特大型钛合金框短流程锻造方法
【专利摘要】本发明涉及大型模锻件的锻造领域，公开了一种特大型钛合金框短流程锻造方法，该方法依次包括锻件设计、预锻件设计、板坯设计、预锻模具和终锻模具设计以及预锻和终锻等步骤，其不同于传统的“制坯+模锻”进行锻造的方式，而是通过合理的预锻件设计和去复杂化的坯料设计，采用原材料(板坯)直接进行模锻，去除了制坯工序，将锻造火次由15火次以上大幅减少到4火次，实现了短流程制造，缩短了生产周期，节约了制造成本，锻件过程控制稳定性和一致性更好。
【专利说明】
特大型钛合金框短流程锻造方法
技术领域
[0001]本发明涉及大型模锻件的锻造领域，尤其是一种特大型钛合金框短流程锻造方法。
【背景技术】
[0002]随着装备的大型化发展及科技的进步，钛合金锻件也在朝大型化、特大型化的趋势发展。特大型钛合金锻件通常是指投影面积在1.5m2以上的锻件。特大型钛合金框锻件若按照传统的“制坯+模锻”的思路锻造需要约15火次以上，存在生产火次多、制造流程长、生产成本高、过程控制一致性差等问题。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种特大型钛合金框短流程锻造方法，通过合理的预锻件设计和去复杂化的坯料设计，直接采用原材料(板坯)进行模锻，去除了制坯工序，大幅减少锻造火次，实现短流程制造的目的，过程控制稳定性和一致性更好。
[0004]本发明公开的特大型钛合金框短流程锻造方法，包括以下步骤:
[0005]步骤一、根据零件的形状、尺寸、材质、结构特点、选用的锻造设备及后续加工方式来随形增加余量设计锻件；
[0006]步骤二、从满足锻件成型、变形量合理分配、简化形状、便于定位等方面来进行预锻件初设计，以初设计的预锻件为初始状态，通过数值模拟方法分析锻件的成形，以预锻件到锻件一火成形为目标，并以应变场、温度场指标对预锻件的设计进行优化；
[0007]步骤三、从去复杂化的坯料设计角度出发，原始坯料以形状规则的板坯作为最终设计目标，根据步骤二预锻件外形初设计板坯，通过数值模拟方法分析从初设计板坯到步骤二预锻件的成形，从变形量合理分配、设备允许吨位、满足预锻件成型、简化预锻件形状等方面考虑，并以应变场、温度场指标对预锻件的设计进行优化和分配预锻火次；
[0008]步骤四，通过步骤二和步骤三的反复模拟优化，确定最终板坯和预锻件的设计及预锻火次；
[0009]步骤五、根据预锻件和锻件设计，确定模具材质和模具规格，根据钛合金材质和模具材质的热物性特点，在预锻件和锻件模型上增加相应的热膨胀系数，设计热锻件和热预锻件数模，并由热预锻件数模设计预锻模具，由热锻件数模设计终锻模具，并加工制造预锻模具和终锻模具；
[0010]步骤六、采用预锻模具在大型模锻压机上对板坯进行预锻，锻造出预锻件；
[0011]步骤七、采用终锻模具在大型模锻压机上对形成的预锻件进行终锻，完成锻造。
[0012]优选地，所述预锻火次在3火以内。优选地，所述步骤四中锻件含有内孔，所述预锻件与锻件内孔对应位置设置有连皮，所述预锻模具与锻件内孔对应位置设置有冲头，所述冲头所在区域内预锻模具的上模3与下模之间的间距从中间到四周逐渐增大形成连皮挤压斜面；
[0013]所述板坯为规则的长方形，板坯长度和宽度离预锻件型腔较远，预锻时板坯通过连皮斜面挤压，材料沿连皮逐渐流动充满预锻件型腔。
[0014]优选地，所述步骤六具体过程如下:
[0015]a、将板坯清理干净后涂抹防护润滑剂；
[0016]b、根据锻件材质特点和锻造要求对板坯进行加热；
[0017]C、在大型模锻压机上进行多火次预锻，每火锻造后对预锻件进行去除连皮及飞边操作。
[0018]优选地，在步骤六的c小步中，预锻火次为三火；
[0019]第一火预锻后，预锻件未充满预锻模具，对连皮进行修整，连皮沿内孔边缘保留100?200mm宽，其余部位连皮及飞边去除；
[0020]第二火预锻后，预锻件仍未完全充满预锻模具，对连皮进行修整，连皮沿内孔边缘保留50?10mm宽，其余部位连皮及飞边去除；
[0021 ]第三火预锻后，预锻件完全充满预锻模具，将全部连皮及飞边去除。
[0022]优选地，所述步骤七具体过程如下:
[0023]a、将预锻件清理干净后涂抹防护润滑剂；
[0024]b、根据锻件材质特点和锻造要求对预锻件进行加热；
[0025]C、在大型模锻压机上进行终锻，终锻一火完成。
[0026]本发明的有益效果是:特大型钛合金框锻造方法不同于传统的“制坯+模锻”锻造的方式，而是通过合理的预锻件设计和去复杂化的坯料设计，采用原材料(板坯)直接进行模锻，去除了制坯工序，将锻造火次由15火次以上大幅减少到4火次，实现了短流程制造，缩短了生产周期，节约了制造成本，锻件过程控制稳定性和一致性更好。
【附图说明】
[0027]图1是本发明中预锻件的示意图；
[0028]图2是图1的A-A剖视图；
[0029]图3是预锻模的示意图；
[0030]图4是图3的A’-A ’剖视图；
[0031 ]图5是板坯在预锻模具中的位置示意图；
[0032]图6是预锻的流程图。
[0033]在图1、3、5和6均仅表现了预锻模具及板坯的左半部分，其右半部分相对称，图中右侧竖向直线为预锻模具及板坯的对称轴。
[0034]附图标记:连皮I，型腔2，上模3，下模4，板坯5。
【具体实施方式】
[0035]下面以某特大型钛合金框锻件为例对本发明进一步说明。
[0036]步骤一、根据零件的形状、尺寸、材质、结构特点、选用的锻造设备及后续加工方式来随形增加余量设计锻件。
[0037]该锻件材质为TC4-DT钛合金，外轮廓尺寸约3700 X 1800 X 200mm，投影面积达5.4m2，含内孔，筋条较多，筋条长度、高度和宽度不一致、方向和大小不一致，截面变化剧烈，形状复杂，属于典型的高筋条薄腹板类锻件。根据零件特点和尺寸，需要采用大型模锻压机锻造，锻件设计随形放量，增加工艺凸台。
[0038]步骤二、钛合金锻件其变形量对组织性能影响较大，因此预锻件设计时需要从变形量的控制、满足成型要求、便于在终锻模的定位等方面综合考虑，预锻件设计外形与锻件相识、轮廓尺寸稍小，与锻件相比，其形状简化，过渡处采用更大的圆角半径。
[0039]以初设计的预锻件为初始状态，通过数值模拟方法分析锻件的成形，为满足锻件组织性能需要，以预锻件到锻件一火成形为目标，并以应变场、温度场指标对预锻件的设计进行优化。
[0040]步骤三、从去复杂化的坯料设计角度出发，原始坯料以形状规则的板坯作为最终设计目标，根据步骤二预锻件外形初设计板坯，通过数值模拟方法分析从初设计板坯到步骤二预锻件的成形，从变形量合理分配、设备允许吨位、满足预锻件成型、简化预锻件形状等方面综合考虑，并以应变场、温度场指标对预锻件的设计进行优化和分配预锻火次。
[0041]步骤四，通过步骤二和步骤三的反复模拟优化，最终确定板坯规格、预锻件的设计，预锻火次。
[0042]在此实施例中，确定板坯规格为3150 X 1160 X 130mm。
[0043]设计完成的预锻件如图1所示，所述预锻件与锻件内孔对应位置设置有连皮I，所述预锻模具与锻件内孔对应位置设置有冲头，所述冲头所在区域内预锻模具的上模3与下模4之间的间距从中间到四周逐渐增大形成连皮挤压斜面；
[0044]所述板坯5为规则的长方形，预锻时，板坯5处于预锻模具型腔外周范围内，因此，如图5所示，实际板坯长度和宽度方向上离预锻件型腔2较远，预锻时板坯通过连皮斜面挤压，材料沿连皮I逐渐流动充满预锻件型腔2，设计预锻火次分为三火。
[0045]步骤五、根据预锻件和锻件设计，确定模具材质和模具规格，锻造方式选用普通模锻，模具材质选择为5CrNiMo热作模具钢，模具长度为5500mm。
[0046]预锻件和锻件的设计确定以后，根据钛合金材质和模具材质的热物性特点，在预锻件和锻件模型上增加相应的热膨胀系数，设计热锻件和热预锻件数模，并由热预锻件数模设计预锻模具，由热锻件数模设计终锻模具，并加工制造预锻模具和终锻模具;根据TC4-DT钛合金材质和5CrNiMo热作模具钢在不同温度下的线膨胀系数分别确定模具和锻件的收缩率等特点，结合模具的规格，经过计算，按照普通模锻的工艺方式在锻件和预锻件数模设计的基础上增加热膨胀系数0.004后设计热锻件和热预锻件数模。
[0047]该TC4-DT钛合金零件含有内孔，因此其锻件也含有内孔，针对含有内孔的锻件，其预锻模具与锻件内孔对应位置设置有冲头，所述冲头所在区域内预锻模具的上模3与下模4之间的间距从中间到四周逐渐增大形成连皮挤压斜面;在步骤六的c小步中，第一火预锻之后在锻件上内孔对应位置形成连皮I。图1中，预锻模具中间阴影部位与锻件内孔相对应设计为冲头，在冲头区域周围则是预锻件的型腔2，冲头区域剖视图如图4所示，其结构特点为斜面过渡，这种结构特点使得采用板坯5进行预锻时，可以把坯料挤向预锻件的长度和宽度方向。板坯5在模具中的位置如图5所示，由图5可知，坯料离型腔2的距离较远，锻造过程中通过上下模具冲头对板坯5的挤压，材料逐步充满预锻件型腔2。
[0048]步骤六、采用预锻模具在大型模锻压机上对板坯5进行预锻，锻造出预锻件，预锻包括如下步骤:
[0049]a、将板坯5清理干净后涂抹防护润滑剂；
[0050]b、根据锻件材质特点和锻造要求对板坯5进行加热；
[0051]C、在大型模锻压机上进行多火预锻，每火锻造后对预锻件进行去除连皮及飞边操作。
[0052]涂抹防护润滑剂在板坯5加热前进行，涂抹前板坯5必须清理干净，涂抹要均匀，确保粘附效果，防护润滑剂可以起到防氧化及润滑的作用。坯料的加热采用电炉进行，严格按TC4-DT钛合金特点加热。模锻采用自动化高精度大型模锻压机，完全程控，能精确控制压制速度和压下量。锻造完成后采用机械加工的方式去除连皮I及飞边，根据各部位充满情况确认去除量。表面氧化皮等采用抛丸或吹砂的方式去除，表面缺陷必须打磨干净、过渡圆滑。
[0053]根据锻件的结构特点，在步骤六的c小步中，预锻火次为三次，预锻成型过程如图6所示:
[0054]第一次预锻后，预锻件未充满预锻模具，对连皮I进行修整，连皮I沿内孔边缘保留100?200mm宽，其余部位连皮I去除；
[0055]第二火预锻后，预锻件仍未完全充满预锻模具，对连皮I进行修整，连皮I沿内孔边缘保留50?10mm宽，其余部位连皮I去除；
[0056]第三火预锻后，预锻件完全充满预锻模具，将全部连皮I去除。
[0057]步骤七、采用终锻模具在大型模锻压机上对形成的预锻件进行终锻，完成锻造，所述步骤七具体过程如下:
[0058]a、将预锻件清理干净后涂抹防护润滑剂；
[0059]b、根据锻件材质特点和锻造要求对预锻件进行加热；
[0060]C、在大型模锻压机上进行终锻，终锻一火完成。
[0061]终锻涂抹防护润滑剂及加热要求与预锻相同，终锻一火完成，锻造完成采用机械加工的方式去除飞边，表面氧化皮等采用抛丸或吹砂的方式去除，表面缺陷必须打磨干净、过渡圆滑。
【主权项】
1.特大型钛合金框短流程锻造方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、根据零件的形状、尺寸、材质、结构特点、选用的锻造设备及后续加工方式来随形增加余量设计锻件； 步骤二、从满足锻件成型、变形量合理分配、简化形状、便于定位方面来进行预锻件初设计，以初设计的预锻件为初始状态，通过数值模拟方法分析锻件的成形，以预锻件到锻件一火成形为目标，并以应变场、温度场指标对预锻件的设计进行优化； 步骤三、从去复杂化的坯料设计角度出发，原始坯料以形状规则的板坯作为最终设计目标，根据步骤二预锻件外形初设计板坯，通过数值模拟方法分析从初设计板坯到步骤二预锻件的成形，从变形量合理分配、设备允许吨位、满足预锻件成型、简化预锻件形状方面考虑，并以应变场、温度场指标对预锻件的设计进行优化和分配预锻火次； 步骤四，通过步骤二和步骤三的反复模拟优化，确定最终板坯和预锻件的设计及预锻火次； 步骤五、根据预锻件和锻件设计，确定模具材质和模具规格，根据钛合金材质和模具材质的热物性特点，在预锻件和锻件模型上增加相应的热膨胀系数，设计热锻件和热预锻件数模，并由热预锻件数模设计预锻模具，由热锻件数模设计终锻模具，并加工制造预锻模具和终锻模具； 步骤六、采用预锻模具在大型模锻压机上对板坯(5)进行预锻，锻造出预锻件； 步骤七、采用终锻模具在大型模锻压机上对形成的预锻件进行终锻，完成锻造。2.如权利要求1所述的特大型钛合金框短流程锻造方法，其特征在于:所述预锻火次在3火以内。3.如权利要求1所述的特大型钛合金框短流程锻造方法，其特征在于: 所述步骤四中锻件含有内孔，所述预锻件与锻件内孔对应位置设置有连皮(I)，所述预锻模具与锻件内孔对应位置设置有冲头，所述冲头所在区域内预锻模具的上模(3)与下模(4)之间的间距从中间到四周逐渐增大形成连皮挤压斜面； 所述板坯(5)为规则的长方形，预锻时，板坯(5)处于预锻模具型腔外周范围内，板坯(5)通过连皮斜面挤压，材料沿连皮(I)逐渐流动充满预锻件型腔(2)。4.如权利要求3所述的特大型钛合金框短流程锻造方法，其特征在于，所述步骤六具体过程如下: a、将板坯(5)清理干净后涂抹防护润滑剂； b、根据锻件材质特点和锻造要求对板坯(5)进行加热； c、在大型模锻压机上进行重复进行多火预锻，每火锻造后对预锻件进行去除连皮及飞边操作。5.如权利要求4所述的特大型钛合金框整体锻造方法，其特征在于: 在步骤六的c小步中，预锻火次为三火； 第一火预锻后，预锻件未充满预锻模具，对连皮(I)进行修整，连皮(I)沿内孔边缘保留100?200mm宽，其余部位连皮(I)去除； 第二火预锻后，预锻件仍未完全充满预锻模具，对连皮(I)进行修整，连皮(I)沿内孔边缘保留50?10mm宽，其余部位连皮(I)去除； 第三火预锻后，预锻件完全充满预锻模具，将全部连皮(I)去除。6.如权利要求1所述的特大型钛合金框短流程锻造方法，其特征在于:所述步骤七具体过程如下: a、将预锻件清理干净后涂抹防护润滑剂； b、根据锻件材质特点和锻造要求对预锻件进行加热； c、在大型模锻压机上进行终锻，终锻一火完成。
【文档编号】B21J5/02GK106040930SQ201610371275
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】向伟, 祝力伟, 张鹏, 熊运森, 朱知寿
【申请人】中国航空工业集团公司北京航空材料研究院, 中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司