CN112453305A - 一种抑制局部挤压裂纹的成形模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制局部挤压裂纹的成形模具及方法，所述成形模具包括上模、下模，还包括：挤压缓冲件，挤压前间隙配合地放置在所述下模的成型腔内，且在挤压过程中通过与坯料同步形变，从而对坯料的延伸端施加轴向流动阻力；所述下模的挤压口模角θ与所选坯料挤压比成正比。本发明一方面通过设计合理的挤压口模角，使得挤压口处的等效应变值低于锻件材料所能承受的最大变形量，从而使锻造获得的锻件盘杆交接处网格畸变明显减少，避免了在锻件盘杆交接处产生裂纹；另一方面，本发明在坯料底部增加挤压缓冲件，通过挤压缓冲件增大坯料轴向流动的阻力，增强了三向压应力，从而抵消了一部分轴向的附加拉应力，进一步降低了裂纹产生的可能性。

Description

一种抑制局部挤压裂纹的成形模具及方法

技术领域

本发明涉及挤压成型领域，特别地，涉及一种抑制局部挤压裂纹的成形模具及方法。

背景技术

涡轮盘、涡轮短轴是航空发动机或燃气轮机最重要部件之一，长期运行在高温、高速、高载的恶劣条件下，材料以GH4169、GH500等镍基、钴基高温合金为主，常采用锻件毛坯。

某型航空发动机涡轮盘及涡轮短轴锻件均为盘轴一体结构，采用局部镦头和挤杆成形方式。制备时将提前车锥或拔长杆部的预制坯料经加热后放入锻压机模具型腔中施压，实现上部镦粗、下部挤压成形。采用此方式可以提高成形效率(一步成形盘部和杆部)，同时可以保证盘部和杆部都有一定变形量，是目前涡轮盘、涡轮短轴锻件普遍采取的成形方式，但由于杆部有一定的局部挤压变形，加上镍基、钴基高温合金存在合金化程度高导致塑性差、变形抗力大等特点，成形过程中经常在盘杆交接处出现裂纹。

发明内容

本发明一方面提供了一种抑制局部挤压裂纹的成形模具，以解决现有的涡轮盘、涡轮短轴锻件因塑性差、变形抗力大等特点，成形过程中经常在盘杆交接处出现裂纹的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种抑制局部挤压裂纹的成形模具，包括上模、下模，还包括：

挤压缓冲件，挤压前间隙配合地放置在所述下模的成型腔内，且在挤压过程中通过与坯料同步形变，从而对坯料的延伸端施加轴向流动阻力；

所述下模的挤压口模角θ与所选坯料挤压比成正比。

进一步地，所述挤压缓冲件采用可塑性变形的缓冲金属件，当坯料冲压成型结束后，所述缓冲金属件压缩后所占空间的体积等于下模型腔体积与锻件体积之差，所述缓冲金属件压缩后的实体体积小于下模型腔体积与锻件体积之差。

进一步地，所述缓冲金属件的材料为45号钢。

进一步地，所述缓冲金属件采用设置有中心通孔的环形金属垫环，所述金属垫环的高度等于坯料成形前放置时下模的下部空腔高度。

进一步地，所述金属垫环的外径小于下模型腔的最小内径，所述金属垫环的中心通孔的直径满足条件：当坯料挤压到位得到所需锻件时，所述金属垫环同步形变后的中心通孔的直径大于0。

进一步地，所述缓冲金属件采用柱状金属，所述柱状金属的高度等于坯料成形前放置时下模的下部空腔高度，所述柱状金属内部均匀设置有若干空腔。

进一步地，所述柱状金属的外径小于下模型腔的最小内径，所述柱状金属内部的空腔满足条件：当坯料挤压到位得到所需锻件时，所述柱状金属同步形变后内部的各空腔的体积之和大于0。

进一步地，所述挤压缓冲件的外径比下模型腔的最小内径大0.5-2mm。

进一步地，所述下模的挤压口模角θ满足条件：

坯料挤入以后所产生的等效应变低于坯料的材料在其锻造温度区间内所能承受的最大拉伸应变ε_max且大于临界应变ε_临界：

其中，D为初始坯料的直径，d为挤压成形后锻件的杆部的直径。

本发明另一方面还提供了一种抑制局部挤压裂纹的成形方法，包括步骤：

根据长度要求将坯料进行切断，将切断后的坯料的一端的外圆进行车锥，车锥加工长度为20-30mm，车锥后的直径与下模内径相匹配；

将车锥后的坯料喷涂润滑剂后加热至标准规定的锻造温度，同时，将提前准备的挤压缓冲件加热至与坯料相同的温度；

将加热后的挤压缓冲件放入提前加热的下模型腔底部，上部放置加热后的坯料，然后由压力机对上模施压，驱使坯料挤入下模型腔成形，得到所需锻件。

本发明具有以下有益效果：

本发明一方面通过设计合理的挤压口模角，使得挤压口处的等效应变值低于锻件材料所能承受的最大变形量，从而使锻造获得的锻件盘杆交接处网格畸变明显减少，避免了在锻件盘杆交接处产生裂纹；另一方面，本发明在坯料底部增加挤压缓冲件，通过挤压缓冲件增大坯料轴向流动的阻力，增强了三向压应力，从而抵消了一部分轴向的附加拉应力，进一步降低了裂纹产生的可能性，确保锻造加工的品质。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的抑制局部挤压裂纹的成形模具示意图(不含挤压缓冲件)。

图2是本发明优选实施例的抑制局部挤压裂纹的成形模具挤压前的示意图。

图3(a)是经过现有挤压工艺挤压后的锻件转角处网格分布示意图。

图3(b)是经过本发明优化后的挤压模角挤压后的锻件转角处网格分布示意图。

图4是本发明实施例中涡轮盘锻件示意图。

图5是本发明实施例的金属垫环剖视示意图。

图6是本发明实施例的柱状金属剖视示意图。

图7是本发明实施例的车锥后的坯料示意图。

图8是本发明实施例抑制局部挤压裂纹的成形模具挤压后的示意图。

图9(a)是现有挤压工艺挤压后的锻件NLC损伤值分布示意图。

图9(b)是现有挤压工艺挤压后的锻件第一主应力分布示意图。

图10(a)是本发明实施例的挤压工艺挤压后的锻件NLC损伤值分布示意图。

图10(b)是本发明实施例的挤压工艺挤压后的锻件第一主应力分布示意图。

图中：1、上模；2、下模；3、坯料；4、挤压缓冲件；5、锻件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种抑制局部挤压裂纹的成形模具，包括上模1、下模2，还包括：

挤压缓冲件4，挤压前间隙配合地放置在所述下模2的成型腔内，且在挤压过程中通过与坯料3同步形变，从而对坯料3的延伸端施加轴向流动阻力；所述下模2的挤压口模角θ与所选坯料3挤压比D/d成正比，D为。

本实施例的抑制局部挤压裂纹的成形模具包括上模1、下模2和挤压缓冲件4，其中，所述下模2的挤压口模角θ与所选坯料3挤压比D/d成正比，即所选坯料3挤压比D/d越大，所述下模2的挤压口模角θ也越大。而挤压缓冲件4在挤压前间隙配合地放置在所述下模2的成型腔内，在挤压过程中通过与坯料3同步形变，从而对坯料3的延伸端施加轴向流动阻力。因此，本发明一方面通过设计合理的挤压口模角θ，使得挤压口处的等效应变值低于锻件材料所能承受的最大变形量，见图3(a)和图3(b)所示，采用本实施例所述模具锻造获得的锻件盘杆交接处网格畸变明显减少，避免了在锻件盘杆交接处产生裂纹；另一方面，本实施例在坯料3底部增加挤压缓冲件，通过挤压缓冲件4增大坯料3轴向流动的阻力，增强了三向压应力，从而抵消了一部分轴向的附加拉应力，进一步降低了裂纹产生的可能性，确保锻造加工的品质。

在本发明的优选实施例中，所述挤压缓冲件4采用可塑性变形的缓冲金属件，当坯料3冲压成型结束后，所述缓冲金属件压缩后所占空间的体积等于下模2型腔体积与锻件5体积之差，所述缓冲金属件压缩后的实体体积小于下模2型腔体积与锻件5体积之差。

本实施例中，所述挤压缓冲件4采用可塑性变形的缓冲金属件，如采用塑性好的45号钢为材料制备缓冲金属件，另外，为了确保挤压过程的顺利进行，虽然所述挤压缓冲件4会在挤压过程中对坯料3形成轴向阻力，但不能阻止挤压的顺利进行，因此，本实施例中，当坯料3冲压成型结束后，所述缓冲金属件压缩后所占空间的体积等于下模2型腔体积与锻件5体积之差，所述缓冲金属件压缩后的实体体积小于下模2型腔体积与锻件5体积之差。也就是说，即便是在挤压结束后，所述缓冲金属件压缩后的实体体积也要小于下模2型腔体积与锻件5体积之差，确保模具能挤压到位，否则，会出现坯料3挤压尚未到位，但由于所述缓冲金属件已经完全填满了锻件5与下模2型腔底部之间的空腔，此时，压机将无法推动上模1和坯料3继续向下进行挤压，从而无法得到预定尺寸的锻件5，而本实施例的所述缓冲金属件既能够在挤压过程中对坯料3形成轴向阻力，同时，不会阻止坯料挤压得到最终尺寸的锻件，确保挤压作业的顺利进行。

如图5所示，在本发明的优选实施例中，所述缓冲金属件采用设置有中心通孔的环形金属垫环，所述金属垫环的外径比下模2型腔的最小内径大1mm。所述金属垫环的高度等于坯料3成形前放置时下模2的下部空腔高度。所述金属垫环的外径小于下模2型腔的最小内径，所述金属垫环的中心通孔的直径满足条件：当坯料3挤压到位得到所需锻件5时，所述金属垫环同步形变后的中心通孔的直径大于0。

本实施例中，所述缓冲金属件采用设置有中心通孔的环形金属垫环，所述金属垫环的外径比下模2型腔的最小内径大1mm，这样可以确保所述金属垫环能顺利放入下模2的型腔内；所述金属垫环的高度等于坯料3成形前放置时下模2的下部空腔高度，因此,本实施例的金属垫环既能够在挤压过程中对坯料3形成轴向阻力，同时，金属垫环在随着坯料3同步形变的过程中，其中心通孔的直径逐步变小，即便在挤压结束后，其中心通孔的直径仍然会大于0，也就是说，本实施例通过中心通孔来保证金属垫环在挤压过程中始终具有塑性变形的余地，塑性变形一直能进行下去，不会因无法进行塑性变形而阻止坯料挤压得到最终尺寸的锻件5，确保挤压作业的顺利进行。

如图6所示，在本发明的优选实施例中，所述缓冲金属件采用柱状金属，所述柱状金属的外径比下模2型腔的最小内径大1mm。所述柱状金属的高度等于坯料3成形前放置时下模2的下部空腔高度，所述柱状金属内部均匀设置有若干空腔。所述柱状金属的外径小于下模2型腔的最小内径，所述柱状金属内部的空腔满足条件：当坯料3挤压到位得到所需锻件5时，所述柱状金属同步形变后内部的各空腔的体积之和大于0。

本实施例中，所述缓冲金属件采用柱状金属，所述柱状金属内部均匀设置有若干空腔。所述柱状金属的外径比下模2型腔的最小内径大1mm，即柱状金属外径与下模2型腔的最小内径之间保留1mm间隙，这样可以确保所述柱状金属能顺利放入下模2的型腔内；所述柱状金属的高度等于坯料3成形前放置时下模2的下部空腔高度，因此，本实施例的柱状金属既能够在挤压过程中对坯料3形成轴向阻力，同时，柱状金属在随着坯料3同步形变的过程中，其内部的空腔的大小逐步变小，即便在挤压结束后，其内部的各空腔的体积之和也会大于0，也就是说，本实施例通过柱状金属内部的空腔来保证柱状金属在挤压过程中始终具有塑性变形的余地，塑性变形一直能进行下去，不会因无法进行塑性变形而阻止坯料3挤压得到最终尺寸的锻件5，确保挤压作业的顺利进行。

对于轴对称的零件挤压成型而言，挤压模口处的应变张量可用圆柱坐标系下的三阶张量ε_ij作如下表示：

其中，ε_ρ、ε_θ、ε_z分别为径向、周向、轴向的正应变，γ_ρz与γ_zρ是子午面上的切应变。对于挤压变形而言，径向、周向正应变相等

轴向正应变为

子午面上的切应变

在本发明的优选实施例中，所述下模2的挤压口模角θ(弧度rad)满足条件：坯料3挤入以后所产生的等效应变低于坯料3的材料所能承受的最大拉伸应变：

其中，D为初始坯料3的直径，d为挤压成形后锻件5的杆部的直径；ε_msx为坯料3的材料在其锻造温度区间内所能承载的最大拉伸应变，通过查阅材料手册或通过拉伸试验测得。

也就时说，为了确保锻件不开裂，金属挤入以后所产生的等效应变低于锻件材料所能承受的最大拉伸应变，即满足公式(1)。

对于任何金属材料而言，金属在热塑性变形过程中所经历的变形程度必须大于临界应变ε_临界才能确保发生动态再结晶，即等效应变要大于临界应变：

由公式(1)(2)可知，挤压口模角θ是由坯料3的材料所能承受的最大拉应变ε_msx、临界应变ε_临界、初始坯料3的直径D、挤压成形后锻件5的杆部的直径d共同限定的。所选坯料3的直径D越大(即挤压比D/d越大)，挤压口模角θ应越大，才能确保进入挤压变形区的金属不会因剧烈变形而开裂。

下面以某型航空发动机自由涡轮盘(材料为GH4169)为例(锻件图见图4)，阐述本发明具体实施方式。

通过查阅有关研究文献(见“李胡燕，GH4169镍基高温合金的组织和性能研究[D],东北大学，2014：37”)得知，GH4169合金材料在950℃条件下拉伸所能承受的最大变形量约为85％(工程应变)，换算成等效应变为0.615。锻件采用规格D＝Ф95的原材料进行生产，挤压成型后锻件5的杆部直径d＝Ф90。根据公式(1)计算得出挤压口模角应满足θ>0.522弧度(≈30°)，此时，θ越大越有利于金属流动，为了确保锻件在挤压成型时能发生动态再结晶，锻件变形量要大于临界变形量，一般而言，金属动态再结晶临界变形值为0.2，根据公式(2)计算，挤压膜入口角度应满足θ＜1.28弧度(≈73°)。研究表明(见“王建国，GH4169合金锻件组织形成机制与热加工工艺窗口[D],西北工业大学，2018：98”)，对于GH4169合金而言，当等效应变为0.5～0.6时，合金的动态再结晶速率达到最大值，此时最容易发生动态再结晶，通过公式(1)(2)计算，确定模具挤压入口角度θ最佳取值为35°。

另外，制备金属垫环作为挤压缓冲件4，金属垫环外径略小于下模2型腔最小直径，高度等于坯料3成形前放置时下模2的下部空腔高度。

基于上述设置，本发明的优选实施例还提供了一种抑制局部挤压裂纹的成形方法，包括步骤：

S1、将坯料3按Ф95×250±1进行切断，为了便于在模具中放置，将切断后的坯料3的一端的外圆进行车锥，车锥加工长度为30mm，车锥后的直径与下模2内径相匹配(见图7)；

S2、将车锥后的坯料3喷涂润滑剂后在电炉中，800℃预热100min左右，接着升温至980℃保温约60min，从而加热至标准规定的锻造温度，同时，将提前准备的金属垫环加热至坯料3的相同温度980℃保温20min；

S3、将加热后的金属垫环出炉后放入提前加热的下模2型腔底部(模具需提前加热至约200℃)，轴向放置，然后迅速出炉上述预热后的坯料3并放入下模2型腔内的金属垫环上部，最后在1600T压力机作用下对上模1施压，一锤完成并得到所需锻件5(见图8)。

为了评价上述实施例的效果，采用Normalized Latham-Cockroft(NLC)损伤值(见公式(3))和第一主应力作为评价标准。见图9(a)、9(b)和图10(a)、10(b)，经过对比，转角处最大NLC损伤值由现有的0.25减少至0.15，第一主应力最大值由586MPa减低至394.5MPa，从而有效避免了在锻件盘杆交接处裂纹的产生。

其中，NLC损伤值的表达式：

其中ε_f为锻造完成后的等效应变量；

σ₁为第一主应力；

为等效应力；

为等效应变。

综上所述，本发明相对于现有工艺，具有明显的技术效果，克服了现有工艺中存在的缺陷，从而使锻造获得的锻件盘杆交接处网格畸变明显减少，避免了在锻件盘杆交接处产生裂纹。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (10)

1.一种抑制局部挤压裂纹的成形模具，包括上模(1)、下模(2)，其特征在于，还包括：

挤压缓冲件(4)，挤压前间隙配合地放置在所述下模(2)的成型腔内，且在挤压过程中通过与坯料(3)同步形变，从而对坯料(3)的延伸端施加轴向流动阻力；

所述下模(2)的挤压口模角θ与所选坯料(3)挤压比成正比。

2.根据权利要求1所述的抑制局部挤压裂纹的成形模具，其特征在于，所述挤压缓冲件(4)采用可塑性变形的缓冲金属件，当坯料(3)冲压成型结束后，所述缓冲金属件压缩后所占空间的体积等于下模(2)型腔体积与锻件(5)体积之差，所述缓冲金属件压缩后的实体体积小于下模(2)型腔体积与锻件(5)体积之差。

3.根据权利要求2所述的抑制局部挤压裂纹的成形模具，其特征在于，所述缓冲金属件的材料为45号钢。

4.根据权利要求2所述的抑制局部挤压裂纹的成形模具，其特征在于，所述缓冲金属件采用设置有中心通孔的环形金属垫环，所述金属垫环的高度等于坯料(3)成形前放置时下模(2)的下部空腔高度。

5.根据权利要求4所述的抑制局部挤压裂纹的成形模具，其特征在于，所述金属垫环的外径小于下模(2)型腔的最小内径，所述金属垫环的中心通孔的直径满足条件：当坯料(3)挤压到位得到所需锻件(5)时，所述金属垫环同步形变后的中心通孔的直径大于0。

6.根据权利要求2所述的抑制局部挤压裂纹的成形模具，其特征在于，所述缓冲金属件采用柱状金属，所述柱状金属的高度等于坯料(3)成形前放置时下模(2)的下部空腔高度，所述柱状金属内部均匀设置有若干空腔。

7.根据权利要求6所述的抑制局部挤压裂纹的成形模具，其特征在于，所述柱状金属的外径小于下模(2)型腔的最小内径，所述柱状金属内部的空腔满足条件：当坯料(3)挤压到位得到所需锻件(5)时，所述柱状金属同步形变后内部的各空腔的体积之和大于0。

8.根据权利要求1所述的抑制局部挤压裂纹的成形模具，其特征在于，所述挤压缓冲件(4)的外径比下模(2)型腔的最小内径大0.5mm-2mm。

9.根据权利要求1所述的抑制局部挤压裂纹的成形模具，其特征在于，所述下模(2)的挤压口模角θ满足条件：

坯料(3)挤入以后所产生的等效应变低于坯料(3)的材料在其锻造温度区间内所能承受的最大拉伸应变ε_max且大于临界应变ε_临界：

其中，D为初始坯料(3)的直径，d为挤压成形后锻件(5)的杆部的直径。

10.一种抑制局部挤压裂纹的成形方法，其特征在于，包括步骤：

根据长度要求将坯料(3)进行切断，将切断后的坯料(3)的一端的外圆进行车锥，车锥加工长度为20-30mm，车锥后的直径与下模(2)内径相匹配；

将车锥后的坯料(3)喷涂润滑剂后加热至标准规定的锻造温度，同时，将提前准备的挤压缓冲件(4)加热至与坯料(3)相同的温度；

将加热后的挤压缓冲件(4)放入提前加热的下模(2)型腔底部，上部放置加热后的坯料(3)，然后由压力机对上模(1)施压，驱使坯料(3)挤入下模(2)型腔成形，得到所需锻件(5)。

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