一种隔框锻件变厚度板坯的预成形模具及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空航天工业锻造成形技术领域，特别涉及隔框锻件变厚度板坯精确 预成形技术领域。
【背景技术】
[0002] 隔框模锻件是广泛应用于航空航天器上的承力结构件，采用高性能轻质合金材料 (例如铝合金、钛合金）制成，主要由肋条和腹板两部分构成，通常采用开式模锻工艺，在大 型模锻液压机上热模锻成形。开式模锻件余量大，具有飞边结构，材料利用率低，生产成本 高。而且，在开式模锻工艺中，预制坯设计是按体积不变原则首先计算获得等厚度的板坯， 然后根据隔框模锻件的形状尺寸凭经验进行大致的体积再分配，获得预制坯形状尺寸。不 能实现根据隔框模锻件结构尺寸精确合理分配板坯各部位体积，从而使板坯在开式模锻成 形过程中，易出现充不满缺陷；腹板处金属也易发生横向穿肋流动，或产生紊流和折叠等缺 陷，产品质量不能保证。
[0003] 采用闭式模锻工艺成形隔框锻件，由于没有飞边结构，消除了周边肋的流线露头 现象，提高了模锻件质量；闭式模锻件余量小，形状尺寸精度高，可提高材料利用率，降低生 产成本。因此，隔框闭式模锻成形工艺具有显著的优势。然而，在闭式模锻成形工艺中，模 锻件板坯形状尺寸的合理设计是保证获得合格产品的关键。若板坯体积分配不合理，在模 锻成形过程中，腹板处金属发生横向穿肋流动，导致在部分中间肋的根部产生紊流、穿流、 折置等缺陷。
[0004] 传统的自由锻造预成形方法比较适合于加工简单形状的预成形坯，且尺寸精度 低，加工效率低，不能满足形状较为复杂且尺寸精确要求高的预制板坯的成形。
【发明内容】
[0005] 为了将隔框锻件等厚度板坯经预成形工序锻造成为变厚度板坯，高效的获得尺寸 精度高的变厚度板坯，从而提高模锻成形后隔框锻件的质量，有效避免紊流、穿流、折叠等 缺陷，本发明提供一种隔框锻件变厚度板坯的预成形模具及方法。
[0006] 一种隔框锻件变厚度板坯的预成形方法，其特征是依次采用如下步骤：
[0007] 1)、根据所要成形隔框锻件的形状尺寸，确定变厚度板坯115的形状尺寸；
[0008] 2)、由变厚度板坯115形状尺寸确定与其体积相等、平面图面积相同的等厚度板 还 114 ;
[0009] 3)、根据变厚度板坯115形状尺寸设计变厚度板坯的预成形模具；
[0010] 4)、根据板坯材质的不同，将等厚度板坯114经加热炉加热到该材质固有的始锻 温度并保温45~50min，将预成形模具预热到250~350°C ;
[0011] 5)、将预成形模具和等厚度板坯114喷涂润滑剂；
[0012] 6)、将等厚度板坯114置于预成形模具凹槽内并加载施压，直到加载行程结束，保 压5~IOs后卸载回程，顶杆将变厚度板坯115向上顶出凹槽，得到变厚度板坯115。
[0013] 所述的一种隔框锻件变厚度板坯的预成形方法，其特征是所述确定变厚度板坯形 状尺寸的步骤是：
[0014] 1)、根据所要成形的隔框锻件形状尺寸，绘制隔框锻件三维造型图；
[0015] 2)、绘制隔框锻件的长宽面的平面图；所述长宽面即由长度和宽度构成的一个 面；
[0016] 3)、在平面图中将隔框锻件划分成若干单元的组合体，并对单元进行编号；所述单 元由中间肋（103)中心线所围成的最小区域闭合体或者由中间肋中心线与隔框锻件外轮 廓线所围成的最小区域闭合体；
[0017] 4)、分别计算平面图中每个单元的平面图面积Si;分别计算每个单元的体积V i;根 据公式：Hi 分别计算每个单元的理想厚度H';
[0018] 5)、对变厚度板坯每个单元的平面图面积Si和理想厚度Hii进行简化处理，得到变 厚度板坯每个新单元的平面图面积I和厚度H f所述简化处理即将厚度差小于Imm的相邻 单元合并成一个新单元，并对未合并的单元和合并后的新单元重新依次编号；分别计算每 个新单元的平面图面积\_和新单元的体积根据公式：^ = f计算每个新单元的理想厚 度Η%;新单元的体积V j为被合并单元的体积之和，新单元的平面图面积S j为被合并单元的 平面面积之和；各未合并单元的体积和平面图面积与修正前相同；将理想厚度1^_四舍五入 取整，得到每个新单元的厚度Hj;
[0019] 6)、对简化处理后的不同厚度交界处形成的台阶采用过渡斜坡进行修正；即将相 邻新单元之间产生的台阶的高阶位置减掉一个横截面是30度角的直角三角形的体积，将 该30度角的直角三角形的体积增加到相邻新单元之间产生的台阶的低阶位置处；使高阶 与低阶之间由倾斜平面连接。
[0020] 所述的一种隔框锻件变厚度板坯的预成形方法，其特征是所述变厚度板坯的形状 为：在平面图上，变厚度板坯外轮廓与隔框锻件外轮廓相同；变厚度板坯在高度方向上看， 下表面为水平面，上表面为通过斜坡过渡连接的若干水平平台。
[0021] 所述的一种隔框锻件变厚度板坯的预成形方法，其特征是所述隔框锻件由腹板 101和肋组成，腹板101的上下表面连接肋，相邻两肋之间的高度差不超过30%，相邻单元 的平面图面积差不超过一倍。
[0022] 所述的一种隔框锻件变厚度板坯的预成形方法，其特征是所述肋包括中间肋103 和周边肋102,隔框锻件的外轮廓上均有周边肋102。
[0023] 所述的一种隔框锻件变厚度板坯的预成形方法，其特征是所述等厚度板坯选取经 过自由锻改善组织后的锻态TC4钛合金材料，预成形前加热到始锻温度940~970°C，并保 温45~50min，使板坯心部与表面温度相同；预成形模具的预热温度为250~350°C。
[0024] 所述的一种隔框锻件变厚度板坯的预成形方法，其特征是所述等厚度板坯选取经 过自由锻改善组织后的锻态7075高强铝合金材料，预成形前加热到始锻温度390~410°C， 并保温45~50min，使板坯心部与表面温度相同；预成形模具的预热温度为250~350°C。
[0025] 一种隔框锻件变厚度板坯的预成形模具，其特征是所述变厚度板坯的预成形模具 包括上凸模110、下凹模111、顶杆112和顶板113 ;上凸模110的下部设有凸台，下凹模111 的上部设有与凸台配合的凹槽；下凹模111的凹槽底部形状尺寸与变厚度板坯115的斜坡 过渡连接的水平平台面的形状尺寸相匹配；下凹模111的凹槽内设有若干插孔，顶杆112插 在插孔内，顶杆112下面设有顶板113,顶板113与顶杆112触碰。
[0026] 本发明的有益效果：针对这种形状尺寸较为复杂的隔框锻件变厚度板坯，采用此 预成形模具及预成形方法进行生产，显著提高了生产效率，提高了材料利用率，确保了变厚 度板坯的尺寸精度，为随后隔框锻件的精确闭式模锻成形提供了高质量高精度的变厚度板 坯。
【附图说明】
[0027] 图1为常见闭式模锻成形缺陷剖面示意图。
[0028] 图2为本发明隔框锻件一三维造型。
[0029] 图3为隔框锻件一平面图。
[0030] 图4为隔框锻件一 A-A面剖视图。
[0031] 图5为隔框锻件一 B-B面剖视图。
[0032] 图6为隔框锻件一理想的变厚度板坯平面图。
[0033] 图7为隔框锻件一理想的变厚度板坯A-A面剖视图。
[0034] 图8为隔框锻件一理想的变厚度板坯B-B面剖视图。
[0035] 图9为隔框锻件一简化后的变厚度板坯平面图。
[0036] 图10为隔框锻件一简化后的变厚度板坯A-A面剖视图。
[0037] 图11为隔框锻件一简化后的变厚度板坯B-B面剖视图。
[0038] 图12为隔框锻件一变厚度板坯平面图。
[0039] 图13为隔框锻件一变厚度板坯A-A面剖视图。
[0040] 图14为隔框锻件一变厚度板坯B-B面局部放大剖视图。
[0041] 图15为本发明隔框锻件二三维造型。
[0042] 图16为隔框锻件二平面图。
[0043] 图17为隔框锻件二C-C面剖视图。
[0044] 图18为隔框锻件二D-D面剖视图。
[0045] 图19为隔框锻件二理想的变厚度板坯平面图。
[0046] 图20为隔框锻件二理想的变厚度板坯C-C面剖视图。
[0047] 图21为隔框锻件二简化后的变厚度板坯平面图。
[0048] 图22为隔框锻件二简化后的变厚度板坯C-C面剖视图。
[0049] 图23为隔框锻件二变厚度板坯平面图。
[0050] 图24为隔框锻件二变厚度板坯C-C面局部放大剖视图。
[0051] 图25为隔框锻件一变厚度板坯的预成形模具装配结构在A-A面位置的剖视图。
[0052] 图26为隔框锻件一变厚度板坯成形并顶出后，预成形模具装配结构在A-A面位置 的剖视图。
[0053] 图27为隔框锻件二变厚度板坯的预成形模具装配结构在C-C面位置的剖视图。
[0054] 图28为隔框锻件二变厚度板坯成形并顶出后，预成形模具装配结构在C-C面位置 的剖视图。
[0055] 图中，101、腹板，102、周边肋，103、中间肋，104、肋腔，105、上模，106、下模，107、隔 框锻件一，108、单元边界线，Hi 1-IIi16、单元编号，M1-Mx、新单元编号，109、隔框锻件二，110、上 凸模，111、下凹模，112、顶杆，113、顶出板，114、等厚度板坯，115、变厚度板坯。
【具体实施方式】
[0056] 实施例一：本发明中所述的隔框锻件中腹板101、周边肋102和中间肋103的定义 见《锻压技术手册（上册）》第79、786页，国防工业出版社（1989年第一版）。
[0057] 1、根据所要成形的隔框锻件形状尺寸，确定变厚度板坯115的形状尺寸。具体如 下：
[0058] 1)、此隔框锻件一 107长650mm，宽490mm，为双面对称肋结构，纵向、横向各5条肋 条相互交织，肋宽为l〇mm，单