加工直径为导向模2加工直径为/>为避免锻件反向毛刺出现，保证导向模2型腔直径为/>阴模4上加工出最终锻件型腔，其中/>为锻件大头直径，/>为锻件杆部直径，h1、h2分别为大头及杆部高度，h3为挤压工作带，h3≈10～20mm,A≈0.5～0.8B，通过设计合理的挤压工作带及挤压比可对锻件施加三向压应力，进而保证锻件杆部受力均匀及锻件杆部变形量，与传统杆部没有变形相比，可增加锻件整体变形均匀性；所有模具型腔表面粗糙度为Ra0.8～Ra1.6，通过设计合理的模具型腔表面粗糙度可以有效提高锻件表面质量；
步骤2对阴模4中的挤压工作带进行渗氮处理，渗氮退火温度300～400℃，渗氮层厚度为0.5～0.8mm,提高挤压带工作寿命和润滑性，降低锻件杆部表面拉伤；
步骤3采用锯床及车床下料并机加倒圆至R5～R10；
步骤4为提高摆料稳定性，在坯料下端面机加W°定位斜面；
步骤5与传统通常采用台阶式加热锻件，生产能耗大，此步骤采取到温装炉方式加热坯料，可有效降低能耗；将加热炉炉底板放上一块厚为40～80mm的45#钢板，将加热炉升温至1020℃～1040℃后直接将坯料竖立放置45#钢板进行加热，坯料放置间距100～150mm，可防止加热炉炉底板局部温度骤升影响锻件组织，同时竖立加热可保证锻件四周受热均匀进而提高坯料加热温度均匀性，坯料加热时间系数按照执行，保证坯料完全热透；
步骤6组合分体式模具，将阴模4放置100MN设备模座上，通过螺栓3将导向模2固定在阴模4上并放置下模座5上，将冲头1固定在设备上模座6。将组合模具通过电磁感应预热至400～500℃，预热时间为5～10h，对预热后型腔喷涂石墨基润滑剂；
步骤7从箱式加热炉取出保温到时后的坯料7放进组合模具型腔内，在100MN油压机上对1施加压力F，工作方式如图3。设置垂直挤压速度为5～10mm/s，第一工步压至欠压量δ为10～15mm，设置最大压力80MN，挤压出锻件杆部如图4所示中的8，第一工步完成后抬锤5～10s，可有效降低锻件变形过程心部过热，让锻件心部散热较为均匀；再进行第二工步压制，设置最大压力100MN，因第二工步锻件需要压制力接近设备最大吨位，设置垂直挤压速度为2～6mm/s，降低变形速度可有效降低压制吨位，同时利于锻件动态再结晶，保证组织均匀形态，第二工步压靠成形如图5中的9，终锻温度≥900℃，松开螺栓，用机械手取出锻件，迅速转移放入冷却水槽进行水冷，转移时间≤40s，冷却后，将锻件放入专用工装平躺放置，1火完成，最终制出锻件；
步骤8将坯料在箱式电阻炉进行950～980℃固溶处理，保温时间60±10min；
步骤9将坯料在箱式电阻炉进行720℃保温8h后炉冷至650℃，保温8h，空冷。
下面通过具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明所述的GH4169合金大尺寸变截面动力涡轮后轴锻件，如图6所示，外径杆部直径/>锻件总高841mm，锻件净重570Kg。
其制造步骤详细如下：
1、采用4块H13模具材料，模具硬度均为50HRC，使用高速铣床分别加工出如图1所示冲头1、导向模2及阴模4。其中，冲头1工作部分加工直径为导向模2加工直径为阴模4上加工出最终锻件型腔，挤压工作带，h3＝15mm；所有模具型腔表面粗糙度为Ra0.8～Ra1.6；
2、对阴模4中的挤压工作带进行渗氮处理，渗氮退火温度选择300℃，渗氮层厚度为0.6mm；
3、采用锯床及车床下料并机加倒圆至R10；
4、在坯料下端面机加30°定位斜面，如图2所示；
5、采取到温装炉方式加热坯料，将箱式电阻加热炉炉底板放上一块厚为80mm的45#钢板，将加热炉升温至1040℃后直接将坯料竖立放置45#钢板进行加热，坯料放置间距100～150mm，加热时间为600min；
6、组合分体式模具，如图1所示，将组合模具通过电磁感应预热至450℃，预热时间为8h，对预热后型腔喷涂石墨基润滑剂；
7、从箱式电阻加热炉中取出保温到时后的坯料7放进组合模具型腔内，在100MN油压机上对1施加压力F，工作方式如图3。设置垂直挤压速度为10mm/s，设置最大压力80MN，第一工步压至欠压量δ为12mm，挤压出锻件杆部如图4所示中的8，第一工步完成后抬锤5～10s，再进行第二工步压制，设置最大压力100MN，设置垂直挤压速度为2～6mm/s，第二工步压靠成形如图5中的9，终锻温度≥900℃，松开螺栓，用机械手取出锻件，迅速转移放入冷却水槽进行水冷，转移时间≤40s，冷却后，将锻件放入专用工装平躺放置，1火完成，最终制出锻件；
8、将坯料在箱式电阻炉进行980℃固溶处理，保温时间60±10min；
9、将坯料在箱式电阻炉进行720℃保温8h后炉冷至650℃，保温8h，空冷。该技术工艺制造的锻件成形性良好，通过设计合理工装及设计简单的技术工艺路线对坯料进行模锻成形，传统工艺路线锻造需要至少300MN压力才能实现锻件成形，而本发明只需100MN压力即可实现该锻件大头及杆部挤压成形，提高了材料利用率，稳定锻件组织性能，提高了生产效率进而最终降低了制造成本。
Claims (5)
1.一种大尺寸变截面GH4169合金动力涡轮后轴锻件的制造方法，其特征在于，包括：
在直径φD mm的坯料下端面机加W°定位斜面；
将加热炉炉底板上放置一块厚为40～80mm的45#钢板，将加热炉升温至1020℃～1040℃后直接将坯料竖立放置在45#钢板上进行加热，坯料加热时间系数按照(1.5～2.0)×φDmin执行；
通过螺栓将导向模和阴模固定并放置在下模座上，将冲头固定在设备上模座上形成组合模具，将组合模具通过电磁感应预热至400～500℃，预热时间为5～10h，对预热后型腔喷涂石墨基润滑剂，其中，导向模中加工有导向型腔和锻件第一头部型腔，在阴模中加工有锻件杆部型腔和锻件第二头部型腔，其中，第一头部型腔和锻件第二头部型腔组成锻件头部型腔；
从加热炉取出保温到时后的坯料放进组合模具型腔内，在100MN油压机上对冲头施加压力F，垂直挤压速度为5～10mm/s，第一工步压至欠压量δ为10～15mm，挤压出锻件杆部，第二工步压靠成形，最终制出锻件；
其中，冲头的杆部直径φA mm，冲头端部设置有导向锥面，导向型腔直径φA+1mm，锻件头部直径ΦB mm与冲头的杆部直径φAmm满足A≈0.5～0.8B。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对锻件进行950～980℃固溶处理，保温时间60±10min。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：对锻件进行720℃保温8h后炉冷至650℃，保温8h，空冷。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冲头、导向模、阴模均为H13模具材料，硬度均为50～55HRC。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，阴模的锻件杆部型腔的与和锻件第二头部型腔的连接处设置有10～20mm的挤压工作带。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |