CN116174627B - 一种半闭式模锻制备带有u形缺口的盘饼状锻坯的方法 - Google Patents

一种半闭式模锻制备带有u形缺口的盘饼状锻坯的方法 Download PDF

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Abstract

一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，本发明属于锻造领域。本发明要解决现有自由锻工艺制备带有U缺口的盘饼状锻坯形状尺寸难以控制、精度过低，严重影响后续模锻成形质量的问题，以及棒料弯曲—闭式模锻组合成形生产成本较高，成形载荷过高的问题。方法：一、锻坯锻件设计；二、制坯模具设计；三、棒料镦粗；四、制坯模锻；五、修形。本发明用于半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯。

Description

一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法
技术领域
本发明属于锻造领域。
背景技术
航空航天工业的轻量化需求促进了异形轮廓构件的产生与发展，并对其制造技术提出了使产品性能更佳、制造成本更低的要求，精密塑性成形技术得以应用。带有U形缺口的短轴框形构件是一类航空航天轻量化零部件，采用精密模锻技术能够改善材料性能并显著提高材料利用率，但其在进行模锻之前需要形状尺寸合适的锻坯。为方便在模具中的定位以及减少成形缺陷、提高成形精度，这些锻坯往往具有和锻件相同或相近的轮廓形状与尺寸，且为厚度不均匀变化的盘饼状。采用自由锻的方式成形这类锻坯，其形状尺寸难以控制、精度过低，严重影响后续模锻成形质量。采用棒料弯曲—闭式模锻组合成形的方法则需要额外加工弯曲模和闭式成形模两套模具，生产成本较高，且棒料经过简单弯曲后依然为近似等径形状，在闭式成形下模的定位难以靠近U形缺口边角处，降低成形质量，闭式模锻的成形载荷过高，影响模具的使用寿命。
发明内容
本发明要解决现有自由锻工艺制备带有U缺口的盘饼状锻坯形状尺寸难以控制、精度过低，严重影响后续模锻成形质量的问题，以及棒料弯曲—闭式模锻组合成形生产成本较高，成形载荷过高的问题，而提供一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法。
一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，它是按照以下步骤进行：
一、锻坯锻件设计：
根据带有U形缺口的盘饼状锻坯设计锻坯锻件；
所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯从锻坯远离U形缺口底部的一侧到U形缺口顶部与锻坯轮廓相交处，依次分为第一等厚部分、连接部分及第二等厚部分，连接部分的厚度由第一等厚部分厚度线性变化至第二等厚部分厚度，且第二等厚部分厚度为锻坯最大厚度；设沿U形缺口开口方向上锻坯的最大尺寸为L1，设锻坯最大厚度为T1，T1:L1＝(0.1～0.3):1；设沿U形缺口宽度方向上锻坯的最大尺寸为B1，L1:B1＝(0.8～1.25):1；设U形缺口开口方向的长度为LU，LU:L1＜0.7:1；设U形缺口宽度为BU，BU:B1＜0.5:1；
所述的锻坯锻件具体是在带有U形缺口的盘饼状锻坯的U形缺口底部设置连皮，且锻坯锻件侧壁表面设置拔模斜度3°～7°，连皮与锻坯锻件侧表面连接处设置变半径圆角，圆角半径在U形缺口对称面处最大，圆角半径在U形缺口直边处最小，设连皮厚度为T11，T11:T1＝(0.15～0.3):1，设最大圆角半径为(R11)max，设最小圆角半径为(R11)min，(R11)max:(R11)min＝(2～4):1；
二、制坯模具设计：
制坯模具包括上模和下模，且上模和下模均为左右对称结构；所述的上模为闭式结构；
所述的下模为半闭式结构，在下模与锻坯U形缺口正对的型腔侧壁处设置定位凸台；所述的定位凸台为端面设置内凹圆弧的矩形凸块；设定位凸台的宽度为B21，B21＝(0.5～1)BU；设内凹圆弧的半径为R21，R21＝(0.25～0.35)B1；在与定位凸台相对的下模型腔侧壁设置导流槽，设导流槽宽度为B22，B22＝(0.5～0.8)B1；
三、棒料镦粗：
采用圆棒料进行变形量为50％～70％的镦粗变形，得到锻饼；
所述的圆棒料体积为锻坯锻件体积的(1～1.05)倍；若L1＜B1，则锻饼最大直径为(0.6～0.8)L1，若L1≥B1，则锻饼最大直径为(0.6～0.8)B1；
四、制坯模锻：
将锻饼及下模分别加热并润滑，然后将锻饼放入下模中，锻饼侧表面与下模定位凸台接触进行定位，上模压下至完全合模后，抬起上模并取出，得到锻坯锻件；
五、修形：
将锻坯锻件U形缺口处的连皮、导流槽处流出的多余金属以及沿轮廓分布的纵向毛刺切除，得到带有U形缺口的盘饼状锻坯。
本发明的有益效果是：
本发明针对带有U形缺口的盘饼状锻坯低成本制造问题，设计了半闭式连皮模锻制坯方法。通过在U形缺口处设置连皮的方式，使得制坯下模具有了足够大的型腔空间，能够直接将圆饼料放入下模，只需先进行一步镦粗而无需进行弯曲，节省了弯曲模具成本；通过控制U形缺口处连皮厚度，保证能够良好成形的同时减少腹板处额外增加的材料体积，制坯材料利用率达到90％以上；通过在下模侧壁处设置圆弧形定位凸台，使得锻饼能够准确在下模定位，而将锻饼定位在U形缺口开口端的模具侧壁处能够使得最难充填的U形边角处优先充填，提高成形质量；锻坯锻件在与U形缺口开口相反方向的边缘位置距离锻饼最远，是最后成形的位置，在此处开设使金属自由流动的导流槽，能够显著降低成形末期的载荷，提高模具寿命；在导流槽处开设钳口，在成形后可以直接从钳口处夹出锻坯锻件，无需使用顶出装置，降低模具成本。
本发明用于一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法。
附图说明
图1为实施例一步骤一所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯的俯视图；
图2为实施例一步骤一所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯的立体图，12为第一等厚部分，13为连接部分，14为第二等厚部分；
图3为实施例一步骤一所述的锻坯锻件的俯视图，11为连皮；
图4为实施例一步骤一所述的锻坯锻件的立体图；
图5为实施例一步骤二所述的下模的立体图，21为定位凸台，22为导流槽，23为钳口；
图6为实施例一步骤二所述的下模的俯视图；
图7为实施例一步骤四下模和锻坯锻件的位置关系示意图，1为锻坯锻件，2为下模，23为钳口；
图8为图7虚线框内局部放大图，1为锻坯锻件，2为下模；
图9为实施例一步骤二所述的上模的立体图；
图10为实施例一步骤二所述的上模背面的俯视图；
图11为对比例一步骤二所述的下模的立体图；
图12为实施例一锻坯锻件成形有限元模拟结果和载荷变化曲线，(a)为圆棒料，(b)为镦粗后的锻饼，(c)为锻饼在制坯下模的定位，(d)为成形后的锻坯锻件，(e)为步骤四模锻成形载荷变化曲线；
图13为对比例一中锻坯锻件成形有限元模拟结果和载荷变化曲线，(a)为成形后的锻坯锻件，(b)为步骤四模锻成形载荷变化曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，它是按照以下步骤进行：
一、锻坯锻件设计：
根据带有U形缺口的盘饼状锻坯设计锻坯锻件；
所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯从锻坯远离U形缺口底部的一侧到U形缺口顶部与锻坯轮廓相交处，依次分为第一等厚部分、连接部分及第二等厚部分，连接部分的厚度由第一等厚部分厚度线性变化至第二等厚部分厚度，且第二等厚部分厚度为锻坯最大厚度；设沿U形缺口开口方向上锻坯的最大尺寸为L1，设锻坯最大厚度为T1，T1:L1＝(0.1～0.3):1；设沿U形缺口宽度方向上锻坯的最大尺寸为B1，L1:B1＝(0.8～1.25):1；设U形缺口开口方向的长度为LU，LU:L1＜0.7:1；设U形缺口宽度为BU，BU:B1＜0.5:1；
所述的锻坯锻件具体是在带有U形缺口的盘饼状锻坯的U形缺口底部设置连皮，且锻坯锻件侧壁表面设置拔模斜度3°～7°，连皮与锻坯锻件侧表面连接处设置变半径圆角，圆角半径在U形缺口对称面处最大，圆角半径在U形缺口直边处最小，设连皮厚度为T11，T11:T1＝(0.15～0.3):1，设最大圆角半径为(R11)max，设最小圆角半径为(R11)min，(R11)max:(R11)min＝(2～4):1；
二、制坯模具设计：
制坯模具包括上模和下模，且上模和下模均为左右对称结构；所述的上模为闭式结构；
所述的下模为半闭式结构，在下模与锻坯U形缺口正对的型腔侧壁处设置定位凸台；所述的定位凸台为端面设置内凹圆弧的矩形凸块；设定位凸台的宽度为B21，B21＝(0.5～1)BU；设内凹圆弧的半径为R21，R21＝(0.25～0.35)B1；在与定位凸台相对的下模型腔侧壁设置导流槽，设导流槽宽度为B22，B22＝(0.5～0.8)B1；
三、棒料镦粗：
采用圆棒料进行变形量为50％～70％的镦粗变形，得到锻饼；
所述的圆棒料体积为锻坯锻件体积的(1～1.05)倍；若L1＜B1，则锻饼最大直径为(0.6～0.8)L1，若L1≥B1，则锻饼最大直径为(0.6～0.8)B1；
四、制坯模锻：
将锻饼及下模分别加热并润滑，然后将锻饼放入下模中，锻饼侧表面与下模定位凸台接触进行定位，上模压下至完全合模后，抬起上模并取出，得到锻坯锻件；
五、修形：
将锻坯锻件U形缺口处的连皮、导流槽处流出的多余金属以及沿轮廓分布的纵向毛刺切除，得到带有U形缺口的盘饼状锻坯。
本实施方式步骤一中锻坯锻件具体是将锻坯U形缺口处增设锻造连皮，锻坯其他位置不增加余量。
本实施方式的有益效果是：
本实施方式针对带有U形缺口的盘饼状锻坯低成本制造问题，设计了半闭式连皮模锻制坯方法。通过在U形缺口处设置连皮的方式，使得制坯下模具有了足够大的型腔空间，能够直接将圆饼料放入下模，只需先进行一步镦粗而无需进行弯曲，节省了弯曲模具成本；通过控制U形缺口处连皮厚度，保证能够良好成形的同时减少腹板处额外增加的材料体积，制坯材料利用率达到90％以上；通过在下模侧壁处设置圆弧形定位凸台，使得锻饼能够准确在下模定位，而将锻饼定位在U形缺口开口端的模具侧壁处能够使得最难充填的U形边角处优先充填，提高成形质量；锻坯锻件在与U形缺口开口相反方向的边缘位置距离锻饼最远，是最后成形的位置，在此处开设使金属自由流动的导流槽，能够显著降低成形末期的载荷，提高模具寿命；在导流槽处开设钳口，在成形后可以直接从钳口处夹出锻坯锻件，无需使用顶出装置，降低模具成本。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯为设置有一个U形缺口的圆形、近圆形或椭圆形盘饼状锻坯，且锻坯左右对称。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的连皮与锻坯锻件外轮廓相交处的边为直边。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的内凹圆弧与未添加定位凸台时的型腔侧壁相切。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中对内凹圆弧两端倒圆角；设内凹圆弧两端的圆角半径为r，r＝(0.1～0.3)R21。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的导流槽沿高度方向单侧贯穿下模，沿长度方向贯穿下模侧壁，且导流槽与下模的型腔深度相同。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中在导流槽下端面处设置盲槽钳口；所述的盲槽钳口的个数≥2个。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：设盲槽钳口的宽度为B23，B23＝30mm～50mm，盲槽钳口长度方向端面位于锻坯锻件轮廓内部，盲槽钳口长度端面到锻坯锻件轮廓边缘距离为Δh23＝20mm～40mm。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中所述的导流槽与盲槽钳口侧壁拔模斜度为3°～7°。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中利用钳口将锻坯锻件取出。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一，结合图1至10具体说明：
一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，它是按照以下步骤进行：
一、锻坯锻件设计：
根据带有U形缺口的盘饼状锻坯设计锻坯锻件；
所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯从锻坯远离U形缺口底部的一侧到U形缺口顶部与锻坯轮廓相交处，依次分为第一等厚部分、连接部分及第二等厚部分，连接部分的厚度由第一等厚部分厚度线性变化至第二等厚部分厚度，且第二等厚部分厚度为锻坯最大厚度；第一等厚部分的厚度为70mm，沿U形缺口开口方向上锻坯的最大尺寸为L1＝662mm，锻坯最大厚度为T1＝110mm，T1:L1＝0.17:1；沿U形缺口宽度方向上锻坯的最大尺寸为B1＝712mm，L1:B1＝0.93:1；U形缺口开口方向的长度为LU＝372mm，LU:L1＝0.56:1；U形缺口宽度为BU＝271mm，BU:B1＝0.38:1；
所述的锻坯锻件具体是在带有U形缺口的盘饼状锻坯的U形缺口底部设置连皮，第一等厚部分的厚度、L1、B1、LU、BU及T1尺寸不变，且锻坯锻件侧壁表面设置拔模斜度5°，连皮与锻坯锻件侧表面连接处设置变半径圆角，圆角半径在U形缺口对称面处最大，圆角半径在U形缺口直边处最小，连皮厚度为T11＝20mm，T11:T1＝0.18:1，最大圆角半径为(R11)max＝90mm，设最小圆角半径为(R11)min＝30mm，(R11)max:(R11)min＝3:1；
二、制坯模具设计：
制坯模具包括上模和下模，且上模和下模均为左右对称结构；所述的上模为闭式结构；
所述的下模为半闭式结构，在下模与锻坯U形缺口正对的型腔侧壁处设置定位凸台；所述的定位凸台为端面设置内凹圆弧的矩形凸块；定位凸台的宽度为B21，B21＝BU＝271mm；内凹圆弧的半径为R21＝200mm，R21＝0.28B1；在与定位凸台相对的下模型腔侧壁设置导流槽，导流槽宽度为B22＝520mm，B22＝0.73B1；
三、棒料镦粗：
采用圆棒料进行变形量为60％的镦粗变形，得到锻饼；
所述的圆棒料体积为锻坯锻件体积的1.02倍；由于L1＜B1，锻饼最大直径为0.73L1＝485mm；
四、制坯模锻：
将锻饼及下模分别加热并润滑，然后将锻饼放入下模中，锻饼侧表面与下模定位凸台接触进行定位，上模压下至完全合模后，抬起上模并取出，得到锻坯锻件；
五、修形：
将锻坯锻件U形缺口处的连皮、导流槽处流出的多余金属以及沿轮廓分布的纵向毛刺切除，得到带有U形缺口的盘饼状锻坯。
步骤一中所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯为设置有一个U形缺口的近圆形盘饼状锻坯，且锻坯左右对称，且位于U形缺口底部与第一等厚部分之间的连接部分沿对称面设置中心局部凹陷，位于U形缺口左右两侧的连接部分对称设置侧面局部凹陷。
步骤一中所述的连皮与锻坯锻件外轮廓相交处的边为直边。
步骤二中所述的内凹圆弧与未添加定位凸台时的型腔侧壁相切。
步骤二中对内凹圆弧两端倒圆角；内凹圆弧两端的圆角半径为r，r＝0.15R21＝30mm。
步骤二中所述的导流槽沿高度方向单侧贯穿下模，沿长度方向贯穿下模侧壁，且导流槽与下模的型腔深度相同。
步骤二中在导流槽下端面处设置盲槽钳口；所述的盲槽钳口的个数为3个。
盲槽钳口的宽度为B23＝40mm，盲槽钳口长度方向端面位于锻坯锻件轮廓内部，盲槽钳口长度端面到锻坯锻件轮廓边缘距离为Δh23＝20mm。
步骤二中所述的导流槽与盲槽钳口侧壁拔模斜度为5°。
步骤二中所述的圆棒料材质为5A06铝合金。
步骤四中利用钳口将锻坯锻件取出。
图12为实施例一锻坯锻件成形有限元模拟结果和载荷变化曲线，(a)为圆棒料，(b)为镦粗后的锻饼，(c)为锻饼在制坯下模的定位，(d)为成形后的锻坯锻件，(e)为步骤四模锻成形载荷变化曲线；由图可知，锻坯锻件成形良好，最大载荷约为4200t。
对比例一，结合图11具体说明：
本对比例与实施例一不同的是：步骤二中下模为完全闭式结构，无导流槽和钳口。其他与实施例一相同。
图13为对比例一中锻坯锻件成形有限元模拟结果和载荷变化曲线，(a)为成形后的锻坯锻件，(b)为步骤四模锻成形载荷变化曲线；由图可知，最大载荷约为6200t，相比实施例一明显增大。

Claims (10)

1.一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行：
一、锻坯锻件设计：
根据带有U形缺口的盘饼状锻坯设计锻坯锻件；
所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯从锻坯远离U形缺口底部的一侧到U形缺口顶部与锻坯轮廓相交处，依次分为第一等厚部分、连接部分及第二等厚部分，连接部分的厚度由第一等厚部分厚度线性变化至第二等厚部分厚度，且第二等厚部分厚度为锻坯最大厚度；设沿U形缺口开口方向上锻坯的最大尺寸为L1，设锻坯最大厚度为T1，T1:L1=(0.1~0.3):1；设沿U形缺口宽度方向上锻坯的最大尺寸为B1，L1:B1=(0.8~1.25):1；设U形缺口开口方向的长度为LU，LU:L1＜0.7:1；设U形缺口宽度为BU，BU:B1＜0.5:1；
所述的锻坯锻件具体是在带有U形缺口的盘饼状锻坯的U形缺口底部设置连皮，且锻坯锻件侧壁表面设置拔模斜度3°~7°，连皮与锻坯锻件侧表面连接处设置变半径圆角，圆角半径在U形缺口对称面处最大，圆角半径在U形缺口直边处最小，设连皮厚度为T11，T11:T1=(0.15~0.3):1，设最大圆角半径为(R11)max，设最小圆角半径为(R11)min，(R11)max:(R11)min=(2~4):1；
二、制坯模具设计：
制坯模具包括上模和下模，且上模和下模均为左右对称结构；所述的上模为闭式结构；
所述的下模为半闭式结构，在下模与锻坯U形缺口正对的型腔侧壁处设置定位凸台；所述的定位凸台为端面设置内凹圆弧的矩形凸块；设定位凸台的宽度为B21，B21=(0.5~1)BU；设内凹圆弧的半径为R21，R21=(0.25~0.35)B1；在与定位凸台相对的下模型腔侧壁设置导流槽，设导流槽宽度为B22，B22=(0.5~0.8)B1；
三、棒料镦粗：
采用圆棒料进行变形量为50%~70%的镦粗变形，得到锻饼；
所述的圆棒料体积为锻坯锻件体积的(1~1.05)倍；若L1＜B1，则锻饼最大直径为(0.6~0.8)L1，若L1≥B1，则锻饼最大直径为(0.6~0.8)B1；
四、制坯模锻：
将锻饼及下模分别加热并润滑，然后将锻饼放入下模中，锻饼侧表面与下模定位凸台接触进行定位，上模压下至完全合模后，抬起上模并取出，得到锻坯锻件；
五、修形：
将锻坯锻件U形缺口处的连皮、导流槽处流出的多余金属以及沿轮廓分布的纵向毛刺切除，得到带有U形缺口的盘饼状锻坯。
2.根据权利要求1所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于步骤一中所述的带有U形缺口的盘饼状锻坯为设置有一个U形缺口的圆形、近圆形或椭圆形盘饼状锻坯，且锻坯左右对称。
3.根据权利要求1所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于步骤一中所述的连皮与锻坯锻件外轮廓相交处的边为直边。
4.根据权利要求1所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于步骤二中所述的内凹圆弧与未添加定位凸台时的型腔侧壁相切。
5.根据权利要求1所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于步骤二中对内凹圆弧两端倒圆角；设内凹圆弧两端的圆角半径为r，r=(0.1~0.3)R21。
6.根据权利要求1所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于步骤二中所述的导流槽沿高度方向单侧贯穿下模，沿长度方向贯穿下模侧壁，且导流槽与下模的型腔深度相同。
7.根据权利要求1所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于步骤二中在导流槽下端面处设置盲槽钳口；所述的盲槽钳口的个数≥2个。
8.根据权利要求7所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于设盲槽钳口的宽度为B23，B23=30mm~50mm，盲槽钳口长度方向端面位于锻坯锻件轮廓内部，盲槽钳口长度端面到锻坯锻件轮廓边缘距离为Δh23=20mm~40mm。
9.根据权利要求7所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于步骤二中所述的导流槽与盲槽钳口侧壁拔模斜度为3°~7°。
10.根据权利要求7所述的一种半闭式模锻制备带有U形缺口的盘饼状锻坯的方法，其特征在于步骤四中利用盲槽钳口将锻坯锻件取出。
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