特大型鈦合金框短流程鍛造方法
【專利摘要】本發明涉及大型模鍛件的鍛造領域，公開了一種特大型鈦合金框短流程鍛造方法，該方法依次包括鍛件設計、預鍛件設計、板坯設計、預鍛模具和終鍛模具設計以及預鍛和終鍛等步驟，其不同于傳統的“制坯+模鍛”進行鍛造的方式，而是通過合理的預鍛件設計和去復雜化的坯料設計，采用原材料(板坯)直接進行模鍛，去除了制坯工序，將鍛造火次由15火次以上大幅減少到4火次，實現了短流程制造，縮短了生產周期，節約了制造成本，鍛件過程控制穩定性和一致性更好。
【專利說明】
特大型鈦合金框短流程鍛造方法
技術領域
[0001]本發明涉及大型模鍛件的鍛造領域，尤其是一種特大型鈦合金框短流程鍛造方法。
【背景技術】
[0002]隨著裝備的大型化發展及科技的進步，鈦合金鍛件也在朝大型化、特大型化的趨勢發展。特大型鈦合金鍛件通常是指投影面積在1.5m2以上的鍛件。特大型鈦合金框鍛件若按照傳統的“制坯+模鍛”的思路鍛造需要約15火次以上，存在生產火次多、制造流程長、生產成本高、過程控制一致性差等問題。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種特大型鈦合金框短流程鍛造方法，通過合理的預鍛件設計和去復雜化的坯料設計，直接采用原材料(板坯)進行模鍛，去除了制坯工序，大幅減少鍛造火次，實現短流程制造的目的，過程控制穩定性和一致性更好。
[0004]本發明公開的特大型鈦合金框短流程鍛造方法，包括以下步驟:
[0005]步驟一、根據零件的形狀、尺寸、材質、結構特點、選用的鍛造設備及后續加工方式來隨形增加余量設計鍛件；
[0006]步驟二、從滿足鍛件成型、變形量合理分配、簡化形狀、便于定位等方面來進行預鍛件初設計，以初設計的預鍛件為初始狀態，通過數值模擬方法分析鍛件的成形，以預鍛件到鍛件一火成形為目標，并以應變場、溫度場指標對預鍛件的設計進行優化；
[0007]步驟三、從去復雜化的坯料設計角度出發，原始坯料以形狀規則的板坯作為最終設計目標，根據步驟二預鍛件外形初設計板坯，通過數值模擬方法分析從初設計板坯到步驟二預鍛件的成形，從變形量合理分配、設備允許噸位、滿足預鍛件成型、簡化預鍛件形狀等方面考慮，并以應變場、溫度場指標對預鍛件的設計進行優化和分配預鍛火次；
[0008]步驟四，通過步驟二和步驟三的反復模擬優化，確定最終板坯和預鍛件的設計及預鍛火次；
[0009]步驟五、根據預鍛件和鍛件設計，確定模具材質和模具規格，根據鈦合金材質和模具材質的熱物性特點，在預鍛件和鍛件模型上增加相應的熱膨脹系數，設計熱鍛件和熱預鍛件數模，并由熱預鍛件數模設計預鍛模具，由熱鍛件數模設計終鍛模具，并加工制造預鍛模具和終鍛模具；
[0010]步驟六、采用預鍛模具在大型模鍛壓機上對板坯進行預鍛，鍛造出預鍛件；
[0011]步驟七、采用終鍛模具在大型模鍛壓機上對形成的預鍛件進行終鍛，完成鍛造。
[0012]優選地，所述預鍛火次在3火以內。優選地，所述步驟四中鍛件含有內孔，所述預鍛件與鍛件內孔對應位置設置有連皮，所述預鍛模具與鍛件內孔對應位置設置有沖頭，所述沖頭所在區域內預鍛模具的上模3與下模之間的間距從中間到四周逐漸增大形成連皮擠壓斜面；
[0013]所述板坯為規則的長方形，板坯長度和寬度離預鍛件型腔較遠，預鍛時板坯通過連皮斜面擠壓，材料沿連皮逐漸流動充滿預鍛件型腔。
[0014]優選地，所述步驟六具體過程如下:
[0015]a、將板坯清理干凈后涂抹防護潤滑劑；
[0016]b、根據鍛件材質特點和鍛造要求對板坯進行加熱；
[0017]C、在大型模鍛壓機上進行多火次預鍛，每火鍛造后對預鍛件進行去除連皮及飛邊操作。
[0018]優選地，在步驟六的c小步中，預鍛火次為三火；
[0019]第一火預鍛后，預鍛件未充滿預鍛模具，對連皮進行修整，連皮沿內孔邊緣保留100?200mm寬，其余部位連皮及飛邊去除；
[0020]第二火預鍛后，預鍛件仍未完全充滿預鍛模具，對連皮進行修整，連皮沿內孔邊緣保留50?10mm寬，其余部位連皮及飛邊去除；
[0021 ]第三火預鍛后，預鍛件完全充滿預鍛模具，將全部連皮及飛邊去除。
[0022]優選地，所述步驟七具體過程如下:
[0023]a、將預鍛件清理干凈后涂抹防護潤滑劑；
[0024]b、根據鍛件材質特點和鍛造要求對預鍛件進行加熱；
[0025]C、在大型模鍛壓機上進行終鍛，終鍛一火完成。
[0026]本發明的有益效果是:特大型鈦合金框鍛造方法不同于傳統的“制坯+模鍛”鍛造的方式，而是通過合理的預鍛件設計和去復雜化的坯料設計，采用原材料(板坯)直接進行模鍛，去除了制坯工序，將鍛造火次由15火次以上大幅減少到4火次，實現了短流程制造，縮短了生產周期，節約了制造成本，鍛件過程控制穩定性和一致性更好。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明中預鍛件的示意圖；
[0028]圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0029]圖3是預鍛模的示意圖；
[0030]圖4是圖3的A’-A ’剖視圖；
[0031 ]圖5是板坯在預鍛模具中的位置示意圖；
[0032]圖6是預鍛的流程圖。
[0033]在圖1、3、5和6均僅表現了預鍛模具及板坯的左半部分，其右半部分相對稱，圖中右側豎向直線為預鍛模具及板坯的對稱軸。
[0034]附圖標記:連皮I，型腔2，上模3，下模4，板坯5。
【具體實施方式】
[0035]下面以某特大型鈦合金框鍛件為例對本發明進一步說明。
[0036]步驟一、根據零件的形狀、尺寸、材質、結構特點、選用的鍛造設備及后續加工方式來隨形增加余量設計鍛件。
[0037]該鍛件材質為TC4-DT鈦合金，外輪廓尺寸約3700 X 1800 X 200mm，投影面積達5.4m2，含內孔，筋條較多，筋條長度、高度和寬度不一致、方向和大小不一致，截面變化劇烈，形狀復雜，屬于典型的高筋條薄腹板類鍛件。根據零件特點和尺寸，需要采用大型模鍛壓機鍛造，鍛件設計隨形放量，增加工藝凸臺。
[0038]步驟二、鈦合金鍛件其變形量對組織性能影響較大，因此預鍛件設計時需要從變形量的控制、滿足成型要求、便于在終鍛模的定位等方面綜合考慮，預鍛件設計外形與鍛件相識、輪廓尺寸稍小，與鍛件相比，其形狀簡化，過渡處采用更大的圓角半徑。
[0039]以初設計的預鍛件為初始狀態，通過數值模擬方法分析鍛件的成形，為滿足鍛件組織性能需要，以預鍛件到鍛件一火成形為目標，并以應變場、溫度場指標對預鍛件的設計進行優化。
[0040]步驟三、從去復雜化的坯料設計角度出發，原始坯料以形狀規則的板坯作為最終設計目標，根據步驟二預鍛件外形初設計板坯，通過數值模擬方法分析從初設計板坯到步驟二預鍛件的成形，從變形量合理分配、設備允許噸位、滿足預鍛件成型、簡化預鍛件形狀等方面綜合考慮，并以應變場、溫度場指標對預鍛件的設計進行優化和分配預鍛火次。
[0041]步驟四，通過步驟二和步驟三的反復模擬優化，最終確定板坯規格、預鍛件的設計，預鍛火次。
[0042]在此實施例中，確定板坯規格為3150 X 1160 X 130mm。
[0043]設計完成的預鍛件如圖1所示，所述預鍛件與鍛件內孔對應位置設置有連皮I，所述預鍛模具與鍛件內孔對應位置設置有沖頭，所述沖頭所在區域內預鍛模具的上模3與下模4之間的間距從中間到四周逐漸增大形成連皮擠壓斜面；
[0044]所述板坯5為規則的長方形，預鍛時，板坯5處于預鍛模具型腔外周范圍內，因此，如圖5所示，實際板坯長度和寬度方向上離預鍛件型腔2較遠，預鍛時板坯通過連皮斜面擠壓，材料沿連皮I逐漸流動充滿預鍛件型腔2，設計預鍛火次分為三火。
[0045]步驟五、根據預鍛件和鍛件設計，確定模具材質和模具規格，鍛造方式選用普通模鍛，模具材質選擇為5CrNiMo熱作模具鋼，模具長度為5500mm。
[0046]預鍛件和鍛件的設計確定以后，根據鈦合金材質和模具材質的熱物性特點，在預鍛件和鍛件模型上增加相應的熱膨脹系數，設計熱鍛件和熱預鍛件數模，并由熱預鍛件數模設計預鍛模具，由熱鍛件數模設計終鍛模具，并加工制造預鍛模具和終鍛模具;根據TC4-DT鈦合金材質和5CrNiMo熱作模具鋼在不同溫度下的線膨脹系數分別確定模具和鍛件的收縮率等特點，結合模具的規格，經過計算，按照普通模鍛的工藝方式在鍛件和預鍛件數模設計的基礎上增加熱膨脹系數0.004后設計熱鍛件和熱預鍛件數模。
[0047]該TC4-DT鈦合金零件含有內孔，因此其鍛件也含有內孔，針對含有內孔的鍛件，其預鍛模具與鍛件內孔對應位置設置有沖頭，所述沖頭所在區域內預鍛模具的上模3與下模4之間的間距從中間到四周逐漸增大形成連皮擠壓斜面;在步驟六的c小步中，第一火預鍛之后在鍛件上內孔對應位置形成連皮I。圖1中，預鍛模具中間陰影部位與鍛件內孔相對應設計為沖頭，在沖頭區域周圍則是預鍛件的型腔2，沖頭區域剖視圖如圖4所示，其結構特點為斜面過渡，這種結構特點使得采用板坯5進行預鍛時，可以把坯料擠向預鍛件的長度和寬度方向。板坯5在模具中的位置如圖5所示，由圖5可知，坯料離型腔2的距離較遠，鍛造過程中通過上下模具沖頭對板坯5的擠壓，材料逐步充滿預鍛件型腔2。
[0048]步驟六、采用預鍛模具在大型模鍛壓機上對板坯5進行預鍛，鍛造出預鍛件，預鍛包括如下步驟:
[0049]a、將板坯5清理干凈后涂抹防護潤滑劑；
[0050]b、根據鍛件材質特點和鍛造要求對板坯5進行加熱；
[0051]C、在大型模鍛壓機上進行多火預鍛，每火鍛造后對預鍛件進行去除連皮及飛邊操作。
[0052]涂抹防護潤滑劑在板坯5加熱前進行，涂抹前板坯5必須清理干凈，涂抹要均勻，確保粘附效果，防護潤滑劑可以起到防氧化及潤滑的作用。坯料的加熱采用電爐進行，嚴格按TC4-DT鈦合金特點加熱。模鍛采用自動化高精度大型模鍛壓機，完全程控，能精確控制壓制速度和壓下量。鍛造完成后采用機械加工的方式去除連皮I及飛邊，根據各部位充滿情況確認去除量。表面氧化皮等采用拋丸或吹砂的方式去除，表面缺陷必須打磨干凈、過渡圓滑。
[0053]根據鍛件的結構特點，在步驟六的c小步中，預鍛火次為三次，預鍛成型過程如圖6所示:
[0054]第一次預鍛后，預鍛件未充滿預鍛模具，對連皮I進行修整，連皮I沿內孔邊緣保留100?200mm寬，其余部位連皮I去除；
[0055]第二火預鍛后，預鍛件仍未完全充滿預鍛模具，對連皮I進行修整，連皮I沿內孔邊緣保留50?10mm寬，其余部位連皮I去除；
[0056]第三火預鍛后，預鍛件完全充滿預鍛模具，將全部連皮I去除。
[0057]步驟七、采用終鍛模具在大型模鍛壓機上對形成的預鍛件進行終鍛，完成鍛造，所述步驟七具體過程如下:
[0058]a、將預鍛件清理干凈后涂抹防護潤滑劑；
[0059]b、根據鍛件材質特點和鍛造要求對預鍛件進行加熱；
[0060]C、在大型模鍛壓機上進行終鍛，終鍛一火完成。
[0061]終鍛涂抹防護潤滑劑及加熱要求與預鍛相同，終鍛一火完成，鍛造完成采用機械加工的方式去除飛邊，表面氧化皮等采用拋丸或吹砂的方式去除，表面缺陷必須打磨干凈、過渡圓滑。
【主權項】
1.特大型鈦合金框短流程鍛造方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、根據零件的形狀、尺寸、材質、結構特點、選用的鍛造設備及后續加工方式來隨形增加余量設計鍛件； 步驟二、從滿足鍛件成型、變形量合理分配、簡化形狀、便于定位方面來進行預鍛件初設計，以初設計的預鍛件為初始狀態，通過數值模擬方法分析鍛件的成形，以預鍛件到鍛件一火成形為目標，并以應變場、溫度場指標對預鍛件的設計進行優化； 步驟三、從去復雜化的坯料設計角度出發，原始坯料以形狀規則的板坯作為最終設計目標，根據步驟二預鍛件外形初設計板坯，通過數值模擬方法分析從初設計板坯到步驟二預鍛件的成形，從變形量合理分配、設備允許噸位、滿足預鍛件成型、簡化預鍛件形狀方面考慮，并以應變場、溫度場指標對預鍛件的設計進行優化和分配預鍛火次； 步驟四，通過步驟二和步驟三的反復模擬優化，確定最終板坯和預鍛件的設計及預鍛火次； 步驟五、根據預鍛件和鍛件設計，確定模具材質和模具規格，根據鈦合金材質和模具材質的熱物性特點，在預鍛件和鍛件模型上增加相應的熱膨脹系數，設計熱鍛件和熱預鍛件數模，并由熱預鍛件數模設計預鍛模具，由熱鍛件數模設計終鍛模具，并加工制造預鍛模具和終鍛模具； 步驟六、采用預鍛模具在大型模鍛壓機上對板坯(5)進行預鍛，鍛造出預鍛件； 步驟七、采用終鍛模具在大型模鍛壓機上對形成的預鍛件進行終鍛，完成鍛造。2.如權利要求1所述的特大型鈦合金框短流程鍛造方法，其特征在于:所述預鍛火次在3火以內。3.如權利要求1所述的特大型鈦合金框短流程鍛造方法，其特征在于: 所述步驟四中鍛件含有內孔，所述預鍛件與鍛件內孔對應位置設置有連皮(I)，所述預鍛模具與鍛件內孔對應位置設置有沖頭，所述沖頭所在區域內預鍛模具的上模(3)與下模(4)之間的間距從中間到四周逐漸增大形成連皮擠壓斜面； 所述板坯(5)為規則的長方形，預鍛時，板坯(5)處于預鍛模具型腔外周范圍內，板坯(5)通過連皮斜面擠壓，材料沿連皮(I)逐漸流動充滿預鍛件型腔(2)。4.如權利要求3所述的特大型鈦合金框短流程鍛造方法，其特征在于，所述步驟六具體過程如下: a、將板坯(5)清理干凈后涂抹防護潤滑劑； b、根據鍛件材質特點和鍛造要求對板坯(5)進行加熱； c、在大型模鍛壓機上進行重復進行多火預鍛，每火鍛造后對預鍛件進行去除連皮及飛邊操作。5.如權利要求4所述的特大型鈦合金框整體鍛造方法，其特征在于: 在步驟六的c小步中，預鍛火次為三火； 第一火預鍛后，預鍛件未充滿預鍛模具，對連皮(I)進行修整，連皮(I)沿內孔邊緣保留100?200mm寬，其余部位連皮(I)去除； 第二火預鍛后，預鍛件仍未完全充滿預鍛模具，對連皮(I)進行修整，連皮(I)沿內孔邊緣保留50?10mm寬，其余部位連皮(I)去除； 第三火預鍛后，預鍛件完全充滿預鍛模具，將全部連皮(I)去除。6.如權利要求1所述的特大型鈦合金框短流程鍛造方法，其特征在于:所述步驟七具體過程如下: a、將預鍛件清理干凈后涂抹防護潤滑劑； b、根據鍛件材質特點和鍛造要求對預鍛件進行加熱； c、在大型模鍛壓機上進行終鍛，終鍛一火完成。
【文檔編號】B21J5/02GK106040930SQ201610371275
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】向偉, 祝力偉, 張鵬, 熊運森, 朱知壽
【申請人】中國航空工業集團公司北京航空材料研究院, 中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司