两端带头的大型钛合金叶片顶锻制坯模具及其制坯方法与流程

本发明涉及钛合金叶片顶锻制坯技术领域，具体涉及一种两端带头的大型钛合金叶片顶锻制坯模具及其制坯方法。

背景技术：

钛合金是第二次世界大战以后发展起来的新型金属结构材料，其主要特点是比重小，强度高，因而比强度高，具有良好的耐热和耐蚀性能，在航空工业中得到广泛应用。但钛合金变形抗力大，锻造区间窄，对锻造速度、变形量等工艺参数的变化敏感。某型发动机两端带头的大型钛合金叶片两端头体积大、叶身宽、长且薄，轴线截面面积变化较大，叶片制坯较难实现。

传统制坯方式采用顶锻完成，依据锻造工艺学及锻压手册设计顶锻模具，没有完全考虑钛合金特性及后期顶锻坯料与模具匹配度等因素，叶片两端头转接圆角处出现大量折叠及裂纹，成批叶片锻件报废。经工艺改进，将传统顶锻制坯改为自由锻方式制坯。由于自由锻操作工技能水平存在差异，制坯一致性较差，且制坯效率低，不能满足批产需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种两端带头的大型钛合金叶片顶锻制坯模具及其制坯方法，以解决现有制坯模具不能满足批产需求且制坯成品质量差的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种两端带头的大型钛合金叶片顶锻制坯模具，包括大头聚集成型机构和小头聚集成型机构；

大头聚集成型机构包括大头后挡料座以及由上至下依次设置在所述大头后挡料座上的大头一次聚集模组、大头二次聚集模组、大头三次聚集模组以及大头成型模组；

小头聚集成型机构包括小头后挡料座以及由上至下依次设置在小头后挡料座上的小头一次聚集模组、小头二次聚集模组以及小头成型模组，且小头成型模组的成型冲头内的小头端成型型腔倾斜设置。

采用上述技术方案的有益效果为：通过对坯料大头端设计特定的三聚集+一成型的加工结构、对小头端设计特定的两聚集+一成型的加工结构进行叶片端头成型制坯，更细致的聚集加工结构使得聚集锥体的大小放大系数较锻压设计手册减小22.4％-33.1％，有效的避免了因变形过大而造成聚集失稳及折叠毛刺等缺陷产生，且通过后档料座有效的解决了因下料过长而无法夹持的问题，同时避免了顶锻过程中因为设备顶锻力大而将坯料顶出模具击伤操作工的风险，提高加工成产的安全性能；通过小头端成型型腔的倾斜设置，使得坯料的小头端与杆部之间弯曲，进而能与终锻模具完美匹配且能实现坯料在模具上的精确定位，实现坯料的充型完整，有效的满足批量生产需求，制坯质量高。

进一步，大头一次聚集模组、大头二次聚集模组、大头三次聚集模组以及大头成型模组均包括设置在大头后挡料座上的大头端聚集阴模座、与大头端聚集阴模座相对应的大头端聚集阳模座以及设置在大头端聚集阳模座上的大头端冲头；

大头端聚集阴模座内设置有用于夹持坯料的定位型腔，大头一次聚集模组的大头端冲头、大头二次聚集模组的大头端冲头以及大头三次聚集模组的大头端冲头内均设置有用于对坯料大端头进行充型的大头端锥体充型型腔，大头成型模组的大头端冲头内设置有用于对坯料大端头进行成型的大头端成型型腔；且定位型腔分别与大头端锥体充型型腔和大头端成型型腔相对应；

大头一次聚集模组的大头端锥体充型型腔的轴向尺寸、大头二次聚集模组的大头端锥体充型型腔的轴向尺寸以及大头三次聚集模组的大头端锥体充型型腔的轴向尺寸依次减小。

采用上述技术方案的有益效果为：通过对用于坯料大头端成型的大头聚集模组的具体结构限定，通过大头端聚集阳模座、大头端聚集阴模座、定位型腔、大头端冲头以及锥体充型型腔之间的配合加工方式，保证在大头端聚集成型的稳定可靠性；且通过对坯料的大头端进行不同程度的三次次聚集及一次成型，根据加工需要对每次聚集所充型的型腔尺寸均有适应性变化，从而提高坯料大头端聚集成型的质量。

进一步，小头一次聚集模组、小头二次聚集模组以及小头成型模组均包括设置在小头后挡料座上的小头端聚集阴模座、与小头端聚集阴模座相对应的小头端聚集阳模座以及设置在小头端聚集阳模座上的小头端冲头；

小头端聚集阴模座内设置有用于夹持胚料的小头端定位型腔，小头一次聚集模组的小头端冲头内以及小头二次聚集模组的小头端冲头内均设置有用于对坯料小头端进行充型的小头端锥体充型型腔，小头成型模组的小头端冲头内设置有用于对坯料小头端进行成型的小头端成型型腔，且小头端成型型腔倾斜设置；

小头一次聚集模组的小头端锥体充型型腔的轴向尺寸大于小头二次聚集模组的小头端锥体充型型腔的轴向尺寸。

采用上述技术方案的有益效果为：采用二次聚集结构和一次成型结构，并通过小头端聚集阳模座、小头端聚集阴模座、锥体充型型腔、小头端冲头及定位型腔之间的配合，有效的提高对小头端聚集成型的质量，且该小头端成型型腔的倾斜设置结构实现坯料在模具上的精确定位，提高坯料的充型完整性。

进一步，大头端成型型腔的直径为154.5mm-157.5mm。

采用上述技术方案的有益效果为：根据坯料终锻过程中的走料情况，增大了对大头端成型型腔的尺寸，从而保证坯料大头端均匀分布，提高大头端充型完整性。

进一步，小头端成型型腔的直径为140.5mm-143.5mm，小头端成型型腔的轴向宽度为15.5mm-18.5mm。

采用上述技术方案的有益效果为：通过对小头端成型型腔的直径增大以及厚度的减小，保证了坯料小头端均匀分布，避免模具对坯料的剪切力影响而产生折叠。

进一步，小头端成型型腔的倾斜角度为6°。

采用上述技术方案的有益效果为：通过对小头端成型型腔倾斜角度的限定，在该角度下，提高小头端与终锻模具的匹配程度，并实现坯料在模具上的精确定位，实现坯料的完整充型。

进一步，大头端聚集阴模座与大头后挡料座之间以及所述小头端聚集阴模座与小头后挡料座之间均设置有垫片。

采用上述技术方案的有益效果为：通过垫片对冲头的冲击力进行缓冲，有效的避免聚集阴模座与后挡料座之间的碰撞，增加模具的使用寿命。

本发明还提供了一种采用两端带头的大型钛合金叶片顶锻制坯模具的制坯方法，包括以下步骤：

步骤1：将大头端聚集阴模座安装在大头后挡料座上，将大头端冲头安装在大头端聚集阳模座上，同时将小头端聚集阴模座安装在小头后挡料座上，将小头端冲头安装在小头端聚集阳模座上；

步骤2：对安装好后的模具进行预热，并对坯料进行加热；

步骤3：将加热后的坯料放置到大头聚集成型机构内进行大头端成型操作；

步骤4：将完成大头端成型的坯料进行冷却后装炉二次加热，加热后的坯料放置到小头聚集成型机构内进行小头端成型操作，完成对坯料两端头的成型操作。

采用上述技术方案的有益效果为：该制坯方法中各加工步骤顺序特定，先对大头端进行先聚集再成型加工，随后通过空冷增强大头端的结构强度，再次加热便于后续小头端的可靠加工，进而再对小头端进行先聚集再成型加工，其加工可靠，加工后的成品质量好，制坯一致性高且制坯效率高，有效的满足批产需求。

进一步，步骤3中包括以下步骤：

步骤3.1：坯料的大头聚集：将加热后的坯料放置到大头一次聚集模组的定位型腔内，并使得坯料的尾部紧靠大头后挡料座上的定位螺栓，通过大头一次聚集模组的大头端冲头向前运动，使得坯料在大头一次聚集模组的大头端锥体充型型腔内完成第一次充型；

步骤3.2：将完成第一次充型后的坯料安装到大头二次聚集模组的定位型腔内，通过大头二次聚集模组的大头端冲头向前运动，使得坯料在大头二次聚集模组的大头端锥体充型型腔内完成第二次充型；

步骤3.3：将完成第二次充型后的坯料安装到大头三次聚集模组的定位型腔内，通过大头三次聚集模组的大头端冲头向前运动，使得坯料在大头三次聚集模组的大头端锥体充型型腔内完成第三次充型；

步骤3.4：将第三次充型后的坯料安装到大头成型模组的定位型腔内，并通过大头成型模组的大头端冲头向前运动，使得坯料在大头成型模组的大头端成型型腔内完成坯料的大头端成型。

采用上述技术方案的有益效果为：在该步骤中通过对大头端成型的方法进行特定限定，形成三次聚集以及一次成型方式，实现更为精细的加工步骤，使得聚集锥体的大头端放大系数与现有的锻压设计手册上的放大系数减小，有效的避免了因变形过大而造成聚集失稳及折叠毛刺等缺陷的产生。

进一步，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：将大头端成型后的坯料空冷装炉进行第二次加热，加热后的坯料安装到小头端一次聚集模组的小头端定位型腔内，并通过小头一次聚集模组的小头端冲头向前运动，使得坯料在小头一次聚集模组的小头锥体充型型腔内完成坯料小头端的第一次充型；

步骤4.2：将第一次充型后的坯料安装到小头二次聚集模组的小头端定位型腔内，并通过二次聚集模组的小头端冲头向前运动，使得坯料在小头二次聚集模组的小头锥体充型型腔内完成小头端的第二次充型；

步骤4.3：将第二次充型后的坯料安装到小头成型模组的小头端定位型腔内，并通过小头成型模组的小头端冲头向前运动，使得坯料在小头成型模组的小头端成型型腔内完成坯料的小头端成型。

采用上述技术方案的有益效果为：通过对小头端具体成型步骤的限定，采用两次聚集以及一次成型方式，有效的保证了小头端的充型完整性，提高结构强度，且通过成型时的倾斜型腔角度，保证了与模具的可靠匹配，实现坯料在模具上的精确定位。

附图说明

图1为本发明中大头聚集成型机构结构示意图；

图2为本发明中大头后档料座示意图；

图3为本发明中小头聚集成型机构结构示意图；

图4为本发明中小头后档料座示意图；

图5为本发明中大头一次聚集模组的大头端冲头示意图；

图6为本发明中大头二次聚集模组的大头端冲头示意图；

图7为本发明中大头三次聚集模组的大头端冲头示意图；

图8为本发明中大头成型模组的大头端冲头示意图；

图9为本发明中小头一次聚集模组的小头端冲头示意图；

图10为本发明中小头二次聚集模组的小头端冲头示意图；

图11为本发明中小头成型模组的小头端冲头示意图；

图12为本发明中大头端聚集成型工步图；

图13为本发明中小头端聚集成型工步图；

图1至图13中所示附图标记分别表示为：1-大头后挡料座，2-大头一次聚集模组，3-大头二次聚集模组，4-大头三次聚集模组，5-大头成型模组，6-小头后挡料座，7-小头一次聚集模组，8-小头二次聚集模组，9-小头成型模组，10-小头端冲头，11-小头端成型型腔，20-大头端聚集阴模座，21-大头端聚集阳模座，22-大头端冲头，23-定位型腔，24-大头端锥体充型型腔，25-大头端成型型腔，60-小头端聚集阴模座，61-小头端聚集阳模座，62-小头端锥体充型型腔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图2所示，一种两端带头的大型钛合金叶片顶锻制坯模具，包括大头聚集成型机构和小头聚集成型机构。大头聚集成型机构用于对坯料大头端的成型操作，小头聚集成型机构用于对坯料小头端的成型操作。

大头聚集成型机构包括大头后挡料座1以及由上至下依次设置在大头后挡料座1上的大头一次聚集模组2、大头二次聚集模组3、大头三次聚集模组4以及大头成型模组5。通过三个聚集模组结构以及一个成型模组结构，形成坯料大头端的三次聚集和一次成型，其结构可靠，大头端成型质量高。大头后挡料座1为大头聚集模组的安装提供可靠挡靠基础，且有效的实现了因下料过程而无法夹持的问题，同时避免了顶端过程中因顶锻力大而将坯料顶出模块击伤操作工的风险。

如图3至图4所示，小头聚集成型机构包括小头后挡料座6以及由上至下依次设置在小头后挡料座6上的小头一次聚集模组7、小头二次聚集模组8以及小头成型模组9，且小头成型模组9的成型冲头内的小头端成型型腔11倾斜设置。通过两个聚集模组结构以及一个成型模组结构，形成小头端的二次聚集和一次成型，且其成型型腔倾斜，保证充型的完整匹配，提高小头端成型质量。小头后挡料座6上设置有与成型后的大头端相适配的卡槽，通过卡槽以及小头后挡料座6对坯料进行可靠夹持固定，其固定牢固，有效的提高在坯料小头端聚集成型过程中的稳定可靠性。

通过对坯料大头端设计特定的三聚集+一成型的加工结构、对小头端设计特定的两聚集+一成型的加工结构进行叶片端头成型制坯，更细致的聚集加工结构使得聚集锥体的大小放大系数较锻压设计手册减小22.4％-33.1％，有效的避免了因变形过大而造成聚集失稳及折叠毛刺等缺陷产生，且通过后档料座有效的解决了因下料过长而无法夹持的问题，同时避免了顶锻过程中因为设备顶锻力大而将坯料顶出模具击伤操作工的风险，提高加工成产的安全性能；通过小头端成型型腔11的倾斜设置，使得坯料的小头端与杆部之间弯曲，进而能与终锻模具完美匹配且能实现坯料在模具上的精确定位，实现坯料的充型完整，有效的满足批量生产需求，制坯质量高。

如图5至图8所示，大头一次聚集模组2、大头二次聚集模组3、大头三次聚集模组4以及大头成型模组5均包括设置在大头后挡料座1上的大头端聚集阴模座20、与大头端聚集阴模座20相对应的大头端聚集阳模座以及设置在大头端聚集阳模座上的大头端冲头22；

大头端聚集阴模座20内设置有用于夹持坯料的定位型腔23，大头一次聚集模组2的大头端冲头22、大头二次聚集模组3的大头端冲头22以及大头三次聚集模组4的大头端冲头22内均设置有用于对坯料大端头进行充型的大头端锥体充型型腔24，大头成型模组5的大头端冲头22内设置有用于对坯料大端头进行成型的大头端成型型腔25；且定位型腔23分别与大头端锥体充型型腔24和大头端成型型腔25相对应。大头一次聚集模组2的大头端锥体充型型腔24的轴向尺寸、大头二次聚集模组3的大头端锥体充型型腔24的轴向尺寸以及大头三次聚集模组4的大头端锥体充型型腔24的轴向尺寸依次减小。

通过对用于坯料大头端成型的大头聚集模组的具体结构限定，通过大头端聚集阳模座、大头端聚集阴模座20、定位型腔23、大头端冲头22以及锥体充型型腔之间的配合加工方式，保证在大头端聚集成型的稳定可靠性；且通过对坯料的大头端进行不同程度的三次次聚集及一次成型，根据加工需要对每次聚集所充型的型腔尺寸均有适应性变化，从而提高坯料大头端聚集成型的质量。大头端锥体充型型腔24靠近大头聚集阴模座的端部直径大于大头端锥体充型型腔24靠近大头端冲头22端部的直径。

如图9至图11所示，小头一次聚集模组7、小头二次聚集模组8以及小头成型模组9均包括设置在小头后挡料座6上的小头端聚集阴模座60、与小头端聚集阴模座60相对应的小头端聚集阳模座以及设置在所述小头端聚集阳模座上的小头端冲头10；

小头端聚集阴模座60内设置有用于夹持胚料的小头端定位型腔61，小头一次聚集模组7的小头端冲头10内以及小头二次聚集模组8的小头端冲头10内均设置有用于对坯料小头端进行充型的小头端锥体充型型腔62，小头成型模组9的小头端冲头10内设置有用于对坯料小头端进行成型的小头端成型型腔11，且小头端成型型腔11倾斜设置。小头一次聚集模组7的小头端锥体充型型腔62的轴向尺寸大于小头二次聚集模组8的小头端锥体充型型腔62的轴向尺寸。采用二次聚集结构和一次成型结构，并通过小头端聚集阳模座、小头端聚集阴模座60、锥体充型型腔、小头端冲头10及定位型腔23之间的配合，有效的提高对小头端聚集成型的质量，且该小头端成型型腔11的倾斜设置结构实现坯料在模具上的精确定位，提高坯料的充型完整性。

根据现有计算，坯料大头端实际计算出尺寸仅需φ126mm，本发明中，所述大头端成型型腔25的直径为154.5mm-157.5mm。根据坯料终锻过程中的走料情况，增大了对大头端成型型腔25的尺寸，进而将大头端尺寸增大到154.5mm-157.5mm，优选尺寸为156mm，保证坯料大头端均匀分布，提高大头端充型完整性。

根据现有计算，小头端实际尺寸仅需φ109mm，厚度为20mm，本发明中，所述小头端成型型腔11的直径为140.5mm-143.5mm，优选直径为142mm。小头端成型型腔11的轴向宽度为15.5mm-18.5mm，优选为17mm。

通过对小头端成型型腔11的直径增大以及厚度的减小，从而将小头端的直径增大到142mm，厚度减小到17mm，保证了坯料小头端均匀分布，避免模具对坯料的剪切力影响而产生折叠。

小头端成型型腔11的倾斜角度为6°。通过对小头端成型型腔11倾斜角度的限定，在该角度下，提高小头端与终锻模具的匹配程度，并实现坯料在模具上的精确定位，实现坯料的完整充型。

大头端聚集阴模座20与大头后挡料座1之间以及所述小头端聚集阴模座60与小头后挡料座6之间均设置有垫片。通过垫片对冲头的冲击力进行缓冲，有效的避免聚集阴模座与后挡料座之间的碰撞，增加模具的使用寿命。

本发明还提供了一种采用两端带头的大型钛合金叶片顶锻制坯模具的制坯方法，包括以下步骤：

步骤1：将大头端聚集阴模座20安装在大头后挡料座1上，将大头端冲头22安装在大头端聚集阳模座上，同时将小头端聚集阴模座60安装在小头后挡料座6上，将小头端冲头10安装在小头端聚集阳模座上；

步骤2：对安装好后的模具进行预热，并对坯料进行加热；

步骤3：将加热后的坯料放置到大头聚集成型机构内进行大头端成型操作；

步骤4：将完成大头端成型的坯料进行冷却后装炉二次加热，加热后的坯料放置到小头聚集成型机构内进行小头端成型操作，完成对坯料两端头的成型操作。

采用上述技术方案的有益效果为：该制坯方法中各加工步骤顺序特定，先对大头端进行先聚集再成型加工，随后通过空冷增强大头端的结构强度，再次加热便于后续小头端的可靠加工，进而再对小头端进行先聚集再成型加工，其加工可靠，加工后的成品质量好，制坯一致性高且制坯效率高，有效的满足批产需求。

如图12所示，步骤3中包括以下步骤：

步骤3.1：坯料的大头聚集：将加热后的坯料放置到大头一次聚集模组2的定位型腔23内，并使得坯料的尾部紧靠大头后挡料座1上的定位螺栓，通过大头一次聚集模组2的大头端冲头22向前运动，使得坯料在大头一次聚集模组2的大头端锥体充型型腔24内完成第一次充型；

步骤3.2：将完成第一次充型后的坯料安装到大头二次聚集模组3的定位型腔23内，通过大头二次聚集模组3的大头端冲头22向前运动，使得坯料在大头二次聚集模组3的大头端锥体充型型腔24内完成第二次充型；

步骤3.3：将完成第二次充型后的坯料安装到大头三次聚集模组4的定位型腔23内，通过大头三次聚集模组4的大头端冲头22向前运动，使得坯料在大头三次聚集模组4的大头端锥体充型型腔24内完成第三次充型；

步骤3.4：将第三次充型后的坯料安装到大头成型模组5的定位型腔23内，并通过大头成型模组5的大头端冲头22向前运动，使得坯料在大头成型模组5的大头端成型型腔25内完成坯料的大头端成型。

图12中，①表示坯料大头端的第一次聚集加工；②表示坯料大头端的第二次聚集加工；③表示坯料大头端的第三次聚集加工；④表示坯料大头端的成型加工。通过对大头端具体成型步骤的限定，形成三次聚集以及一次成型方式，实现更为精细的加工步骤，使得聚集锥体的大头端放大系数与现有的锻压设计手册上的放大系数减小，有效的避免了因变形过大而造成聚集失稳及折叠毛刺等缺陷的产生。

如图13所示，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：将大头端成型后的坯料空冷装炉进行第二次加热，加热后的坯料安装到小头端一次聚集模组的小头端定位型腔61内，并通过小头一次聚集模组7的小头端冲头10向前运动，使得坯料在小头一次聚集模组7的小头锥体充型型腔内完成坯料小头端的第一次充型；

步骤4.2：将第一次充型后的坯料安装到小头二次聚集模组8的小头端定位型腔61内，并通过二次聚集模组的小头端冲头10向前运动，使得坯料在小头二次聚集模组8的小头锥体充型型腔内完成小头端的第二次充型；

步骤4.3：将第二次充型后的坯料安装到小头成型模组9的小头端定位型腔61内，并通过小头成型模组9的小头端冲头10向前运动，使得坯料在小头成型模组9的小头端成型型腔11内完成坯料的小头端成型。

图13中，⑤表示坯料小头端的第一次聚集加工；⑥表示坯料小头端的第二次聚集加工；⑦表示坯料小头端的成型加工。通过对小头端具体成型步骤的限定，采用两次聚集以及一次成型方式，有效的保证了小头端的充型完整性，提高结构强度，且通过成型时的倾斜型腔角度，保证了与模具的可靠匹配，实现坯料在模具上的精确定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。