CN114406171A - 一种带环类轴类锻件一体化净成型方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，主要包括以下步骤：S1：加工坯料，将棒料加工成挤压坯料；S2：加热坯料，将挤压坯料加热至初始挤压温度；S3：锻压，将加热后的坯料转移至下模中，上模和下模合模，坯料锻压成型为锻件；下模包括多个半模，多个所述半模呈周向设置并且围合成用于成型带环类轴类锻件的模腔，相邻所述半模之间的分型面平行于轴类锻件的轴线；S4：脱模，使半模分离，将锻件移出下模并转移。本申请具有提高了锻造效率的效果。

Description

一种带环类轴类锻件一体化净成型方法

技术领域

本申请涉及轴类模锻的领域，尤其是涉及一种带环类轴类锻件一体化净成型方法。

背景技术

航空涡扇发动机风扇轴在工作时承受巨大的扭矩载荷，将涡轮功率传递给风扇，带动大尺寸风扇转动并产生推力，现航空涡扇发动机的风扇轴设计发展较快，传统发动机风扇轴设计多为渐变型鼓筒形结构。

最新发展为收口型瓶形结构，如图1所示，一种航空涡扇发动机风扇轴的锻件，依次包括轴段100、圆台段101和轴台段102。轴段100和轴台段102均呈圆柱状，圆台段101呈圆台状，其外径较大的一端与轴段100的一端同轴固定连接。圆台段101外径较小的一端与轴台段102的一端同轴固定连接。此类风扇轴类锻件通常采用自由锻的方式生产。

针对上述中的相关技术，发明人认为自由锻中，锻锤在锻打坯料时需要人工多次调整坯料的位置，从而导致生产效率低的缺陷。

发明内容

为了提升锻造效率，本申请提供一种带环类轴类锻件一体化净成型方法。

本申请提供的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法采用如下的技术方案：

一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，主要包括以下步骤：S1：加工坯料，将棒料加工成挤压坯料；S2：加热坯料，将挤压坯料加热至初始挤压温度；S3：锻压，将加热后的坯料转移至下模中，上模和下模合模，坯料锻压成型为锻件；下模包括多个半模，多个所述半模呈周向设置并且围合成用于成型带环类轴类锻件的模腔，相邻所述半模之间的分型面平行于轴类锻件的轴线；S4：脱模，使半模分离，将锻件移出下模并转移。

通过采用上述技术方案，能通过模锻的方式锻造相关技术中风扇轴的锻件。整个锻压的过程中，仅需将坯料放置于下模中，锻压完成之后再将半模分离便可以实现脱模，无需频繁的调整坯料的位置，相较于自由锻，提高了锻造效率。坯料在模腔内受压成型，锻件整体变形充分均匀，金属流线连续随形，组织致密，表面质量好。模锻能够提高锻件整体的流线完整性、应力均匀性和组织性能一致性。并且由模锻成型的锻件的尺寸精度更高，锻件的加工余量更小，从而提升了原料利用率。

可选的，于S2中，初始挤压温度为1000～1180℃。

通过采用上述技术方案，将坯料的温度超过再结晶温度，降低锻造过程中坯料形变产生的内应力，减少出现坯料开裂的情况。

可选的，于S3之前，加热上模和下模至预热温度，预热温度为200～350℃。

通过采用上述技术方案，一方面，能够保护模具，因为模具接触加热后的锻件，会使模具的短时间内温度变化较大，从而容易导致模具损坏。另一个方面保护锻件，因为加热后坯料和冷的模具接触后，坯料表面的温度会快速降低，导致坯料内外温度差较大，可能导致坯料变形不均匀的问题。

可选的，于S3之前，在加热后的坯料表面涂覆锻造润滑剂。

通过采用上述技术方案，降低坯料和模具之间的摩擦力，一方面，使得坯料形变更加均匀，另一方面，便于锻件脱模。

可选的，所述下模包括开设有空腔的外模和放置于外模内的内模，所述内模开设有所述模腔，所述内模包括至少两个所述半模，所述半模远离模腔一侧与外模的空腔内壁抵接；于S4中，将内模和锻件一同从外模内顶出，然后将半模分离。

通过采用上述技术方案，在锻压过程中，坯料形变并且对内模施加向外的压力；内模抵触于外模从而平衡坯料形变过程中对内模施加的压力，利用外模稳定半模的位置，从而稳定内模的结构，保持模腔的形状；脱模时，将内模和锻件一同从外模内顶出，在没有外模的限制下，锻模对内模施加的向外的压力可以将半模推开，从而实现脱模，使脱模更加方便。

可选的，于S3之前，在内模和外模之间涂覆锻模润滑剂。

通过采用上述技术方案，减小内模和外模之间的摩擦力，便于将内模从外模内顶出，进一步方便脱模。

可选的，于S3之前对坯料在热锻温度下对坯料施加扭矩，使坯料轴向的两端以锻件的中心轴线为中心向相反的方向转动，对坯料施加扭矩的方向与锻件工作时承受的扭矩方向相同。

通过采用上述技术方案，坯料被扭转，从而锻件成型后的锻造流线成螺旋状，并且锻造流线的螺旋方向与锻件工作时受到扭矩方向相同。因锻件沿着锻造流线方向抗拉强度较高，锻件工作时承受的力沿着锻造流线，提升了锻件的机械性能，减低了锻件损坏的可能性，提升了锻件的寿命。

可选的，于S2中，将坯料进行加热至再结晶温度以上之后，对坯料的两端施加方向相反的扭矩，同时对坯料进行拔长，坯料拔长之后的轴向长度小于锻件成型之后的轴向长度。

通过采用上述技术方案，一方面，对坯料拔长时，使坯料沿其轴向拉伸，同时会沿着坯料的径向对坯料进行挤压，使锻件的组织结构更加致密，进一步提升锻件的机械性能。另一方面，因坯料的锻造流线呈螺旋线，当其被拉长时，锻造流线会进一步被拉升，进一步减低了锻件损坏的可能性，提升了锻件的寿命。

可选的，于S3之前利用预锻模对加热之后的坯料进行预锻扭转；预锻模开设有扭转通孔，所述扭转通孔依次包括预处理孔和扭转孔，所述预处理孔横截面呈正多边形，所述扭转孔的侧壁数量与预处理孔的侧壁数量相同，所述扭转孔的侧壁以扭转孔的内接圆的圆心呈螺旋设置，所述扭转孔的侧壁的导程角随着远离预处理孔而逐渐减小，所述扭转孔的侧壁靠近预处理孔的一端的导程角为90度。

通过采用上述技术方案，将坯料压入扭转通孔中，坯料依次经过预处理孔和扭转孔。当坯料通过预处理孔时，使坯料成型为正多棱柱。当坯料进入扭转孔时，坯料进入扭转孔的一端发生转动而坯料还在预处理孔的一端没有发生转动，从而使坯料扭转。利用预锻模对坯料进行预处理，使得坯料的扭转操作更加方便。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

利用多个半模围合成用于成型轴类锻件的模腔，从而实现了环类轴类锻件的脱模，能通过模锻的方式对带环类轴类锻件的锻造；一方面，模锻相较于自由锻，提高了锻造效率，锻造所得的锻件的尺寸精度更高，锻件的加工余量更小，从而提升了原料利用率；另一方面，坯料在模腔内受压成型，锻件整体变形充分均匀，金属流线连续随形，组织致密，表面质量好。

下模包括外模和内模，内模由至少两个半模组合而成，内模置于外模内，内模抵触于外模从而平衡坯料形变过程中对内模施加的压力，稳定内模的结构，保持模腔的形状；脱模时，将内模从外模内顶出，锻件对内模施加的向外的压力将半模推开，从而实现脱模，使脱模更加方便。

对坯料进行扭转，扭转中心线为锻件的中心轴线，从而锻件的锻造流线成螺旋状，并且锻造流线的螺旋方向与锻件工作时受到扭矩方向相同，锻件工作时承受的力沿着锻造流线，提升了锻件的机械性能，减低了锻件损坏的可能性，提升了锻件的寿命。

利用预锻模对坯料进行预处理，使得坯料的扭转操作更加方便。

附图说明

图1是相关技术中涡扇发动机风扇轴的锻件的结构图。

图2是本申请实施例1中用于展示模具的剖面图。

图3是本申请实施例1中用于展示内模的剖面图。

图4是本申请实施例2中用于展示预锻模的剖面图。

图5是本申请实施例2中用于展示预锻模另一种实施方式的剖面图。

附图标记说明：100、轴段；101、圆台段；102、轴台段；103、凸环；200、模具；201、上模；203、下模；204、外模；205、内模；206、空腔；207、半模；208、底板；209、模腔；300、预锻模；301、扭转通孔；302、导向孔；303、预处理孔；304、扭转孔；305、拉伸孔；306、导向斜面。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

相关技术：航空涡扇发动机的风扇轴需要将涡轮的功率传递给风扇，所以其需要承受巨大的扭矩载荷，为了提升风扇轴的使用寿命，风扇轴一般采用锻件。

参见图1，一种航空涡扇发动机风扇轴的锻件，依次包括轴段100、圆台段101和轴台段102。轴段100和轴台段102均呈圆柱状，圆台段101呈圆台状，其外径较大的一端与轴段100的一端同轴固定连接。圆台段101外径较小的一端与轴台段102的一端同轴固定连接。轴台段102的外径小于轴段100的外径且大于圆台段101外径较小一端的外径。轴段100远离圆台段10的一端成型有凸台，为坯料余料形成的。

轴台段102靠近圆台段101的一端外壁同轴固定连接有凸环103。凸环103的外径小于轴段100的外径。

本申请实施例公开一种带环类轴类锻件一体化净成型方法。

实施例1：

该方法包括以下步骤：

S1：加工坯料。

利用下料设备将棒料截断成多段形成坯料，每个坯料的重量大于成型后锻件的质量。下料设备可以为带锯床，也可以为激光下料机。将坯料机械加工为圆柱状，保证坯料表面的光洁度，便于后续均匀的涂覆锻造润滑剂。在本实施例中对坯料进行机械加工的设备为车床。

S2：加热坯料。

将坯料放置于加热炉中，利用加热炉对坯料进行加热，将坯料加热至初始挤压温度，初始挤压温度为1000-1180℃。加热炉可以为电加热炉、天然气加热炉或者感应加热炉。若选择感应加热，则给予充足的时间使坯料均温。

参见图2，在加热坯料的同时可以预热模具200，模具200包括上模201和下模203。将括上模201和下模203放置于预热炉内并且加热至预热温度，预热温度为200~350℃。模具200的预热时间为5h以上。模具200预热之后，将下模203安装于锻压机下工作平台，将上模201安装于锻压机上工作平台。

参见图2，下模203包括外模204和内模205。外模204开设有呈竖直设置的圆柱状空腔206，空腔206将外模204竖直方向的两端穿透。内模205用于成型风扇轴锻件的圆台段101、轴台段102和凸环103，而风扇轴锻件的轴段100在空腔206内成型。

参见图3，内模205包括三个半模207和圆形的底板208，半模207沿着底板208外圈周向设置并且围合成模腔209，底板208的侧壁与半模207朝内的侧壁贴合。相邻半模207之间的分型面平行于底板208的轴线。模腔209的形状与风扇轴锻件具有轴台段102一端的外形相同，风扇轴锻件的圆台段101、轴台段102和凸环103在内模205的模腔209内成型。半模207的数量也可以由两个、四个或者五个，半模207数量大于等于2即可。

参见图3，内模205置于外模204内时，半模207的外壁与外模204的空腔206内壁抵接。在锻压过程中，坯料形变并且对半模207施加向外的压力；外模204包裹半模207并且平衡坯料形变过程中对半模207施加的压力，利用外模204稳定半模207的位置，以保持模腔209的形状，提高模锻的精度。

参见图3，脱模时，将内模205连同锻件从外模204内顶出，锻件对半模207施加的向外的压力将半模207推离，从而实现脱模。为了更加方便的脱模，在内模205和外模204之间涂覆锻模润滑剂，本实施例中锻模润滑剂为石墨和二硫化钼混合润滑剂，也可采用石墨润滑剂或者二硫化钼润滑剂。

参见图3，当坯料加热完成之后，在坯料表面涂覆锻造润滑剂,以降低坯料和模具200之间的摩擦力，从而坯料形变能够更加均匀，并且便于锻件脱模。在本实施例中锻造润滑剂为玻璃润滑剂。

涂覆方法如下：

将加热至初锻温度后的坯料放置于一具有定坡度的平台上，平台表面平铺玻璃润滑剂，坯料在重力作用下在平台上滚动，玻璃润滑剂均匀粘附在坯料表面。

S3：锻压。

使用机械手在30s内将坯料放置于下模203的空腔206中，机械手抓取坯料时，抓取坯料的一端，并且操作过程减少机械手的抖动，以缓解坯料表面的玻璃润滑剂因机械手的碰触或者抖动而大量脱落的问题。

参见图2和图3，锻压机启动，上模201向下模203移动并且完成合模，上模201移动的速度为20mm/s。上模201和下模203合模，对坯料进行挤压，使其在锻模内成型为锻件。

参见图2和图3，上模201回程至初始位置，锻压机下顶出将内模205和锻件从外模204内顶出，机械手抓取锻件的轴段100，锻件对半模207施加的向外的压力将半模207推离，从而实现脱模。

本申请实施例1一种带环类轴类锻件一体化净成型方法的实施原理为：设计新的锻模，以实现带环类轴类锻件的脱模，从而该类零件的锻件能通过模锻的方式进行生产制造。模锻相较于自由锻，锻造效率更高，锻造所得的锻件的尺寸精度更高，锻件的加工余量更小，从而原料利用率更高。并且坯料在模腔209内受压成型，使得锻件具有整体变形充分均匀，金属流线连续随形，组织致密，表面质量好的优点。

实施例2：

一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，本实施例与实施例1不同之处在于：在锻件涂覆锻造润滑剂之后，在锻压之前对坯料进行扭转，然后再将锻件进行锻压成型，从而能够改善锻件的锻造流线，以提高锻件的机械性能。

在本实施例中，在坯料锻压成型之前对锻件的两端施加方向相反的扭矩，使坯料轴向的两端以锻件的中心轴线为扭转中心向相反的方向转动，对坯料施加扭矩的方向与锻件工作时承受的扭矩方向相同。风扇轴在工作过程，涡轮的功率通过风扇轴传递至风扇，使风扇旋转。风扇转动会受到空气两个力，一个为阻碍风扇转动的风阻，风阻和涡轮驱动风扇轴的力为一组方向相反的扭矩；另一个为风扇转动而推动空气流动而产生的反作用力，反作用力平行于风扇轴的轴线，从而风扇轴受到拉力，该反作用力也是涡扇发动机推力的来源。综上：风扇轴在工作过程中会承受扭矩载荷以及拉力载荷。

坯料被扭转之后，锻件成型后的锻造流线成螺旋状，且锻造流线的螺旋方向与锻件工作时受到扭矩方向相同。因锻件沿着锻造流线方向抗拉强度较高，风扇轴工作时承受扭矩和拉力的合力将沿着锻造流线方向，从而提升风扇轴的抗拉强度，减低了锻件损坏的可能性，提升了锻件的寿命。

参见图4，在本实施例中利用预锻模300对坯料进行扭转。

锻件涂覆锻造润滑剂之后，利用机械手抓取锻件的一端，将其放置于预锻模300上进行预锻扭转。

参见图4，预锻模300开设有扭转通孔301，扭转通孔301从上之下依次包括导向孔302、预处理孔303和扭转孔304。

参见图4，导向孔302呈漏斗状，其上端内径大于其下端内径，其下端与预处理孔303连通，导向孔302用于对坯料进行导向，在锻压机的作用下使坯料顺利压入预处理孔303中。

参见图4，预处理孔303是截面为八边形的通孔，用于对坯料进行预处理，以便于后续的扭转孔304对锻件进行扭转。预处理孔303的外接圆的直径等于导向孔302下端开口的内径，且小于坯料的外径。预处理孔303的截面也可以为正四边形、正五边形或者正六边形，为正多边形即可。

参见图4，导向孔302下端侧壁开设有多个导向斜面306，以便于坯料顺利的挤压进入预处理孔303中。导向斜面306一端与预处理孔303的侧壁连接，另一端与导向孔302的内壁连接。圆柱状的坯料进入预处理孔303内会被挤压成正八棱柱状。

参见图4，扭转孔304的侧壁数量与预处理孔303的侧壁数量相同。扭转孔304外接圆的直径和预处理孔303的外接圆的直径也相同。扭转孔304的侧壁以扭转孔304的内接圆的圆心呈螺旋设置，并且螺旋的导程角由上之下逐渐减小。扭转孔304的侧壁最上端的导程角为90度，即扭转孔304的侧壁与预处理孔303的侧壁共面。

上述设计，使得正八棱柱的坯料在进入扭转孔304时，坯料进入扭转孔304的一端会发生转动，坯料上端依旧位于预处理孔303内从而无法转动，从而坯料的两端向相反的方向扭转。

参见图4，扭转通孔301还包括拉伸孔305，拉伸孔305用于对坯料进行径向挤压，从而实现了其轴向拔长。坯料拔长之后的轴向长度小于锻件成型之后的轴向长度，使之能在之后的模具200锻压中能够得到进一步的拉伸，从而锻件的凸环103成型后的锻造流线更加平整，缓解锻件因镦粗之后而导致锻造流线扭曲的问题，该问题可能会引起锻件轴向抗拉能力弱的缺陷。

参见图4，拉伸孔305呈喇叭状，其上端开口的内径大于下端开口的内径。拉伸孔305的上端开口与扭转孔304连通，并且其内径等于扭转孔304的外接圆的直径。拉伸孔305下端的开口的内径小于扭转孔304的内接圆的直径。当坯料穿过拉伸孔305时，拉伸孔305的内壁对其侧壁进行挤压，从而使坯料拔长拉伸。

参见图5，对坯料的拔长拉伸也可以在扭转过程中，在扭转的同时对坯料进行拔长。为了实施上述工艺，可以将扭转孔304的孔径从上之下逐渐减小，即扭转孔304内接圆的直径从上之下逐渐减小，从而坯料扭转的过程中得到拉伸。

本申请实施例一种带环类轴类锻件一体化净成型方法的实施原理为：风扇轴在工作过程在将受到扭矩和拉力。坯料经过预锻模300预锻之后，锻件成型后的锻造流线会成与受力方向相同的螺旋状。因锻件沿着锻造流线方向抗拉强度较高，锻件工作时承受的力沿着锻造流线，从而提升了锻件的机械性能，减低了锻件损坏的可能性，提升了锻件的寿命。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

S1：加工坯料，将棒料加工成挤压坯料；

S2：加热坯料，将挤压坯料加热至初始挤压温度；

S3：锻压，将加热后的坯料转移至下模（203）中，上模（201）和下模（203）合模，坯料锻压成型为锻件；下模（203）包括多个半模（207），多个所述半模（207）呈周向设置并且围合成用于成型带环类轴类锻件的模腔（209），相邻所述半模（207）之间的分型面平行于轴类锻件的轴线；

S4：脱模，使半模（207）分离，将锻件移出下模（203）并转移。

2.根据权利要求1所述的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：于S2中，初始挤压温度为1000～1180℃。

3.根据权利要求1所述的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：于S3之前，加热上模（201）和下模（203）至预热温度，预热温度为200～350℃。

4.根据权利要求1所述的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：于S3之前，在加热后的坯料表面涂覆锻造润滑剂。

5.根据权利要求1任一所述的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：所述下模（203）包括开设有空腔（206）的外模（204）和放置于外模（204）内的内模（205），所述内模（205）开设有所述模腔（209），所述内模（205）包括至少两个所述半模（207），所述半模（207）远离模腔（209）一侧与外模（204）的空腔（206）内壁抵接；于S4中，将内模（205）和锻件一同从外模（204）内顶出，然后将半模（207）分离。

6.根据权利要求5所述的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：于S3之前，在内模（205）和外模（204）之间涂覆锻模润滑剂。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：于S3之前对坯料在热锻温度下对坯料施加扭矩，使坯料轴向的两端以锻件的中心轴线为中心向相反的方向转动，对坯料施加扭矩的方向与锻件工作时承受的扭矩方向相同。

8.根据权利要求7所述的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：于S2中，将坯料进行加热至再结晶温度以上之后，对坯料的两端施加方向相反的扭矩，同时对坯料进行拔长，坯料拔长之后的轴向长度小于锻件成型之后的轴向长度。

9.根据权利要求8所述的一种带环类轴类锻件一体化净成型方法，其特征在于：于S3之前利用预锻模（300）对加热之后的坯料进行预锻扭转；预锻模（300）开设有扭转通孔（301），所述扭转通孔（301）依次包括预处理孔（303）和扭转孔（304），所述预处理孔（303）横截面呈正多边形，所述扭转孔（304）的侧壁数量与预处理孔（303）的侧壁数量相同，所述扭转孔（304）的侧壁以扭转孔（304）的内接圆的圆心呈螺旋设置，所述扭转孔（304）的侧壁的导程角随着远离预处理孔（303）而逐渐减小，所述扭转孔（304）的侧壁靠近预处理孔（303）的一端的导程角为90度。

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