CN114367613A - 一种z形ti6al4v合金环件成型方法 - Google Patents

一种z形ti6al4v合金环件成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及截面为Z形的环件锻压成型技术领域，具体公开了一种Z形TI6AL4V合金环件成型方法，包括如下步骤：对环坯成型模具进行设计加工后，进行下料墩粗、冲孔、马架扩孔、预轧，预轧后利用封闭式预成型组合模具对环件进行预成型，完成环件大头成型并实现环件精确分料；预成型后利用封闭式成型模具对环件进行轧制成型；本发明通过对环件体积计算，设计封闭式组合模具及其轧制方法，实现环件精确分料；消除了锻件成型填充不满、毛边折叠、踏角等锻造缺陷；提高了环件尺寸的一致性，提高锻件合格率和生产稳定性，且操作简单。

Description

一种Z形TI6AL4V合金环件成型方法
技术领域
本发明涉及一种Z形TI6AL4V合金环件的锻压成型方法。
背景技术
如图6所示，为锻件的结构图，锻件材料为Ti6Al4V合金，加热温度为950℃，为两相区锻造温度；锻件最小内径尺寸在φ250-φ500mm 之间，从锻件截面形状看，截面差异大，导致锻件体积差异较大。从图7中的体积分布看，锻件中间V2体积最小，其大直径端V3处设置有内法兰，其体积最大约为中间V2处的2.5倍；小直径端V1处设置有外法兰，其体积约为中间V2处的两倍；较大的体积差异增加了小型锻件成型的难度，需在锻件成型前对坯料进行精确的分配。传统工艺有两种工艺方案：1、异形轧制分料，2、使用传统胎模分料。对比两种工艺方案缺点如下：
1异形轧制分料：
对于锻件内径在φ250-φ500mm的小型环锻件，若使用轧制过程对锻件进行分料，因锻件尺寸小，锻件变形量小，无法满足上述锻件的分料工作，导致锻件填充不满，锻件尺寸无法满足要求。
2使用传统胎模分料：
若使用传统的胎模进行分料，因为是开式胎模，坯料壁厚薄，高度高，在预成型冲头向下运动过程中对坯料存在镦粗作用，使下端坯料大于V3，下端面产生毛边，上端面因锤砧接触面积大，作用于坯料压力小，且上端坯料向下运动导致上端局部填充不满；故通过该操作容易出现两端坯料存在分配不均匀现象，且锻件成型后容易出现局部填充不满、折叠毛边等缺陷。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种Z形TI6AL4V合金环件的锻压成型方法及其成型模具。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种Z形TI6AL4V合金环件的成型方法，其方法为：
1)根据环件的体积及其坯料分料区域设计封闭式组合模具，其封闭式组合模具包括预成型模具和终轧成型模具；
2)下料后将坯料镦粗、冲孔并使用马架扩孔获得第一坯料；
3)掰斜，使用带斜度冲头对第一坯料进行掰斜，使第一坯料上端向外扩张，直径变大；
4)预成型，利用预成型模具使环件大直径端成型，实现第一坯料精确分配，获得第二坯料；
5)终轧成型，利用终轧成型模具将第二坯料整体轧制成型，获得环件。
封闭式组合模具的设计步骤：
1)根据成型锻件高度方向的横截面面积变化将成型后的锻件从高度方向分为V1、V2、V3区域，V3为大直径端；
2)根据等体积变化原则，分别计算出预成型和终轧成型变形前坯料V1、V2、V3三个区域的截面高度，得到封闭式组合模具型腔的轮廓尺寸和V1、V2、V3三个区域对应的高度；
预成型模具，其计算方法为：
V1＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h1＝((OD1)2-(ID1)2)×(π/4)×H1，
h1＝((OD1)2-(ID1)2)×H1/((od)2-(id)2)，
V2＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h2＝((OD1)2×(OD2)2×(OD1)× (OD2))×H2×(π/3)，
h2＝((OD1)2×(OD2)2×(OD1)×(OD2))×H2× (π/3)/((od1)2-(id2)2)，
V3＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h3＝((OD3)2-(ID3)2)×(π/4)×H3，
h3＝((OD3)2-(ID3)2)×H3/((od)2-(id)2)
od为环胚的外径，id为环胚的内径，OD1为成型锻件V1区域的外径，ID1为成型锻件V1区域的内径，OD2为成型锻件V2区域的外径，ID2 为成型锻件V2区域的内径，OD3为成型锻件V3区域的外径，ID3为成型锻件V3区域的内径，h1为环胚锻件V1区域的高度，h2为环胚锻件 V2区域的高度，h3为环胚锻件V3区域的高度，H1为成型锻件V1区域的高度，H2为成型锻件V2区域的高度，H3为成型锻件V3区域的高度， h1、h2、h3的高度和为环件扩孔后的总高度；
3)通过h1的高度，从而通过调整预成型垫块高度使预成型模具型腔体积V1、V2区域与环件对应区域一致，确保大直径端面V3区域精确成型；
终轧成型模具：在预成型模具的基础上，根据环件外形尺寸设计成形冲头、成形垫块和成形压环，终轧成型模具的整体型腔截面形状与环件的截面一致。
所述封闭式组合模具包括预成型模具，是由预成型垫块、预成型冲头、预成型压环、胎模组合形成的具有封闭式型腔的组合模具，所述终轧成型模具是由成型垫块、成型冲头、成型压环、胎模组合形成的具有封闭式型腔的组合模具。
所述预成型模具和终轧成型模具对应环件V3区域的型腔形状与体积相同。
所述胎模用于预成型和终轧成型，预成型时胎模大直径端向上放置，终轧成型时其大直径端向下放置；所述胎模上下两端贯通，胎模的内壁中部形状与环件的外壁形状相同。其高度为预成型冲头和预成型垫块的高度之和，也等于预成型垫块边缘高度、预成型压环和第二坯料的高度之和。
所述预成型冲头的外壁上端形状与环件大直径端内壁形状相同。
所述预成型垫块的外径与胎膜的小直径端内径相同且使用时安装在胎膜下端，其上端面中部加工有圆心凸台，其凸台直径与预成型冲头小直径端外径相同。
所述成型冲头的下端外壁形状与锻件内壁形状相同，且其下端的端面上加工有限位凹槽，另一端加工为直径等于锻件小直径端内径的圆柱。
所述成型垫块外径与胎模的大直径端内径相同，其边缘高度与预成型压环高度相同，且使用时安装在胎膜的下端，其上端面中心加工有与成型冲头上限位凸槽形状相同的圆台型凸台。
所述成型压环、环件及成形垫块的高度之和大于成形冲头与成形垫块的高度之和以及胎膜的高度。
所述掰斜冲头和预成型冲头中部加工为空心结构，掰斜冲头的外壁上加工有连续的大锥面和小锥面，大锥面的斜度与工件内壁锥面斜度相同，小锥面最大直径与大锥面最小直径相同，其斜度大于大锥面的斜度，预成型冲头的两端加工为大圆柱和小圆柱，预成型冲头的中部加工为锥面，锥面的两端之间分别与大圆柱和小圆柱的直径相同，且锥面的斜度与工件内壁锥面斜度相同。
本发明的有益效果在于：通过对环胚进行分料，然后计算好胎模体积个封闭腔体的体积，实现精确分料加工；且锻件成型后填充良好，无毛边、填充不满、折叠等缺陷；提高了锻件尺寸的一致性，提高锻件合格率和锻件生产稳定性，且操作简单。
附图说明
图1是本发明坯料成型时的结构示意图；
图2是本发明的坯料掰斜时结构示意图；
图3是本发明的坯料预成型结构示意图；
图4是本发明的预成型压环装配结构示意图；
图5是本发明的预成型的环胚结构示意图；
图6是本发明的环胚掰斜后的结构示意图；
图7是本发明的成型后坯料结构示意图；
图8是本发明的锻件弯曲部尺寸分析图；
图中：1-掰斜冲头，2-胎模，3-预成型垫块，4-预成型冲头，5- 预成型压环，6-成型垫块，7-成型冲头，8-成型压环，9-坯料,10-环件。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种Z形TI6AL4V合金环件的成型方法，其方法为：
1)根据环件的体积及其坯料分料区域设计封闭式组合模具，其封闭式组合模具包括预成型模具和终轧成型模具；
2)下料后将坯料镦粗、冲孔并使用马架扩孔获得第一坯料；
3)掰斜，使用带斜度冲头对第一坯料进行掰斜，使第一坯料上端向外扩张，直径变大；使其一端直径变大为大直径端，第一坯料上端直径变大后，预成型冲头能够顺利的挤压进入第一坯料内，使第一坯料下端和预成型垫块的相互作用力减小，避免第一坯料在受到冲头挤压时下端发生大形变而使环件成型后内部不均匀；
4)预成型，利用预成型模具使环件大直径端成型，实现第一坯料精确分配，获得第二坯料；
5)终轧成型，利用终轧成型模具将第二坯料整体轧制成型，获得环件10。
其封闭式组合模具的设计步骤：
如图7的体积分布，坯料从截面上的体积差异较大，锻件中间V2 体积最小，上端面V1处体积最大约为中间V2处的2.5倍，下端面V3处体积约为中间V2处的两倍，故在此阶段需对锻件坯料进行分配，
根据在加工时，坯料变成环件的过程中划分的区域的体积为等体积变化，分别计算出预成型和终轧成型变形前坯料V1、V2、V3三个区域的截面高度，得到封闭式组合模具与坯料三个区域对应腔体的高度；
其计算方法为：
V1＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h1＝((OD1)2-(ID1)2)×(π/4)×H1，
h1＝((OD1)2-(ID1)2)×H1/((od)2-(id)2)，
V2＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h2＝OD12×OD22×OD1×OD2×H2×π /3，
h2＝OD12×OD22×OD1×OD2×H2×π/3/((od1)2-(id2)2)，
V3＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h3＝((OD3)2-(ID3)2)×(π/4)×H3，
h3＝((OD3)2-(ID3)2)×H3/((od)2-(id)2)
od为环胚的外径，id为环胚的内径，OD1为成型锻件V1区域的外径，ID1为成型锻件V1区域的内径，OD2为成型锻件V2区域的外径，ID2 为成型锻件V2区域的内径，OD3为成型锻件V3区域的外径，ID3为成型锻件V3区域的内径，h1为环胚锻件V1区域的高度，h2为环胚锻件 V2区域的高度，h3为环胚锻件V3区域的高度，H1为成型锻件V1区域的高度，H2为成型锻件V2区域的高度，H3为成型锻件V3区域的高度， h1、h2、h3的高度和为环件扩孔后的总高度；
模具设计：
掰斜时用掰斜冲头1对第一坯料的内壁进行挤压，通过第一坯料外的胎膜内壁高度为h1+h2处与环件相同的斜度，使用掰斜冲头稍微挤压坯料内壁，使坯料上端扩开直径变大。
所述掰斜冲头1和预成型冲头4中部加工为空心结构，掰斜冲头1 的外壁上加工有连续的大锥面和小锥面，大锥面的斜度与工件内壁锥面斜度相同，小锥面最大直径与大锥面最小直径相同，其斜度大于大锥面的斜度，预成型冲头4的两端加工为大圆柱和小圆柱，预成型冲头4的中部加工为锥面，锥面的两端之间分别与大圆柱和小圆柱的直径相同，且锥面的斜度与工件内壁锥面斜度相同。
掰斜的具体过程为，在胎模2底部放入预成型垫块3，将扩孔后的第一坯料放入胎模2中，将掰斜冲头1放入第一坯料中，使用锤砧挤压掰斜冲头1与预成型垫块3接触后锤砧复位；该步骤对V2处进行锻压，形成V2的面积和形状。如图2所示预成型垫块3的用途为避免第一坯料直接与下锤砧接触，避免下端面出现毛边。带斜度冲头向下运动，对矩形坯料进行作用，使第一坯料上端向外扩张，直径变大。如图3
预成型模具：预成型模具的上端型腔截面与环件大直径端面的截面形状一致，面积为V3，上端型腔的最底端到型腔底部的高度为 h1+h2；使用胎模2和预成型冲头4的上端形状形成上端型腔的外壁和内壁形状，型腔的顶端使用预成型压环5封闭使上端型腔的截面积等于V3；
预成型的具体过程为：通过预成型压环5对锻件大头进行挤压，使第二坯料完全填充闭式胎模型腔。锻件小头完全填充下端型腔即小头坯料等于锻件V1体积，锻件大头通过压环下压形成封闭的V3型腔。锻件大头成型完成。使用胎模2、预成型垫块3、预成型冲头4组合形成的闭式胎模模具为封闭型腔，通过精确计算好第二坯料上下两端的体积容量，可对锻件高度方向的体积进行精确的分料。还能有效的消除传统胎模成型的局部填充不满和端面毛刺等缺陷，预成型后坯料如图1。该工序中的压环上端面接触锤砧上锤砧，下端面直接与坯料接触。使用压环可隔离锤砧与冲突上端面接触，减少接触面积，从而实现使用较小压力完成预成型操作。
终轧成型模具：终轧成型模具的整体型腔截面形状与环件的截面一致；
将胎模2倒置，倒置的胎模2和成型冲头7组合为环件的内外壁形状，使用成型压环8封闭在型腔上端使型腔体积等于环件的体积。
如图1，换用成型冲头并使用预成型胎模，将外胎模倒置使用，并使用成型压环对坯料小头进行局部成型，成型后如图8。
所述封闭式组合模具包括预成型模具，是由预成型垫块3、预成型冲头4、预成型压环5、胎模2组合形成的具有封闭式型腔的组合模具，所述终轧成型模具是由成型垫块6、成型冲头7、成型压环8、胎模2组合形成的具有封闭式型腔的组合模具。
所述预成型模具和终轧成型模具对应环件V3区域的型腔形状与体积相同。
为了精确控制坯料V3区域处的体积，将胎模2、预成型冲头4、预成型压环5的顶端高度设置在同一平面上，锤砧在挤压压环使V3处成型时，只需要将预成型压环5、预成型冲头4、胎膜2压至在同一平面上就能够保证坯料V3区域的体积与环件的体积相同。所述胎模2用于预成型和终轧成型，预成型时胎模大直径端向上放置，终轧成型时其大直径端向下放置；所述胎模2上下两端贯通，胎模2的内壁中部形状与环件的外壁形状相同。其高度为预成型冲头和预成型垫块的高度之和，也等于预成型垫块边缘高度、预成型压环和第二坯料的高度之和。
所述预成型冲头4的外壁上端形状与环件大直径端内壁形状相同。
为了防止在预成型冲头对坯料挤压初期，坯料的下端受到挤压力而发生大形变，预成型垫块3的外径与胎膜2的小直径端内径相同且使用时安装在胎膜2下端，其上端面中部加工有圆心凸台，其凸台直径与预成型冲头小直径端外径相同。凸台用来限制坯料下端向内收缩，防止其发生形变，避免终轧时再次形变而影响环件的内部结构。
所述成型冲头7的下端外壁形状与锻件内壁形状相同，且其下端的端面上加工有限位凹槽，另一端加工为直径等于锻件小直径端内径的圆柱。所述成型垫块6外径与胎模2的大直径端内径相同，其边缘高度与预成型压环高度相同，且使用时安装在胎膜2的下端，其上端面中心加工有与成型冲头7上限位凸槽形状相同的圆台型凸台。凸台与凹槽坯料后，防止成型冲头在成型垫块上滑动，防止了环件多次不规则形变而影响了其内部结构。
所述成型压环8、环件10及成形垫块6的高度之和大于成形冲头与成形垫块的高度之和以及胎膜2的高度。因为终轧时，模具内部形状与体积均与环件相同，所以设计成型压环8的顶端高于胎膜2的顶端高度，使锤砧具有足够的挤压空间对成型压环进行挤压，锻件的形状和尺寸能够更加精确。

Claims (10)

1.一种Z形TI6AL4V合金环件的成型方法，其方法为：
1)根据环件的体积及其坯料分料区域设计封闭式组合模具，其封闭式组合模具包括预成型模具和终轧成型模具；
2)下料后将坯料镦粗、冲孔并使用马架扩孔获得第一坯料；
3)掰斜，使用带斜度冲头对第一坯料进行掰斜，使第一坯料上端向外扩张，直径变大；
4)预成型，利用预成型模具使环件大直径端成型，实现第一坯料精确分配，获得第二坯料；
5)终轧成型，利用终轧成型模具将第二坯料整体轧制成型，获得环件(10)。
2.如权利要求1所述的Z形TI6AL4V合金环件成型方法，其特征在于，其封闭式组合模具的设计步骤：
1)根据成型锻件高度方向的横截面面积变化将成型后的锻件从高度方向分为V1、V2、V3区域，V3为大直径端；
2)根据等体积变化原则，分别计算出预成型和终轧成型变形前坯料V1、V2、V3三个区域的截面高度，得到封闭式组合模具型腔的轮廓尺寸和V1、V2、V3三个区域对应的高度；
预成型模具，其计算方法为：
V1＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h1＝((OD1)2-(ID1)2)×(π/4)×H1，
h1＝((OD1)2-(ID1)2)×H1/((od)2-(id)2)，
V2＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h2＝((OD1)2×(OD2)2×(OD1)×(OD2))×H2×(π/3)，
h2＝((OD1)2×(OD2)2×(OD1)×(OD2))×H2×(π/3)/((od1)2-(id2)2)，
V3＝((od)2-(id)2)×(π/4)×h3＝((OD3)2-(ID3)2)×(π/4)×H3，
h3＝((OD3)2-(ID3)2)×H3/((od)2-(id)2)
od为环胚的外径，id为环胚的内径，OD1为成型锻件V1区域的外径，ID1为成型锻件V1区域的内径，OD2为成型锻件V2区域的外径，ID2为成型锻件V2区域的内径，OD3为成型锻件V3区域的外径，ID3为成型锻件V3区域的内径，h1为环胚锻件V1区域的高度，h2为环胚锻件V2区域的高度，h3为环胚锻件V3区域的高度，H1为成型锻件V1区域的高度，H2为成型锻件V2区域的高度，H3为成型锻件V3区域的高度，h1、h2、h3的高度和为环件扩孔后的总高度；
3)通过h1的高度，从而通过调整预成型垫块高度使预成型模具型腔体积V1、V2区域与环件对应区域一致，确保大直径端面V3区域精确成型；
终轧成型模具：在预成型模具的基础上，根据环件外形尺寸设计成形冲头(7)、成形垫块(6)和成形压环(8)，终轧成型模具的整体型腔截面形状与环件的截面一致。
3.如权利要求1所述的Z形TI6AL4V合金环件成型方法，其特征在于：所述封闭式组合模具包括预成型模具是由预成型垫块(3)、预成型冲头(4)、预成型压环(5)、胎模(2)组合形成的具有封闭式型腔的组合模具，所述终轧成型模具是由成型垫块(6)、成型冲头(7)、成型压环(8)、胎模(2)组合形成的具有封闭式型腔的组合模具。
4.如权利要求1所述的Z形TI6AL4V合金环件成型方法，其特征在于：所述预成型模具和终轧成型模具对应环件V3区域的型腔形状与体积相同。
5.如权利要求3所述的Z形TI6AL4V合金环件成型方法，其特征在于：所述胎模(2)用于预成型和终轧成型，预成型时胎模大直径端向上放置，终轧成型时其大直径端向下放置；所述胎模(2)上下两端贯通，胎模(2)的内壁中部形状与环件的外壁形状相同，其高度为预成型冲头和预成型垫块的高度之和，也等于预成型垫块边缘高度、预成型压环和第二坯料的高度之和。
6.如权利要求3所述的Z形TI6AL4V合金环件成型方法，其特征在于：所述预成型冲头(4)的外壁上端形状与环件大直径端内壁形状相同。
7.如权利要求3所述的Z形TI6AL4V合金环件成型方法，其特征在于：所述预成型垫块(3)的外径与胎膜(2)的小直径端内径相同且使用时安装在胎膜(2)下端，其上端面中部加工有圆心凸台，其凸台直径与预成型冲头小直径端外径相同。
8.如权利要求3所述的Z形TI6AL4V合金环件成型方法，其特征在于：所述成型冲头(7)的下端外壁形状与锻件内壁形状相同，且其下端的端面上加工有限位凹槽，另一端加工为直径等于锻件小直径端内径的圆柱。
9.如权利要求3所述的Z形TI6AL4V合金环件的成型方法，其特征在于：所述成型垫块(6)外径与胎模(2)的大直径端内径相同，其边缘高度与预成型压环高度相同，且使用时安装在胎膜(2)的下端，其上端面中心加工有与成型冲头(7)上限位凸槽形状相同的圆台型凸台。
10.如权利要求3所述的Z形TI6AL4V合金环件的成型方法，其特征在于：所述成型压环(8)、环件(10)及成形垫块(6)的高度之和大于成形冲头与成形垫块的高度之和以及胎膜(2)的高度。
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