CN116809833B - 一种铝合金异形筒段精密模锻成形模具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金异形筒段精密模锻成形模具及方法，其模具包括凹模和向下锻压的凸模，凹模和凸模之间形成有锻压锻件且与产品外形相适配的型腔，型腔整体呈倒置的锥筒状，型腔内放置有垫块，垫块用于承托锻件以使凸模对锻件进行预锻锻压且使锻件形成通孔、并在终锻时取出以使预锻冲孔后的锻件放置在型腔内时上下均有流变空间。本发明通过垫块能够对锻件进行预锻锻压，得到异形预制坯，之后取出垫块，使异形预制坯放置在型腔中时，其上方和下方均有流变空间，并通过呈倒置锥筒状的型腔，增大了锻件在成形过程中的变形程度，并使锻件沿各向均匀流变，解决了在锻造铝合金异形筒段时产生的各向流变与组织不均、局部存在变形死区和粗晶等问题。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金结构件塑性成形技术领域，具体涉及一种铝合金异形筒段精密模锻成形模具及方法。
背景技术
2A14铝合金属于可热处理强化变形铝合金，具有高强度、高塑性以及优异的可焊接性能等优点，是用于航天运载与武器装备结构件制造的重要材料。随着航空航天用结构件逐步向整体化、轻量化及大型化方向发展，对其制造性能与可靠性提出了极高要求。应用于战略武器装备过渡段的2A14铝合金筒段，是弹体结构的关键承力构件，其外径已超Ø1000mm，并具有异形变截面非轴称特殊结构，成形难度大，且力学性能及其均匀性要求高。目前，对于铝合金高筒锻件主要采用反挤压成形方式进行制造，然而，异形筒段的反挤压成形容易产生各向流变与组织不均、局部存在变形死区和粗晶等问题，导致构件力学性能均匀性降低，需要发展变形更均匀、综合性能更优异的异形筒段成形制造方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种铝合金异形筒段精密模锻成形模具及方法，用于解决在锻造铝合金异形筒段时产生的各向流变与组织不均、局部存在变形死区和粗晶等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种铝合金异形筒段精密模锻成形模具，包括凹模和向下锻压的凸模，所述凹模和凸模之间形成有锻压锻件且与产品外形相适配的型腔，所述型腔整体呈倒置的锥筒状，所述型腔内放置有垫块，所述垫块用于承托锻件以使凸模对锻件进行预锻锻压且使锻件形成通孔、并在终锻时取出以使预锻冲孔后的锻件放置在型腔内时上下均有流变空间。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述凸模从下往上依次包括呈圆柱状且用于锻压的冲孔段、和与产品外形相适配的成形段，所述垫块设有沿凸模锻压方向延伸且与冲孔段适配的***孔，所述***孔用于在预锻锻压时供冲孔段***，所述成形段能与***孔的顶端抵接。
所述凹模内侧底部活动套设有用于向上顶出垫块和锻件的顶出装置，所述顶出装置设有沿凸模锻压方向延伸且与冲孔段适配的成形孔，所述成形孔用于在终锻锻压时供冲孔段***，靠近所述型腔顶部的凹模和凸模之间设有用于限制冲孔段***成形孔深度的限位块。
所述凹模内侧底部设有托持顶出装置的环形凸台。
所述环形凸台设有沿凸模锻压方向延伸的顶孔，所述顶孔与成形孔连通，所述顶孔的孔径大于成形孔的孔径，所述顶孔内活动套设有顶杆，所述顶杆的顶端与顶出装置的底端部分抵接、并用于推动顶出装置向上移动。
所述型腔的上下两端设有在终锻时与外界连通的缝隙以使型腔形成半闭式模锻，所述冲孔段与成形孔孔壁之间设有第一间距，所述凸模还包括连接于成形段上端的封堵段，所述封堵段在终锻时***凹模内、并与凹模的内壁之间设有第二间距。
所述第一间距为1mm，所述第二间距为5mm。
所述凹模内相对的两处侧壁上设有凹槽，两个所述凹槽均位于所述型腔的内侧顶部、并用于在终锻时锻造出设于锻件外壁上的定位突起。
所述凸模设有至少二个沿凸模锻压方向延伸的导柱，所述凹模上设有供导柱分别***的导孔，各所述导柱和各导孔均位于型腔的***。
一种铝合金异形筒段精密模锻成形方法，包括以下步骤：
S1、制坯：将铝合金铸锭加热至480～485℃，然后对铝合金铸锭进行多向锻造，得到圆柱形坯料；
S2、预锻：将垫块放置于凹模和向下锻压的凸模所形成的型腔内，凹模、凸模和垫块组成预锻模具，将圆柱形坯料加热至480～485℃后，放入加热至460～470℃的预锻模具中进行冲孔，得到异形预制坯；
S3、终锻：取出垫块，并将限位块放置于靠近型腔顶部的凹模和凸模之间，型腔的上下两端设有与外界连通的缝隙以使型腔形成半闭式模锻，凹模、凸模和限位块组成终锻模具，将异形预制坯加热至480～485℃后，放入加热至460～470℃的终锻模具中进行锻造，然后再将异形预制坯与终锻模具均加热至460～470℃后，进行第二次锻造，脱模得到铝合金异形筒段；
S4、热处理：将铝合金异形筒段加热至502～505℃，之后立即室温淬火，最后在162～165℃下进行时效处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明相较于常规的反挤压成形模具，通过设置垫块能够对为圆柱形坯料的锻件进行预锻锻压，从而锻造出适合终锻的异形预制坯，之后取出垫块，能使异形预制坯放置在型腔中时，其上方和下方均有流变空间，并通过呈倒置锥筒状的型腔，增大了锻件在成形过程中的变形程度，并使锻件沿各向均匀流变，解决了在锻造铝合金异形筒段时产生的各向流变与组织不均、局部存在变形死区和粗晶等问题，从而提高了锻件的综合力学性能与均匀性，热处理后锻件的轴向抗拉强度可达到510MPa，屈服强度可达到440Mpa，延伸率达到10%，抗拉与屈服强度各向异性系数小于2%，大幅超过了航天2A14铝合金异形筒段力学性能的指标要求，进而适用于航天运载与武器装备用铝合金异形高筒结构件的高性能、高可靠成形制造。
附图说明
图1为预锻时的铝合金异形筒段精密模锻成形模具的A-A剖面结构示意图。
图2为预锻时的铝合金异形筒段精密模锻成形模具的B-B剖面结构示意图。
图3为预锻时的铝合金异形筒段精密模锻成形模具的立体结构示意图。
图4为终锻时的铝合金异形筒段精密模锻成形模具的A-A剖面结构示意图。
图5为终锻时的铝合金异形筒段精密模锻成形模具的B-B剖结构示意图。
图6为终锻时的铝合金异形筒段精密模锻成形模具的立体结构示意图。
图7为铝合金异形筒段的晶粒组织图。
图例说明：
100、锻件；200、产品；1、凹模；11、环形凸台；12、顶孔；2、凸模； 21、冲孔段；22、成形段；23、封堵段；3、型腔；4、垫块；41、***孔；5、顶出装置；51、成形孔；6、限位块；7、顶杆；8、凹槽；9、导柱；91、导孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图6所示，本实施例的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，包括凹模1和向下锻压的凸模2，凹模1和凸模2之间形成有锻压锻件100且与产品200外形相适配的型腔3，型腔3整体呈倒置的锥筒状，型腔3内放置有垫块4，垫块4用于承托锻件100以使凸模2对锻件100进行预锻锻压且使锻件100形成通孔、并在终锻时取出以使预锻冲孔后的锻件100放置在型腔3内时上下均有流变空间。相较于常规的反挤压成形模具，通过设置垫块4能够对为圆柱形坯料的锻件100进行预锻锻压，从而锻造出适合终锻的异形预制坯，之后取出垫块4，能使异形预制坯放置在型腔3中时，其上方和下方均有流变空间，并通过呈倒置锥筒状的型腔3，增大了锻件100在成形过程中的变形程度，并使锻件100沿各向均匀流变，解决了在锻造铝合金异形筒段时产生的各向流变与组织不均、局部存在变形死区和粗晶等问题，从而提高了锻件100的综合力学性能与均匀性，热处理后锻件100的轴向抗拉强度可达到510MPa，屈服强度可达到440Mpa，延伸率达到10%，抗拉与屈服强度各向异性系数小于2%，大幅超过了航天2A14铝合金异形筒段力学性能的指标要求，进而适用于航天运载与武器装备用铝合金异形高筒结构件的高性能、高可靠成形制造。
本实施例中，凸模2从下往上依次包括呈圆柱状且用于锻压的冲孔段21、和与产品200外形相适配的成形段22，垫块4设有沿凸模2锻压方向延伸且与冲孔段21适配的***孔41，***孔41用于在预锻锻压时供冲孔段21***，成形段22能与***孔41的顶端抵接。通过与冲孔段21匹配的***孔41方便凸模2对锻件100的冲孔，并能通过成形段22与***孔41的顶端抵接来实现限位，此时说明预锻完成。
本实施例中，凹模1内侧底部活动套设有用于向上顶出垫块4和锻件100的顶出装置5，顶出装置5设有沿凸模2锻压方向延伸且与冲孔段21适配的成形孔51，成形孔51用于在终锻锻压时供冲孔段21***，靠近型腔3顶部的凹模1和凸模2之间设有用于限制冲孔段21***成形孔51深度的限位块6。通过顶出装置5能方便将垫块4推出，也能方便将锻件100进行脱模；通过与冲孔段21匹配的成形孔51方便凸模2的锻造，并能通过限位块6能方便确定终锻的完成。
本实施例中，凹模1内侧底部设有托持顶出装置5的环形凸台11。通过环形凸台11能方便放置顶出装置5，并能对顶出装置5进行限位，避免其发生移动。
本实施例中，环形凸台11设有沿凸模2锻压方向延伸的顶孔12，顶孔12与成形孔51连通，顶孔12的孔径大于成形孔51的孔径，顶孔12内活动套设有顶杆7，顶杆7的顶端与顶出装置5的底端部分抵接、并用于推动顶出装置5向上移动。通过较大孔径的顶孔12能使顶杆7的顶端与顶出装置5的底部部分抵接，从而方便推动顶出装置5以实现为铝合金异形筒段的锻件100脱模。顶出装置5与顶杆7的装配为极小间隙的间隙配合。
本实施例中，型腔3的上下两端设有在终锻时与外界连通的缝隙以使型腔3形成半闭式模锻，冲孔段21与成形孔51孔壁之间设有第一间距，凸模2还包括连接于成形段22上端的封堵段23，封堵段23在终锻时***凹模1内、并与凹模1的内壁之间设有第二间距。另外模具采用半闭式模锻结构，使锻造时铝合金铸锭更容易充满型腔3，同时避免产生过大的成形力。
本实施例中，第一间距为1mm，第二间距为5mm。通过间距的设置，使型腔3形成有效的半闭式模锻结构。
本实施例中，凹模1内相对的两处侧壁上设有凹槽8，两个凹槽8均位于型腔3的内侧顶部、并用于在终锻时锻造出设于锻件100外壁上的定位突起。通过凹槽8能够方便锻造出与锻件100一体成形的定位突起。
本实施例中，凸模2设有至少二个沿凸模2锻压方向延伸的导柱9，凹模1上设有供导柱9分别***的导孔91，各导柱9和各导孔91均位于型腔3的***。通过导柱9和导孔91匹配和定位，能使凸模2和凹模1精准对位，从而能锻造出尺寸精准的锻件100。凸模2和凹模1相向的表面为矩形，导柱9设置在凸模2的两个角的对角线上，导孔91设置在凹模1的两个角的对角线上。
本实施例中，模具材料为5CrNiMo钢具有良好的韧性、强度和高耐磨性，具有优异的加工性能，便于制造挤出模具。
本实施例的铝合金异形筒段精密模锻成形方法，包括以下步骤：
S1、制坯：将均匀化处理后的铝合金铸锭加热至480～485℃，保温1~2h后，然后在液压机上对铝合金铸锭进行多向锻造，单次镦粗变形量为50～60%，其锻造过程如下：分别沿轴向、径向、切向各进行两次镦粗与拔长，接着滚圆并进行轴向镦粗，得到圆柱形坯料。
S2、预锻：将垫块4放置于凹模1和向下锻压的凸模2所形成的型腔3内，凹模1、凸模2和垫块4组成预锻模具，预锻模具和圆柱形坯料分别均匀涂抹高温油性润滑剂，将圆柱形坯料加热至480～485℃，保温1～2h后，放入加热至460～470℃且保温1～2h后的预锻模具中进行冲孔，锻压速度为1mm/s，压至凸模2末端的成形段22和冲孔段21连接位置与放置在凹模1中的垫块4的***孔41平齐，得到异形预制坯。
S3、终锻：取出垫块4，并将限位块6放置于靠近型腔3顶部的凹模1和凸模2之间，型腔3的上下两端设有与外界连通的缝隙以使型腔3形成半闭式模锻，凹模1、凸模2和限位块6组成终锻模具，将异形预制坯加热至480～485℃后，放入加热至460～470℃的终锻模具中进行锻造，下压行程为总锻造行程的2/3，锻压速度为3mm/s，然后再将异形预制坯与终锻模具均回炉加热至460～470℃后，进行第二次锻造，锻压速度为1mm/s-0.5mm/s，下压下限通过限位块6限定，成形后用液压机顶出缸推动顶杆7接触顶出装置5顶出锻件100，脱模得到铝合金异形筒段。
S4、热处理：将铝合金异形筒段加热至502～505℃，保温3~4h之后立即室温淬火，转移至时效炉中，最后在162～165℃下进行时效处理。
上述多向锻制坯与坯料接触的工模具须加热至400~470℃。
本发明的工艺操作简单，仅需稍加调整的一套模具就可实现铝合金异形筒段的预锻制坯与终锻精密成形，大大降低了后续切削加工余量，提高了生产效率，降低了成本，另外，在锻件终成形阶段进行变速率锻压，实现了近等温模锻成形，合模阶段降低了锻压速度，大幅降低了最终成形载荷。
对热处理后2A14铝合金异形筒段进行力学性能的测试，分别沿锻件轴向与周向剖切三部分取取样环，每个取样环分别沿厚度方向取内外两个位置进行力学性能检测，其检测数据如表1所示。
表1 铝合金异形筒段各部位力学性能
由本发明提出的工艺方法制造的2A14铝合金异形筒段热处理后可获得均匀等轴细小的再结晶晶粒组织，且各部位力学性能均达到较高水平，其中，锻件轴向抗拉强度可达到510MPa，屈服强度可达到440Mpa，延伸率达到10%，且各部分性能均匀性较好，抗拉与屈服强度各向异性系数小于2%。铝合金异形筒段的晶粒组织图，如图7所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种铝合金异形筒段精密模锻成形模具，包括凹模(1)和向下锻压的凸模(2)，所述凹模(1)和凸模(2)之间形成有锻压锻件(100)且与产品(200)外形相适配的型腔(3)，其特征在于，所述型腔(3)整体呈倒置的锥筒状，所述型腔(3)内放置有垫块(4)，所述垫块(4)用于承托锻件(100)以使凸模(2)对锻件(100)进行预锻锻压且使锻件(100)形成通孔、并在终锻时取出以使预锻冲孔后的锻件(100)放置在型腔(3)内时上下均有流变空间，所述凸模(2)从下往上依次包括呈圆柱状且用于锻压的冲孔段(21)、和与产品(200)外形相适配的成形段(22)，所述垫块(4)设有沿凸模(2)锻压方向延伸且与冲孔段(21)适配的***孔(41)，所述***孔(41)用于在预锻锻压时供冲孔段(21)***，所述成形段(22)能与***孔(41)的顶端抵接。
2.根据权利要求1所述的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，其特征在于，所述凹模(1)内侧底部活动套设有用于向上顶出垫块(4)和锻件(100)的顶出装置(5)，所述顶出装置(5)设有沿凸模(2)锻压方向延伸且与冲孔段(21)适配的成形孔(51)，所述成形孔(51)用于在终锻锻压时供冲孔段(21)***，靠近所述型腔(3)顶部的凹模(1)和凸模(2)之间设有用于限制冲孔段(21)***成形孔(51)深度的限位块(6)。
3.根据权利要求2所述的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，其特征在于，所述凹模(1)内侧底部设有托持顶出装置(5)的环形凸台(11)。
4.根据权利要求3所述的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，其特征在于，所述环形凸台(11)设有沿凸模(2)锻压方向延伸的顶孔(12)，所述顶孔(12)与成形孔(51)连通，所述顶孔(12)的孔径大于成形孔(51)的孔径，所述顶孔(12)内活动套设有顶杆(7)，所述顶杆(7)的顶端与顶出装置(5)的底端部分抵接、并用于推动顶出装置(5)向上移动。
5.根据权利要求2所述的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，其特征在于，所述型腔(3)的上下两端设有在终锻时与外界连通的缝隙以使型腔(3)形成半闭式模锻，所述冲孔段(21)与成形孔(51)孔壁之间设有第一间距，所述凸模(2)还包括连接于成形段(22)上端的封堵段(23)，所述封堵段(23)在终锻时***凹模(1)内、并与凹模(1)的内壁之间设有第二间距。
6.根据权利要求5所述的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，其特征在于，所述第一间距为1mm，所述第二间距为5mm。
7.根据权利要求1所述的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，其特征在于，所述凹模(1)内相对的两处侧壁上设有凹槽(8)，两个所述凹槽(8)均位于所述型腔(3)的内侧顶部、并用于在终锻时锻造出设于锻件(100)外壁上的定位突起。
8.根据权利要求1所述的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，其特征在于，所述凸模(2)设有至少二个沿凸模(2)锻压方向延伸的导柱(9)，所述凹模(1)上设有供导柱(9)分别***的导孔(91)，各所述导柱(9)和各导孔(91)均位于型腔(3)的***。
9.一种铝合金异形筒段精密模锻成形方法，其特征在于，使用如权利要求2所述的铝合金异形筒段精密模锻成形模具，并包括以下步骤：
S1、制坯：将铝合金铸锭加热至480～485℃，然后对铝合金铸锭进行多向锻造，得到圆柱形坯料；
S2、预锻：将垫块(4)放置于凹模(1)和向下锻压的凸模(2)所形成的型腔(3)内，凹模(1)、凸模(2)和垫块(4)组成预锻模具，将圆柱形坯料加热至480～485℃后，放入加热至460～470℃的预锻模具中进行冲孔，得到异形预制坯；
S3、终锻：取出垫块(4)，并将限位块(6)放置于靠近型腔(3)顶部的凹模(1)和凸模(2)之间，型腔(3)的上下两端设有与外界连通的缝隙以使型腔(3)形成半闭式模锻，凹模(1)、凸模(2)和限位块(6)组成终锻模具，将异形预制坯加热至480～485℃后，放入加热至460～470℃的终锻模具中进行锻造，然后再将异形预制坯与终锻模具均加热至460～470℃后，进行第二次锻造，脱模得到铝合金异形筒段；
S4、热处理：将铝合金异形筒段加热至502～505℃，之后立即室温淬火，最后在162～165℃下进行时效处理。
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