本發(fā)明屬于航空產(chǎn)品塑性成形領域，具體涉及一種薄板類復雜模鍛件制坯用胎模及成形方法。

背景技術：

薄板類結構件是航空領域使用的一種典型零部件，主要起到分隔、支撐、導向、定位的作用。然而，薄板類結構件的整體零件厚度較小，外形尺寸大且不規(guī)則，甚至局部存在加強筋等隆起部分，因此毛坯通常采用鑄造成形，但對于一些力學性能要求較為苛刻的零件，則要求采用鍛造成形。目前，薄板類結構件的鍛造工藝主要有自由鍛造、普通模鍛和等溫鍛造。其中，自由鍛造主要用于鍛件的粗成形，成形后鍛件形狀與零件差別較大，重點依靠后續(xù)機加工過程完成零件成形。這種鍛造工藝的材料浪費較大、鍛件的機加工生產(chǎn)周期較長，適用于廉價材料或批量小的零件。等溫鍛造興起于20世紀后期，主要利用金屬材料的超塑性，使坯料在某一恒定溫度下變形，成形后鍛件尺寸接近于零件尺寸，鍛件機加工量小，但這種鍛造工藝的成本較高。相比較而言，普通模鍛在航空領域中使用范圍最廣泛，其鍛造方式介于自由鍛造和等溫鍛造工藝之間，盡管成形后的鍛件仍有較大機加工量，但機加工周期遠短于自由鍛造鍛件，鍛造過程中不需要加熱，因此鍛造成本也遠低于等溫鍛造。

對于薄板類復雜模鍛件而言，不規(guī)則外形輪廓導致鍛件鍛造難度很大。對薄板類復雜模鍛件采用方坯、棒坯進行鍛造時，坯料在模具型腔內(nèi)的變形量較大，變形產(chǎn)熱導致鍛件局部溫度升高，鍛后容易出現(xiàn)魏氏體等惡劣組織，導致鍛件力學性能較差。因此，為了降低鍛造難度，減少材料浪費，需要在制坯過程中精化坯料的形狀，使坯料的形狀與鍛件形狀匹配?，F(xiàn)有發(fā)明中，公開號cn104308057a的發(fā)明專利提供了一種長薄板類復雜模鍛件胎模鍛制坯成形方法，該方法通過設計簡易工裝，采用鍛方、拔桿、壓窩等工步，使坯料形狀更接近鍛件的外形，有利于模鍛件的最終成形，但該發(fā)明適用于輪廓為矩形或梯形的簡單鍛坯，對于形狀復雜的曲面輪廓很難成形出來。公開號cn105397001a的發(fā)明專利提供了一種鈦合金復雜薄板類鍛件的等溫鍛造成形方法，即通過在自由鍛錘上對坯料進行鐓粗、拔長、壓扁，隨后采用等溫鍛造的方法成形出最終的鍛件，該專利制坯過程屬于自由鍛，坯料與鍛件的形狀差異較大，鍛件的材料利用率較低。公開號為cn201592229u、cn202877460u和cn201913125u的實用新型分別提供了一種框體安裝邊異形鍛件、一種履帶板和一種曲軸的制坯模具，兩個發(fā)明中上下模具分別用螺栓與壓機上下砧座相連固定，通過上模和下模閉合后形成的空腔來成形出具有特定形狀的坯料，模具的使用方式比較單一。公開號為cn205032552u的實用新型提供了一種薄壁件成形模具，該發(fā)明主要用于球形薄壁件的沖壓成形。

基于以上現(xiàn)有技術可以看出，目前薄板類復雜模鍛件制坯時所采用的方法主要有兩種。一種由上模具和下模具兩部分構成，模具型腔呈矩形、梯形或小的圓弧形。制坯前，上、下模具分別用螺栓與壓機砧座連接，隨后將加熱后的坯料放入模具型腔內(nèi)，操作壓機使上、下模具閉合，坯料在模具型腔內(nèi)達到規(guī)定的形狀。另一種胎模由限制坯料流向的框模、墊塊和壓板組成，制坯前將坯料放入框模，再將壓板置于坯料上。制坯時利用壓機上砧板壓動壓板，使坯料在框模內(nèi)流動，從而成形出規(guī)定的坯料形狀。以上兩種制坯方法中胎模的體積和重量都比較大，且制坯過程中不能更換模具，即一種坯料的成形只能在一個加熱火次中用一套胎模完成，因此，對于較復雜的坯料只能通過增加鍛造火次，陸續(xù)采用多套胎模來制坯，這種制坯方式明顯增加了鍛造成本和生產(chǎn)周期。另一方面，鍛件制坯所采用的多套胎模，其外形尺寸都一樣，只是形腔不同，因此每一套胎模加工時都必須用相同尺寸的模具材料進行形腔加工，大大增加了模具材料的成本。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提高坯料與鍛件形狀的匹配程度，避免薄板類復雜模鍛件在鍛造過程中因坯料形狀不合理出現(xiàn)局部變形量過大，或模具充填不到位，因而提出一種薄板類復雜模鍛件制坯用胎模及成形方法。

本發(fā)明的技術解決方案是，胎模包括芯模、加強板和手柄，所述芯模的外輪廓為方形或圓形，外輪廓的中部有向外伸出有凸臺，凸臺高度10mm～20mm；芯模中部為胎模型腔，型腔側壁的拔模斜面角度為5°～7°；芯模的外廓尺寸為型腔最大長度lmax+100mm～200mm，芯模的高度與坯料的最大高度相同。

所述的加強板是厚度為10mm～20mm的兩塊方形金屬板，中心部位有一個與芯模外輪廓相同的孔，孔的尺寸與芯模外輪廓的尺寸相匹配，加強板的外廓長度、寬度分別是芯模厚度的2～3倍；加強板的中間孔與加強板的輪廓外緣之間分布有若干減重孔，減重孔直徑為φ20mm，孔間距30mm；距加強板寬邊30mm處分別有兩個直徑10mm的安裝孔，用于連接手柄。

所述手柄的一端為空心圓管，另一端截面為方形實心金屬棒，方形端的頭部有圓弧形卡頭，卡頭的厚度與芯模外輪廓中部向外伸出的凸臺厚度相等。

利用薄板類復雜模鍛件的胎模制坯的方法，包括以下步驟：

步驟1，按照鍛件重量的1.1～1.5倍，從金屬棒料上截取棒坯；

步驟2，在電阻爐中將棒坯加熱至鍛造溫度；

步驟3，組裝胎模，將兩塊加強板分別夾持在芯模外輪廓中部向外伸出的凸臺上，使芯模置于加強板的的中間孔中，并將手柄的圓弧形卡頭與兩塊加強板固定；

步驟4，從電阻爐中夾出棒坯放置在壓機下平砧上，操作壓機上錘頭打擊棒坯，使棒坯呈方形，方坯的尺寸以能夠放入胎模的芯模型腔中為準；

步驟5，通過手柄將組裝好的胎模抬至壓機下平砧上，將方坯放入芯模型腔，用壓機上錘頭打擊方坯，同時移動胎模，使坯料均勻充滿胎模型腔，隨后反轉胎模，使坯料從胎模型腔中脫落；

步驟6，打磨坯料，去除多余毛邊。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果，本發(fā)明通過對航空薄板類復雜模鍛件制坯用胎模進行設計，提出了一種在自由鍛造設備上實現(xiàn)薄板類復雜模鍛件精密制坯的方法。本發(fā)明通過采用芯模、加強板和手柄的結構，胎模不用固定在壓機下工作臺面上，提高了胎模的便攜性，使胎模隨時都可以放在壓機下平砧上進行制坯。同時，胎模的芯模由兩塊加強板固定，拆裝容易，方便不同芯模的更換。針對復雜薄板類鍛件制坯所用的多套胎模，采用本發(fā)明后不用以套為單位加工不同型腔的胎模，只需單獨加工芯模即可，大大節(jié)省了模具材料，降低了生產(chǎn)成本。鍛造過程中，本發(fā)明只需在一火次中快速更換芯模就能實現(xiàn)以前多套胎模多火次的制坯效果。

附圖說明

圖1胎模組合后的示意圖。

圖2胎模芯模示意圖。

圖3胎模加強板示意圖。

圖4胎模手柄示意圖。

圖5胎模鍛造過程的示意圖。

1.芯模2.加強板3.手柄4.螺栓5.螺母

6.定位凸臺7.減重孔8.芯模安裝孔9.螺栓安裝孔

10.手柄螺栓安裝孔11.壓機上錘頭12.壓機下平砧13.坯料

具體實施方式

所述的薄板類復雜模鍛件的胎模，包括芯模1、加強板2和手柄3。所述芯模1的外輪廓為方形，四個側面的中部有向外伸出的凸臺6，凸臺6高度10mm～20mm；芯模中部為胎模型腔，用于成形坯料13，型腔側壁的拔模斜面角度為5°～7°；芯模的外廓長度、寬度尺寸分別為型腔最大長度(lmax)+100mm～200mm，最大寬度(wmax)+100mm～200mm，芯模的高度與坯料的最大高度相同。

所述加強板2是厚度10mm～20mm的方形金屬板，中心部位有一個方孔，所述方孔的長度、寬度分別與芯模外輪廓長度、寬度相匹配。加強板的外廓長度、寬度分別是芯模厚度的2～3倍；加強板的中間方孔與輪廓外緣之間分布有若干減重孔，孔徑φ20mm，孔間距30mm；距加強板寬邊30mm處分別有兩個直徑10mm的安裝孔，用于連接手柄。

所述手柄3的一端為空心圓管，長度300mm～500mm，壁厚5mm；另一端截面為方形，長度100mm的實心金屬棒。方形端的頭部有圓弧形卡頭，卡頭的圓弧半徑為r25mm，厚度為10mm。

模具組裝時先將芯模放入置在兩塊加強板中間，加強板使中心部位的方孔與芯模外輪廓配合，隨后將手柄的圓弧形卡頭插在兩塊加強板中間，使卡頭上的安裝孔與加強板上的安裝孔對齊，最后用m10的螺栓和螺母將兩個加強板及中間的手柄固定。

本發(fā)明所提出的薄板類復雜模鍛件的胎模制坯方法，其具體包括以下步驟：

步驟1，按照鍛件重量的1.1～1.2倍，從金屬棒料上截取棒坯。

步驟2，在電阻爐中將棒坯加熱至指定鍛造溫度。

步驟3，將壓機上、下平砧和胎模的芯模預熱至200℃～400℃。

步驟4，從電阻爐中夾出棒坯放置在壓機下平砧12上，操作壓機上錘頭11打擊棒坯，使棒坯呈方形。所述方坯尺寸取決于芯模型腔尺寸，即使方坯最大外廓與模具型腔相距不小于2mm。

步驟5，通過手柄將胎膜抬至壓機下平砧上，將方坯放入芯模型腔。用壓機上錘頭打擊方坯，同時移動胎膜，使坯料均勻充滿胎膜型腔。隨后反轉胎膜，使坯料從胎膜型腔中脫落。

步驟6，去除多余毛邊，打磨坯料。

實施例一

鈦合金由于比強度高、耐腐蝕和耐熱性能好而被廣泛應用于航空領域，多用于制造航空發(fā)動機中要求強度高與耐熱性能好的重要零部件和飛機機體結構件。本實施例是一種復雜航空鈦合金薄板鍛件的坯料成形過程，以及所使用的胎模。胎模由芯模1、加強板2、手柄3、螺栓4和螺母5組成，分別用于約束坯料的外圍輪廓，強化芯模側壁和移動胎模。

圖2～圖5所示，芯模1的外廓為方形，長度為350mm，寬度為230mm，高度為45mm，四個側面的中部有向外伸出的凸臺6，凸臺的伸出高度為20mm，厚度為15mm。芯模1的中部為胎模型腔，所述型腔在底面的投影近似為矩形，投影由四個邊組成：兩個短邊為直線，長度80mm；其中一個長邊也為直線，長度200mm；另一個長邊呈波紋狀曲線，如圖2所示。以上三個直邊之間有r15mm的圓角。芯模型腔的四個側壁與底面有7°的夾角，便于鍛后坯料的取出。芯模1的材料為h13模具鋼。

所述加強板2是長度550mm，寬度450mm，厚度15mm的矩形板，中心部位有方形通孔是芯模的安裝孔8，所述安裝孔的長度為350.2mm，寬度為230.2mm。加強板2的外輪廓與芯模安裝孔8之間有若干減重孔7(直徑φ20mm)。所述減重孔以加強板2輪廓長度550mm的側邊為基準，等距排列11層，層間距離為30mm，每層圓心之間的距離為30mm。在加強板2長度450mm的側邊附近，各有兩個直徑φ10mm螺栓安裝孔9，孔心距邊線30mm，距邊線中點115mm。

所述胎模的手柄3的一端為空心圓管，長度為400mm，外徑為φ25mm，內(nèi)徑為φ15mm，；另一端截面為35mm×35mm的方形，長度100mm的實心金屬棒。方形端的頭部有圓弧形卡頭，卡頭的圓弧半徑為r25mm，厚度為10mm?？^心部有一個直徑φ10mm的手柄螺栓安裝孔10，用于安裝螺栓4。

本實例的具體成形過程包括以下步驟：

步驟1，從直徑φ80mm的ta15鈦合金棒料上截取重量為2.5kg的棒坯。打磨棒坯的鋸切面，兩端面倒3mm×45°的倒角。

步驟2，電爐升溫至tβ-40℃，空燒60min。隨后，將棒坯放入加熱爐，棒坯間隔不小于30mm。待溫度重新升到設定溫度后保溫30min。

步驟3，將壓機上錘頭11、下平砧12和胎模的芯模1預熱至300℃。

步驟4，從電阻爐中夾出棒坯并放置在2噸電液錘地下平砧上12，操作壓機上錘頭11打擊棒坯，變形量不小于40％，使棒坯呈方形(邊長不大于190mm×70mm)。

步驟5，在所述方坯13外表面噴涂潤滑劑。

步驟6，將胎模放置在壓機下平砧上12，方坯13放入芯模1的型腔。用壓機上錘頭11打擊方坯，同時移動胎模，使坯料均勻充滿胎模型腔。隨后反轉胎模，使坯料從胎模型腔中脫落。

步驟7，去除多余毛邊，打磨坯料。