一种深腔附肋带缺口不规则筒形锻件精密热成形方法与流程

1.本发明涉及等温锻造领域，具体涉及一种深腔附肋带缺口不规则筒形锻件精密热成形方法。


背景技术：

2.铝合金具有比密度低，力学性能优良等优点，广泛用用于航空航天、武器制造领域。随着飞行器要求越来越长的飞行时间及导弹更远的打击范围，必然要求设计者尽可能的选用轻量化材料，轻量化结构设计；在满足部件尺寸要求的前提下，尽可能的减少部件结构，不规则缺口筒形零部件逐渐出现在设计者面前，同时带有深腔附肋带缺口不规则筒形铝合金航空锻件更是集材料轻量化与结构轻量化一体设计的零件。
3.如果采用传统的机械加工方式生产，其力学性能较差、各向异性严重，且造成材料大量浪费及较高的生产成本和较长的生产周期；但如果采用与腹板底部相同形状的坯料(如图1)，需要对坯料进行机械加工，延长了生产周期、产生了机加废料、增加了生产成本，同时破坏了坯料原有的流线完整性，从而影响锻件成品的性能。采用一步锻造成形的方式，由于部件形腔深，侧壁坯料充填距离远，腹板部金属流动空间小，容易导致侧壁及附肋金属与腹板金属汇流产生折迭缺陷，同时会增大成形载荷，降低模具寿命，不能满足稳定批量生产此类锻件的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种深腔附肋带缺口不规则筒形锻件精密热成形方法，解决该类锻件难充填、附肋折叠及侧壁表面拉伤、载荷吨位大、模具寿命较低的问题，同时通过提供合理的热处理工艺，消除锻件加工应力，满足锻件形性协同，实现了可批量低成本连续稳定生产该类锻件。
5.本发明的一种深腔附肋带缺口不规则筒形锻件精密热成形方法，它是按照以下步骤进行的：
6.1)预制腰鼓形坯料：将金属棒料加热后在平砧模具中墩粗成高度方向中间呈凸鼓、上下两末端直径小于中间凸鼓直径的腰鼓形预制坯料，所得到的腰鼓形预制坯料高度与宽度比为0.4～0.5：1；
7.2)反挤压预锻成形：腰鼓形预制坯料与模具表面均喷涂润滑剂，腰鼓形预制坯料与模具单独加热后，预锻成形过程中腰鼓预制坯料变形量为70％～80％；
8.3)蚀洗修伤：将预锻成形件脱模冷却到室温后进行碱液蚀洗、酸液光化处理，修除肋部、腹底部折迭及筒壁内外表面的折迭及表面拉伤痕迹；
9.4)随形去除连皮：经机械加工去除预锻成形件腹板中心处与腹板底部圆形凹槽形状相同、尺寸不同的连皮，经打磨使预锻成形件棱角圆滑过度；
10.5)小余量反挤压终锻成形：经修伤及去除连皮后的预锻成形件与模具表面均喷涂润滑剂，预锻成形件与模具单独加热后，进行反挤压终锻成形；
11.6)蚀洗去除锻件表面润滑剂：将预锻成形件脱模冷却到室温后进行碱液蚀洗、酸液光化处理，去除润滑剂；
12.7)锻后热处理，即完成所述的深腔附肋带缺口不规则筒形锻件精密热成形方法。
13.进一步地，所述深腔附肋带缺口不规则筒形锻件轮廓呈左右对称且侧壁开有缺口的类筒形件，腹板为底部中间开设圆形凹槽，腹板外轮廓由圆弧与多边形连接组成，四个附肋间隔分布在类筒形件的内侧壁且与侧壁同高，类筒形件侧壁厚度与类筒形件内腔深度比为0.2～0.3：1，类筒形件内腔深度与类筒形件高度比为0.7～0.8：1，类筒形件附肋间距为245～360mm。
14.进一步地，步骤1)所述金属棒料加热的温度为415～430℃，加热后保温时间为6～7h，平砧模具加热温度至415～425℃，预锻成形压力机速度为2.5mm/s～3mm/s，所述的金属棒料直径为
15.进一步地，步骤1)所述腰鼓形预制坯料为高度方向中间呈凸鼓、上下两末端直径小于中间凸鼓直径的对称腰鼓形结构，预制坯料高度方向正中间凸鼓的腰鼓直径为高度为185～195mm。
16.进一步地，步骤2)所述预锻成形过程中预制坯料和预锻模具在单独加热至90℃～100℃后表面均喷涂润滑剂。
17.进一步地，步骤2)所述的喷涂润滑剂为质量浓度为50％的石墨乳润滑剂。
18.进一步地，步骤2)所述的反挤压是指采用坯料成形方向与载荷加载方向相反的挤压方式预锻成形。
19.进一步地，步骤2)所述的预制坯料加热温度为415～430℃，保温时间为3～4h；预锻模具加热温度为415～425℃，压力机速度为2.5mm/s～3mm/s，采用反挤压预锻成形，预制坯料变形量为70％～80％时卸载脱模。
20.进一步地，步骤3)所述碱液为50-60℃的80-120克/公升氢氧化钠 25-30克/公升碳酸钠的水溶液，酸液为室温下的200-300毫升/公升硝酸溶液，碱液蚀洗及酸液光化处理过程中的每一步，均需用清水清洗预锻成形件。
21.进一步地，步骤4)所述随形是指与腹板底部凹槽的形状相同的连皮形状，采用随形去除预锻成形件的连皮。
22.能够使终锻过程中腹板金属按照腹板底部形状汇聚，保证锻件侧壁与腹板金属流线均匀流畅，提高了锻件的性能。
23.进一步地，步骤3)所述修伤是指采用气铲去除预锻成形件附肋根部、腹板底部折迭及侧壁表面的拉伤，风动角磨机修除由于铲除附肋根部、腹板底部折迭及侧壁表面的拉伤而产生的修伤痕迹，保证预锻成形件表面光滑。
24.进一步地，步骤4)所述的随形去除连皮是指经机械加工去除预锻成形件腹板中心处与腹板底部圆形凹槽形状相同、圆心相同的的连皮，经打磨使预锻成形件棱角圆滑过度。
25.进一步地，步骤5)所述终锻成形过程中经修伤及去除连皮的预锻成形件和预锻模具在单独加热至90℃～100℃时表面均喷涂润滑剂。
26.进一步地，步骤5)所述的喷涂润滑剂均为质量浓度为50％的石墨乳润滑剂。
27.进一步地，步骤5)所述的预锻成形件加热温度为415～430℃，保温时间为3～4h；
模具为预锻成形模具且加热温度至415～425℃，压力机速度为2.5mm/s～3mm/s，采用反挤压小余量终锻成形，上下模具闭合后卸载脱模。
28.进一步地，步骤6)所述的将预锻成形件脱模冷却到室温后进行碱液蚀洗、酸液光化处理后，需经90℃～100℃热水清洗终锻成形件，促进终锻件迅速干燥。
29.进一步地，步骤7)中所述热处理工艺为385
±
5℃，保温2.5
±
0.5h。
30.进一步地，金属棒料为铝合金棒料。
31.本发明采用坯料成形方向与成形载荷加载方向相反的反挤压方式成形，预制坯料在模具内无相对摩擦运动，从而降低了成形载荷，延长了模具寿命，减少了成形能耗。
32.本发明采用中间凸鼓、两末端直径尺寸相对于凸鼓直径尺寸较小的的腰鼓形预制坯料(如图2)，与腰鼓凸鼓处直径尺寸相同的圆柱棒坯料相比，由于腰鼓形预制坯料上下两末端直径尺寸比凸鼓处直径尺寸小，在坯料体积不变的条件下，直径尺寸减小，高度尺寸必然增加，因此相对增加了坯料高度；增加坯料高度相对减少了成形锻件侧壁充填高度，降低了成形载荷。但如果采用与腹板底部相同形状的坯料(如图1)，需要对坯料进行机械加工，延长了生产周期、产成了机加废料、增加了生产成本，同时破坏了坯料原有的流线完整性，从而影响锻件成品的性能。
33.本发明采用了预制坯成形方向与载荷加载方向相反的反挤压方式成形，预制坯在模具内无相对摩擦运动，从而降低了成形载荷；通过预制高度方向中间凸鼓、上下两末端直径尺寸比凸鼓直径尺寸较小的腰鼓形预制坯，在坯料体积不变的情况下，相对增加了坯料高度，减少了成形锻件侧壁充填高度，解决了深腔锻件成形困难的问题；本发明采用通过随形去除预锻成形件连皮的尺寸来控制金属流动性，在终锻成形时，由于锻件侧壁有缺口，模具下压过程中此处腹板坯料没有充填空间，只能横向流动，通过去除腹板中间的连皮，为侧壁缺口处腹板坯料提供流动空间，从而降低了成形载荷，延长了模具寿命；随形是指与腹板底部凹槽的形状相同的连皮形状，采用随形去除预锻成形件的连皮，为侧壁缺口处腹板坯料横向流动提供空间，能够使终锻过程中腹板金属按照腹板底部形状汇聚，保证锻件侧壁与腹板金属流线均匀流畅，提高了锻件的性能。
34.本发明采用两次分步成形，第一次预锻成形时，将预锻成形件侧壁及附肋基本充填，通过修伤去除附肋部、腹板部折迭(如图3)及侧壁部拉伤(如图4)，通过机械加工去除腹板连皮，增加终锻时侧壁缺口对应处腹板坯料横向流动空间，减小了二次成形载荷；二次终锻成形时，由于锻件侧壁及附肋基本充填，上端坯料很容易到达侧壁及附肋顶部，由原来的纵向流动改变为横向向下模周围设置的飞边槽流动，在下模与飞边槽桥口处设置较小的圆角，增加了坯料横向流动阻力，减少了坯料向飞边槽流动，利于锻件侧壁及附肋顶部成形。解决了的深腔附肋带缺口不规则筒形锻件，其形腔深、侧壁坯料充填距离远难成形及腹板部金属流动空间小，容易导致侧壁及附肋与腹板金属汇流产生折迭问题。
35.本发明提供了深腔附肋带缺口不规则筒形锻件锻后退火的工艺参数，保证了经变形加工后，需要后续机械加工的终锻成形件的尺寸稳定性。
附图说明
36.图1为腹板同形坯料示意图；
37.图2为腰鼓形坯料示意图；
38.图3为腹板底部折叠实物图；
39.图4为侧壁外表面拉伤实物图；
40.图5为修除腹板底部折迭实物图；
41.图6为修除侧壁外表面拉伤实物图；
42.图7为终锻后俯看实物图；
43.图8为终锻后侧看实物图。
具体实施方式
44.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
46.本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
47.通过以下实施例验证本发明的有益效果：
48.将金属棒料(5a06)切割为直径为高度为370mm，经箱式电阻炉加热温度为420℃，保温时间为7h，平砧模具加热温度至420℃，金属棒料经加热后在平砧模具中墩粗成高度方向中间凸鼓的腰鼓形坯料，预制坯料高度方向正中间凸鼓的腰鼓直径为高度为190mm。与腰鼓凸鼓处相同的圆柱棒料相比，由于腰鼓形预制坯料上下两末端直径尺寸比凸鼓处直径尺寸小，在坯料体积不变的条件下，直径尺寸减小，高度尺寸必然增加，因此相对增加了坯料高度；增加坯料高度相对减少了成形锻件侧壁充填高度，降低了成形载荷。。
49.将预制坯料和模具分别经箱式电阻炉和电阻丝加热棒加热至100℃，用气泵对其表面喷涂50％浓度的石墨乳润滑剂。在预制坯料及模具表面喷涂润滑剂，减少了摩擦力，促进金属流动，降低了载荷。
50.将预制坯料在箱式加热电阻炉中加热至420℃，保温7h。将预锻模具通过电阻丝加热至420℃，将加热后的预制坯料放入预锻模具中开始预成形，预锻成形压力机速度2.5mm/s，预制坯料变形量为80％时停止成形，预成形结束，卸载脱模。预锻成形变形量不宜过小，过小会在终成形时出现充不满的情况；预锻成形变形量也不宜过大，过大则可能导致附肋及腹板底部的折迭过深，难以去除。
51.将预锻成形件取出，空冷至室温后在碱液(温度为60℃的120克/公升氢氧化钠 30克/公升碳酸钠的水溶液)蚀洗(蚀洗后经清水清洗预锻成形件)、酸液(室温下的300毫升/公升硝酸溶液)光化处理(光化处理后经清水清洗预锻成形件)，去除表面的石墨润滑剂。通过放大镜观察肋部、腹底部折迭及筒壁内外表面拉伤情况。用气铲修除折迭及表面拉伤痕迹，以腹板底部圆形凹槽圆心为圆心，经数控机床机机械加工去除预锻成形件中间连皮，经百叶片打磨、抛光预锻成形件表面，使预锻成形件表面光滑，棱角圆滑过度(如图5、图6)。
52.将打磨、抛光后的预锻成形件和预锻模具分别经箱式电阻炉和电阻丝加热棒加热
至100℃，通过气泵对其表面喷涂50％浓度的石墨乳润滑剂，在预锻成形件和预锻模具表面喷涂润滑剂，减少了摩擦力，促进金属流动，降低了载荷。
53.经箱式电阻炉将喷涂石墨乳干燥后的预锻成形件加热温度为430℃，保温时间为4h；模具为预锻模具经电阻丝加热棒加热温度至425℃，保温时间为3.5h，压力机速度为2.5mm/s，将加热好的预锻成形件放入预锻模具模膛内，开始终锻成形。终锻成形压力机速度2.5mm/s，上下模闭合后停止成形，终锻成形结束。
54.将终锻成形件取出，空冷至室温后进行碱液(温度为60℃的120克/公升氢氧化钠 30克/公升碳酸钠的水溶液)蚀洗(蚀洗后经清水清洗预锻成形件)、酸液(室温下的300毫升/公升硝酸溶液)光化处理(光化处理后经清水清洗预锻成形件)，在去除表面的石墨润滑剂，在100℃热水清洗终锻成形件，促进终锻成形件迅速干燥，得到形状尺寸精确、表面质量良好的终锻成形件(图7、图8)。
55.将箱式电阻炉加热到380℃，放入蚀洗干燥后的终锻件，保温时间为2.5h；以消除应力。
56.由以上实例可知，本实施例的方法，采用了坯料成形方向与载荷加载方向相反的反挤压方式成形，降低了模锻载荷；通过预制高度方向中间凸鼓、上下两末端直径尺寸比凸鼓直径尺寸较小的腰鼓形预制坯，坯料体积不变的情况下，相对增加了坯料高度，有利于锻件的充填；随形去除预锻成形件中间连皮，去除连皮为侧壁缺口处腹板坯料提供流动空间，从而降低成形载荷，延长了模具寿命，降低了能耗；随形去除预锻成形件的连皮，能够使终锻过程中腹板金属按照腹板底部形状汇聚，保证锻件侧壁与腹板金属流线均匀流畅，提高了锻件的性能。
57.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出诺干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。