CN115889654A - 一种大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温合金锥盘类锻件锻造技术领域，具体涉及一种大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法。本发明建立以“胎模制坯”实现均匀变形，“胎模预成型”对各部位变形进行分配，后续进过加工局部冷模层，去除变形死区，实现模锻变形分配，“模锻”实现组织均匀性，并且使用小设备干大活，在可控变形条件下完成了组织与性能的热加工过程。

Description

一种大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法

技术领域

本发明属于高温合金锥盘类锻件锻造技术领域，具体涉及一种大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法。

背景技术

随着国产航空航天发动机的研制开发，发动机部件的工作环境愈加严苛，GH4169在≤650℃条件得到广泛使用，据报道航空发动机使用GH4169材料达到总重量的34％以上。该锥盘锻件作为发动机的关键部件，要求各方面性能达到要求，且不存在缺陷，其结构是在径向与轴向都需要产生变形，且变形量均匀进行防止出现由于锻造各部分变形不均匀导致的组织状态不一致现象，因此其成型过程的变形一致性尤为重要。对于现行生产过程使用镦粗成饼、模锻方式制坯，需要较大设备吨位，且变形死区较大，组织均匀性无法得到有效保证，锻件存在局部变形不均匀现象。

发明内容

发明目的：提供一种大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，建立以“胎模制坯”、实现均匀变形，“胎膜模预成型”对各部位变形进行分配，后续进过加工局部冷模层，去除变形死区，实现模锻变形分配，“模锻”实现组织均匀性，并且使用小设备干大活，在可控变形条件下完成了组织与性能的热加工过程。

技术方案：

一种大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，包括：

第一步，胎模镦粗：其中，胎模中部为上下贯通的沿着轴线旋转对称的型腔，沿着纵向依次包括尺寸逐渐减小的第一通孔、第二通孔、第三通孔以及位于第三通孔下方的顶出通孔，第一通孔的内径大于锻件的大端外径；第二通孔的内径小于锻件的小端外径；第一通孔的高度与第二通孔的高度之和小于锻件轴向高度；镦粗顶出盘下段与第三通孔形状相同，中段与第二通孔的下部形状相同，上端面设置有第一定位台；第一定位台的高度大于第二通孔的高度；预成型顶出盘下段与第三通孔形状相同，上端面设置有第二定位台；

首先通过胎模镦粗的方式，将已加工定位孔的φ250mm-φ300mm高度为h的棒材加热至变形温度，保温结束后放置在已安装镦粗顶出盘的胎模上，上模为平模，初始分模距离H1等于棒料高度h减去胎模第一通孔的高度，以逐渐减小的下压速度将棒料下压至预留高度A，散开空冷10min后，回炉重新加热；

第二步，胎模预成型：换预成型顶出盘，锻件保温结束后，将锻件放置在预成型胎模上，初始分模面距离H2，以逐渐减小的下压速度将棒料下压至分模面距离2mm；

第三步：模锻：将加工后的荒型加热至变形温度，保温结束后，将荒型放置在终锻模具上，以逐渐减小的下压速度下压至分模面距离6mm，垫起风冷。

进一步地，第一通孔、第二通孔和第三通孔的侧面具有出模斜度。

进一步地，第一通孔的高度为锻件高度的三分之一至四分之一。

进一步地，第二定位台距离胎模上端面的最小距离为35-45mm。

进一步地，胎模镦粗过程中，以逐渐减小的下压速度将棒料下压至预留高度A，具体包括：先以7mm/s-8mm/s的初始速度压至初始分模距离H1与预留高度A差值的二分之一至三分之二；再以4mm/s压至预留高度A，散开空冷10min后，回炉重新加热。

进一步地，胎模预成型过程中，以逐渐减小的下压速度将棒料下压至分模面距离2mm，具体包括：先以5mm/s的初始速度压至初始分模面距离H2的三分之一，再以3mm/s压至分模面距离2mm。

进一步地，第三步，模锻之前还包括：加工去除荒型的冷模层和芯部连皮。

进一步地，第三步中，以逐渐减小的下压速度下压至分模面距离6mm，垫起风冷，具体包括：先以7mm/s的初始速度压至模锻下压量的四分之三，再以3mm/s压至分模面距离6mm，垫起风冷。

有益效果：

采用此种成型方式，以一套胎模，两个顶出盘的方式进行镦粗与预成型，有效的分配了变形量，后续模锻过程以较小的吨位得到尺寸、性能均合格的锻件，在节约经济成本的基础上改善了锻件变形的不均匀性。

附图说明

图1为GH4169锥盘类模锻件图；

图2为镦粗过程中胎模和镦粗顶出盘示意图；

图3为预成型过程中胎模和预成型顶出盘示意图；

图4为机加去除冷模层图；

图5为模锻模具图。

具体实施方式

本发明着眼于这种形状的锻件(如图1)而设计的成型方法。该方法将传统的“自由制坯+模锻成型”得不到均匀组织的成型方法推翻，建立以“胎模制坯”、实现均匀变形，“胎模预成型”对各部位变形进行分配，后续进过加工局部冷模层，去除变形死区，实现模锻变形分配，“模锻”实现组织均匀性，并且使用小设备干大活，在可控变形条件下完成了组织与性能的热加工过程。

参照图1-5，本发明主要包括以下几个步骤：

第一步，胎模镦粗：胎模中部为上下贯通的沿着轴线旋转对称的型腔，沿着纵向依次包括尺寸逐渐减小的第一通孔、第二通孔、第三通孔以及位于第三通孔下方的顶出通孔，第一通孔和第二通孔的侧面具有出模斜度；第一通孔的内径大于锻件的大端外径；第一通孔的高度为锻件高度的三分之一至四分之一；第二通孔的内径小于锻件的小端外径；第一通孔的高度与第二通孔的高度之和小于锻件轴向高度；

优选地,第二通孔的高度为锻件高度的三分之一。

本步骤将棒料高度降低，考虑镦粗过程与模具先接触的部位冷却较快，且变形量最小，容易形成变形死区，镦粗顶出盘上端定位台与预锻顶出盘定位台形状一致，镦粗顶出盘第二台阶轴向高度为胎模第二通孔高度三分之二，为预成型预留变形空间，镦粗变形量大变形区为50％～75％，下端面外缘小变形区变形量为20％～35％。

镦粗顶出盘下段与第三通孔形状相同，中段与第二通孔的下部形状相同，上端面设置有第一定位台；第一定位台的高度大于第二通孔的高度；

预成型顶出盘下段与第三通孔形状相同，上端面设置有第二定位台；第二定位台距离胎模上端面的最小距离为35-45mm。

根据以往生产经验GH4169在厚度尺寸压至30mm以下，变形抗力会瞬间增大，厚度压不下去，因此该预成型顶出盘将中心部位厚度尺寸控制在35-45mm。

首先通过胎模镦粗的方式，将已加工定位孔的φ250-300mm高度为h的棒材加热至变形温度，保温结束后放置在已安装镦粗顶出盘的胎模上(如图2)，上模为平模，初始分模距离H1等于h减去胎模第一通孔的高度，先以7mm/s-8mm/s的初始速度压至初始分模距离H1与预留高度A差值的二分之一至三分之二；再以4mm/s压至预留高度A，散开空冷10min后，回炉重新加热；

由于该锻件尺寸较大，在镦粗过程中，变形抗力随着坯料冷却、压下量增加，逐渐增大，压制速度先快后慢，不仅可以减少坯料压制过程中坯料开裂情况，还能改善由于压制过程坯料内部产生的变形热，改善锻件内外部温度场，有利于保证锻件组织与性能。

第二步，胎模预成型，换预成型顶出盘，锻件保温结束后，将锻件放置在预成型胎模上(如图3)，初始分模面距离H2，先以5mm/s的初始速度压至初始分模面距离H2的三分之一，再以3mm/s压至分模面距离2mm；

本步骤，预成型，镦粗后的坯料可直接放置在此顶出盘得到很好的定位，在此压制过程中，坯料金属在轴向、径向同步流动，可以进一步增加坯料底部变形量，该预成型顶出盘在成型分料的同时，对镦粗过程芯部死区产生一个冲孔的效果，整体坯料的变形量均匀，总体分布在45％-75％，且底部小变形区得到很好的改善，变形量达到30％-45％

第三步，荒型机加，如图3，加工去除冷模层和芯部连皮，减少变形死区在模锻过程的影响。模锻，将加工后的荒型加热至变形温度，保温结束后，将荒型放置在模锻模具上(如图4)，先以7mm/s的初始速度压至模锻下压量的三分之二，再以3mm/s压至分模面距离6mm，垫起风冷，结束锻造；

由于进行了胎模、预成型变形量充分，经过机加去除局部冷模层有利于模锻性能提高，减少由于上一工序变形不均匀残留组织对锻件的影响，模锻过程中通过先小后大的变形速度，调节锻件内外温度场，达到温度场与锻件各部位应变良好配合，得到均匀且符合标准的锻件。

实施例：

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

制备大型GH4169合金锥盘锻件，如图1所示，锻件外径φ628mm，轴向尺寸259mm，投影面积约为0.31m²。

其锻造步骤详细如下：

第一步采用所设计的胎模+镦粗顶出盘，如图2，通过底部定位将所选规格棒料放置于下模之上，采用上平模下冲头的镦粗方式，实现棒材中心压缩，并且压制分模面距离115mm停止，为预成型锻件各部位预留变形量。

第二步采用所设计的胎模+预成型顶出盘，如图3，通过镦粗顶出盘所压制的定位孔与顶出盘定位台实现良好定位，让尚未变形的变形死区继续参与变形，实现边部与芯部同步变形。该步操作目的让预成型的锻件各部分均匀变形，改善组织的变形一致性。

第三步，通过机加定位冷模层、定位台，在终锻模具上一火次成型，采用变速压制，减小了变形死区，同时也降低了设备吨位，设备吨位18000t～20000t。

锻件的成型方法需要三火次完成，保证了组织均匀性，经测试，锻件性能符合指标，不存在混晶等由于锻造变形不均匀造成的缺陷，极大的改善了传统成型思路不满足锻件设备吨位的问题，同时性能指标稳定、可靠。

Claims (8)

1.一种大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，其特征在于，包括：

第一步，胎模镦粗：其中，胎模中部为上下贯通的沿着轴线旋转对称的型腔，沿着纵向依次包括尺寸逐渐减小的第一通孔、第二通孔、第三通孔以及位于第三通孔下方的顶出通孔，第一通孔的内径大于锻件的大端外径；第二通孔的内径小于锻件的小端外径；第一通孔的高度与第二通孔的高度之和小于锻件轴向高度；镦粗顶出盘下段与第三通孔形状相同，中段与第二通孔的下部形状相同，上端面设置有第一定位台；第一定位台的高度大于第二通孔的高度；预成型顶出盘下段与第三通孔形状相同，上端面设置有第二定位台；

首先通过胎模镦粗的方式，将已加工定位孔的φ250mm-φ300mm高度为h的棒材加热至变形温度，保温结束后放置在已安装镦粗顶出盘的胎模上，上模为平模，初始分模距离H1等于棒料高度h减去胎模第一通孔的高度，以逐渐减小的下压速度将棒料下压至预留高度A，散开空冷10min后，回炉重新加热；

第二步，胎模预成型：换预成型顶出盘，锻件保温结束后，将锻件放置在预成型胎模上，初始分模面距离H2，以逐渐减小的下压速度将棒料下压至分模面距离2mm；

第三步：模锻：将加工后的荒型加热至变形温度，保温结束后，将荒型放置在终锻模具上，以逐渐减小的下压速度下压至分模面距离6mm，垫起风冷。

2.根据权利要求1所述的大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，其特征在于，第一通孔、第二通孔和第三通孔的侧面具有出模斜度。

3.根据权利要求1所述的大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，其特征在于，第一通孔的高度为锻件高度的三分之一至四分之一。

4.根据权利要求1所述的大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，其特征在于，第二定位台距离胎模上端面的最小距离为35-45mm。

5.根据权利要求1所述的大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，其特征在于，胎模镦粗过程中，以逐渐减小的下压速度将棒料下压至预留高度A，具体包括：先以7mm/s-8mm/s的初始速度压至初始分模距离H1与预留高度A差值的二分之一至三分之二；再以4mm/s压至预留高度A，散开空冷10min后，回炉重新加热。

6.根据权利要求1所述的大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，其特征在于，胎模预成型过程中，以逐渐减小的下压速度将棒料下压至分模面距离2mm，具体包括：

先以5mm/s的初始速度压至初始分模面距离H2的三分之一，再以3mm/s压至分模面距离2mm。

7.根据权利要求1所述的大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，其特征在于，第三步，模锻之前还包括：加工去除荒型的冷模层和芯部连皮。

8.根据权利要求1所述的大型高温合金锥盘胎模制坯预成型的工艺方法，其特征在于，第三步中，以逐渐减小的下压速度下压至分模面距离6mm，垫起风冷，具体包括：先以7mm/s的初始速度压至模锻下压量的四分之三，再以3mm/s压至分模面距离6mm，垫起风冷。

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