复杂盘饼类模锻件锻造变形量控制方法与流程

本发明涉及锻造工艺技术领域，特别涉及一种复杂盘饼内模锻件锻造变形量控制方法。

背景技术：

为了满足航空航天受力零件的减重要求，近年来，航空航天盘饼类受力零件越来越多地被设计成复杂的整体零件。这类盘饼类整体零件不但外形复杂，而且其微观组织形貌和宏观力学性能的要求不亚于普通形状零件。为了保证复杂盘饼类整体零件在微观组织形貌和宏观力学性能上满足使用要求，在设计和锻造对应整体锻件过程中，尤其在锻造钛合金和高温合金复杂盘饼类锻件过程中，一般需要严格控制锻件中零件区域变形量的均匀性。

目前针对这种复杂盘饼类锻件通常采用的是小余量设计原则，但是采用小余量设计原则锻造复杂盘饼类整体锻件时容易出现零件某些区域变形量不足，即锻件中零件某些区域的变形量较小或者某些区域为完全不变形区的问题。为了在锻造过程中，保证复杂盘饼类整体锻件中零件区域变形量的均匀性，一般采用在变形量不足区域增加变形空间来提升该区域的变形量，在实际生产过程中，通常把锻件变形量不足区域所对应的预制坯形状设计成大斜坡形状，如图2a和图5a所示，并且大幅度增加变形量不足区域的锻件尺寸，即在锻件上增加余块，如图2a和图5a所示。虽然，通过同时采用预制坯形状的大斜坡设计和在锻件上增加余块的方法，可在一定程度上增加变形量不足区域的变形空间，从而提高锻件中变形量不足区域的变形量，最终能够使复杂盘饼类整体锻件中零件区域变形量的均匀性满足生产要求，但是，采用上述方法会大幅度增加锻件的总重量，从而增加锻件的原料成本，造成原料的浪费，尤其是对于使用钛合金、高温合金原料的锻件，增加锻件尺寸必然大幅度增加锻件原料成本。因此，需要开发出一种在锻件中零件区域变形量的均匀性满足生产要求前提下能够大幅度减小锻件尺寸，即减小锻件中余块的锻件设计方法。

技术实现要素：

本发明针对现有复杂盘饼类模锻件锻造工艺中为保证锻件中零件区域的变形量，锻件余块的设计量较大的问题，提供一种复杂盘饼类模锻件锻造变形量控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

复杂盘饼类模锻件锻造变形量控制方法，包括：

1)根据零件图设计锻造工艺的预制坯模型、终锻件模型和终锻件成型模具，对得到的预制坯模型和终锻件成型模具进行模拟成型分析，得到锻件成型各区域的变形量，确定锻件成型变形量不足区域；

2)针对锻件成型变形量不足区域，在预制坯模型上设置一个或多个大斜坡结构，并在大斜坡结构上设置一个或多个台阶结构；

3)对步骤2)中的预制坯模型和终锻件模型进行模拟成型分析，得到锻件成型各区域的变形量；

4)根据锻件成型各区域变形量的值，调整预制坯模型上大斜坡、大斜坡上台阶结构的位置参数、尺寸参数；

5)根据步骤4)中的预制坯模型和终锻件模型进行模拟成型分析，得到锻件成型各区域的变形量；

6)重复步骤4)和5)，至锻件成型各区域的变形量满足要求，得到最终的预制坯模型和终锻件模型。

上述技术方案中，进一步地，所述步骤2)中还包括有：针对锻件成型变形量不足区域，在终锻件模型上变形量不足区域的对应位置设置一个或多个台阶结构；

所述步骤4)中还包括有：根据锻件成型各区域变形量的值，调整终锻件上台阶结构的位置参数、尺寸参数。

上述技术方案中，进一步地，所述控制方法中采用deform软件进行锻件成型的模拟成型分析。

上述技术方案中，进一步地，所述步骤1)中采用锻件工艺设计中的小余量设计原则设计得到终锻件模型。

上述技术方案中，进一步地，所述步骤1)中采用锻件工艺设计中的容易成型和无需机械加工原则设计得到预制坯模型。

上述技术方案中，进一步地，所述步骤2)中采用锻件工艺设计中的大斜坡设计原则在预制坯模型上设置大斜坡结构。

本发明中还涉及一种复杂盘饼类模锻件锻造变形量控制结构，包括：

在预制坯至少一端端面上设置的大斜坡结构，在预制坯的大斜坡结构上设置台阶结构；

及在终锻件成型模具上对应于终锻件模型台阶结构位置处设置的台阶结构。

上述技术方案中，进一步地，所述预制坯上的台阶结构、终锻件成型模具上的台阶结构设置于靠近锻件成型变形量不足区域。

本发明所具有的有益效果：

本发明通过在预制坯模型和终锻件模型上设置台阶结构，在锻件成型时，终锻件成型模具对应设置的台阶结构与预制坯模型上设置的台阶结构，在终锻件成型模具和预制坯之间在对应的台阶结构位置形成两个或两个以上的变形支点；通过在变形不足区域设置的多个变形支点，可大幅增加预制坯成型时变形量不足区域的变形量，从而在保证锻件成型过程中变形量的同时，可大幅减小锻件余块的设计量，减小锻件锻造成型所需的原料，降低锻造成本。

附图说明

图1a为实施例1和对比例1中盘状零件旋转截面示意图。

图1b为实施例1和对比例1中根据容易成形和无需机械加工设计原则得到的盘状预制坯模型旋转截面示意图。

图1c为实施例1和对比例1中根据最小余量设计原则得到的终锻件模型旋转截面示意图。

图1d为实施例1和对比例1中锻件成型各区域变形量示意图。

图2a为对比例1中采用现有常规设计方法得到的预制坯模型旋转截面示意图。

图2b为对比例1中采用现有常规设计方法得到的终锻件模型旋转截面示意图。

图2c为对比例1中采用现有常规设计方法的锻件成型各区域变形量示意图。

图3a为实施例1中采用本发明方法得到的预制坯模型旋转截面示意图。

图3b为实施例1中采用本发明方法得到的终锻件模型旋转截面示意图。

图3c为实施例1中采用本发明方法的锻件成型各区域变形量示意图。

图4a为实施例2和对比例2中盘状零件旋转截面示意图。

图4b为实施例2和对比例2中根据容易成形和无需机械加工设计原则得到的盘状预制坯模型旋转截面示意图。

图4c为实施例2和对比例2中根据最小余量设计原则得到的锻件模型旋转截面示意图。

图4d为实施例2和对比例2中锻件成型各区域变形量示意图。

图5a为对比例2中采用现有常规设计方法得到的预制坯模型旋转截面示意图。

图5b为对比例2中采用现有常规设计方法得到的终锻件模型旋转截面示意图。

图5c为对比例2中采用现有常规设计方法的锻件成型各区域变形量示意图。

图6a为实施例2中采用本发明方法得到的预制坯模型旋转截面示意图。

图6b为实施例2中采用本发明方法得到的终锻件模型旋转截面示意图。

图6c为实施例2中采用本发明方法的锻件成型各区域变形量示意图。

具体实施方式

在模锻工艺中需要将原料锻造成零件的形状，通常是根据设定的模锻工艺参数，设计相应的预制坯模型、终锻件模型、预制坯成型模具以及终锻件成型模具，相应的设计过程通常为：

1)根据零件图，采用cad软件设计得到预制坯模型图和终锻件模型图，根据预制坯模型图和终锻件模型图设计预制坯成型模具图和终锻件成型模具图；

2)将锻件原料(棒料)模型图、预制坯成型模具图和终锻件成型模具图导入到deform软件中，设定相应的工艺参数，进行数值模拟，根据模拟结果，得到锻件成型过程中锻件各区域的变形量及变形量不足区域；

3)如锻件各区域的变形量不符合锻造要求，则根据变形量不足区域的位置对预制坯模型和终锻件模型图进行修改，重复上述步骤1)、2)，得到最终的预制坯模型图和终锻件模型图。

目前在改善锻件成型过程中锻件的变形量时通常采用在变形量不足区域增加变形空间来提升该区域的变形量，在实际的锻造设计中，通常采用的是预制坯大斜坡设计和终锻件大余块设计相结合的方式，其一般设计流程为：

根据确定的锻件各区域变形量不足区域，将预制坯上变形量不足区域对应设计成大斜坡结构，如图2a和5a中所示，并在终锻件上变形量不足区域增设余块结构，如图2b和5b中所示。这里的大斜坡结构为在预制坯上端面和/或下端面上倾斜设置的倾斜端面结构；余块的结构为在终锻件上设计较多的余量，从而在模锻成型过程中保证该位置处能够得到较大的变形量。采用这种设计方式能在一定程度上提高变形量不足区域的变形量，但这种采用增设余块的方式来提高变形量的方法，通常需要在终锻件上设计大余块结构，且大余块的设计量在整个锻件上的占比较大，从而大大增加了锻件锻造所需的原材料。

本发明中在预制坯上设置大斜坡结构，同时在大斜坡结构上设置台阶结构，作为锻造成型时的变形支点；并在终锻件模型的上端面和/或下端面上设置一个或多个台阶结构，此时对应地在终锻件成型模具上分别形成一个或多个具有外圆角的台阶结构，在锻造成型时成为终锻件成型模具与预制坯之间另外的一个或多个变形支点，上述台阶结构均靠近锻件成型变形量不足区域，在成型时对变形量不足区域产生作用，在预制坯和终锻件成型模具之间形成两个或两个以上的变形支点，通过设置的多个变形支点可增加锻件成型的变形量，同时可大幅度减小锻件余块的设计量，减小锻件锻造成型工艺中所需的原料。

本发明中的锻造变形量控制方法具体如下：

1)根据零件图，采用锻件工艺设计中的小余量设计原则设计得到终锻件模型，采用锻件工艺设计中的容易成型和无需机械加工原则设计得到预制坯模型，根据终锻件模型设计得到终锻件成型模具，对得到的预制坯模型和终锻件成型模具进行模拟成型分析，得到锻件成型各区域的变形量，确定锻件成型变形量不足区域；

2)针对锻件成型变形量不足区域，采用锻件工艺设计中的大斜坡设计原则，在预制坯模型上设置一个或多个大斜坡结构，并在大斜坡结构上设置台阶结构；针对锻件成型变形量不足区域，在终锻件模型上变形量不足区域的对应位置设置台阶结构；

3)对步骤2)中的预制坯模型和终锻件模型进行模拟成型分析，得到锻件成型各区域的变形量；

4)根据锻件成型各区域变形量的值，调整预制坯模型上大斜坡、大斜坡上台阶结构的位置参数、尺寸参数；调整终锻件上台阶结构的位置参数、尺寸参数；

5)根据步骤4)中的预制坯模型和终锻件模型进行模拟成型分析，得到锻件成型各区域的变形量；

6)重复步骤4)和5)，至锻件成型各区域的变形量满足要求，得到最终的预制坯模型和终锻件模型。

下面结合具体实施例、对比例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

以采用模锻工艺锻造图1a中所示的零件为例进行说明，具体如下：

图1a中所示的零件为以虚线为旋转中心的盘形零件。

如图1a，根据零件图按小余量设计原则(使锻件模型尽可能接近零件，使锻件尺寸尽可能小)设计得到终锻件模型，如图1c；按容易成型和无需机械加工原则设计得到预制坯模型，如图1b。

以设计得到的锻件模型和预制坯模型为基础，在deform软件中进行数值模拟，模拟预制坯模型成型至终锻件模型的变形过程，分析锻件在成型时各区域的变形量，确定该零件在锻造成型时变形量不足区域位于锻件的左上角区域和左下角区域，如图1d，两个区域的变形量分别为1％和0％。

针对锻件在成型时的两个变形量不足区域，在预制坯模型上设计两个大斜坡结构，并在两个大斜坡上分别设置台阶结构，如图3a；同时，在终锻件模型的变形量不足区域设置台阶结构，如图3b，在终锻件模型的左上角和左下角区域设计两个台阶结构；对得到的预制坯模型和终锻件模型，在deform软件中进行数值模拟，对锻件成型各区域变形量进行模拟分析，如图3c。

通过模拟分析可以得到，锻件在左上角区域的变形量从1％提高到89％，在左下角区域的变形量从0％提高到64％，提高了锻件成型时变形量不足区域的变形量。

该尺寸零件的终锻件重量为420kg。

对比例1

本对比例中采用现有常规设计方法，具体如下：

针对锻件在成型时的两个变形量不足区域，采用现有常规设计方法，如图2a，在预制坯模型上设计两个大斜坡结构；然后根据大余块设计原则在终锻件模型变形量不足区域设计大余块结构，如图2b，在终锻件模型的左上角和左下角区域设计两个大余块，从而增加两个变形量不足区域内预制坯成型为终锻件的变形空间；对得到的预制坯模型和终锻件模型，在deform软件中进行数值模拟，对锻件成型各区域变形量进行模拟分析，如图2c。

通过模拟分析可以得到，锻件在左上角区域的变形量从1％提高到83％，在左下角区域的变形量从0％提高到54％，提高了锻件成型时变形量不足区域的变形量。

由于终锻件模型上设计了两个大余块，该尺寸零件终锻件的重量达到450kg。

通过实施例1和对比例1可以看出，采用现有的常规方法虽然能够提高锻件成型变形量不足区域的变形量，但由于采用设置大余块的方式，相比于实施例1终锻件的重量要大30kg；同时，本发明方法对变形量不足区域的变形量提高具有更好的效果，如实施例1中对锻件左上角区域变形量从83％提高到89％，对锻件左下角的变形量从54％提高到64％。

也就是说，采用现有的常规设计方法虽然可以提高锻件成型时变形量不足区域的变形量，但同时会增加锻件的总重量，从而增加了锻件加工的原料成本；而采用本发明方法能够大幅减少终锻件上余块的量，降低锻件加工所需的原料成本，同时可以更好地提高变形量不足区域的变形量，使锻造成型时各区域的变形量更加均匀，进一步保证锻件的加工成型质量。

实施例2

以采用模锻工艺锻造图4a中所示的零件为例进行说明，具体如下：

图4a中所示的零件为以虚线为旋转中心的盘形零件。

如图4a，根据零件图按小余量设计原则设计得到终锻件模型，如图4c；按容易成型和无需机械加工原则设计得到预制坯模型，如图4b。

以设计得到的锻件模型和预制坯模型为基础，在deform软件中进行数值模拟，模拟预制坯模型成型到终锻件模型的变形过程，分析锻件在成型时各区域的变形量，确定该零件在锻造成型时变形量不足区域位于锻件的左上角区域和左下角区域，如图4d，两个区域的变形量分别为9％和2％。

针对锻件在成型时的两个变形量不足区域，在预制坯模型上设计大斜坡结构，并在大斜坡结构上分别设置台阶结构，如图6a；同时，在终锻件模型的变形量不足区域设置台阶结构，如图6b，在终锻件模型的左上角和左下角区域设计台阶结构；对得到的预制坯模型和终锻件模型，在deform软件中进行数值模拟，对锻件成型各区域变形量进行模拟分析，如图6c。

通过模拟分析可以得到，锻件在左上角区域的变形量从9％提高到59％，在左下角区域的变形量从2％提高到45％，提高了锻件成型时变形量不足区域的变形量。

该尺寸零件的终锻件重量为860kg。

对比例2

本对比例中采用现有常规设计方法，具体如下：

针对锻件在成型时的两个变形量不足区域，采用现有常规设计方法，如图5a，在预制坯模型上设计大斜坡结构；然后根据大余块设计原则在终锻件模型变形量不足区域设计两个大余块结构，如图5b，在终锻件模型的左上角和左下角区域设计两个大余块，从而增加两个变形量不足区域内预制坯成型为终锻件的变形空间；对得到的预制坯模型和终锻件模型，在deform软件中进行数值模拟，对锻件成型各区域变形量进行模拟分析，如图5c。

通过模拟分析可以得到，锻件在左上角区域的变形量从9％提高到57％，在左下角区域的变形量从2％提高到43％，提高了锻件成型时变形量不足区域的变形量。

由于终锻件模型上设计了两个大余块，该零件终锻件的重量达到910kg。

通过实施例2和对比例2可以看出，采用现有的常规方法虽然能够提高锻件成型变形量不足区域的变形量，但由于采用设置大余块的方式，相比于实施例2终锻件的重量要大50kg；同时本发明方法对变形量不足区域的变形量提高具有更好的效果，如实施例2中对锻件左上角区域变形量从43％提高到45％，对锻件左下角的变形量从57％提高到59％。

本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。