筋板类锻件等温精密成形技术研究

筋板类锻件等温精密成形技术研究黄荣刚（武汉理工大学材料学院）摘要：主要研究筋板类锻件等温精密成形技术。

针对典型筋板类锻件,设计了不同形式的局部加载垫板进行局部加载,通过局部加载技术控制腹板处多余金属的流动方向和距离,避免产生折迭、充不满等缺陷,并且利用等温变形条件改善金属充填质量和降低模压力。

实验结果表明局部加载等温成形技术可以有效地控制金属的变形流动,提高筋板类锻件的成形质量。

关键词：筋板类锻件;等温成形;局部加载;折叠1.引言折叠筋板类构件在航天、航空领域有着十分广泛的应用。

为了满足减重的需要,这类构件通常被设计成薄腹板并带有纵、横内筋的结构,这种薄腹高筋结构给构件的加工带来很大困难。

薄腹高筋类构件种类较多、应用范围较广,构件使用性能的要求各不相同,其加工方法和工艺区别也较大。

对于使用性能要求不高的大型薄腹高筋类构件,美国、俄罗斯等国家多采用精密铸造的方法进行加工。

目前,美国、日本等技术先进国家批量生产的钛合金精密铸件直径已达1300mm (最大可达2000mm)、腹板壁厚1mm–2mm(最薄0.5mm),铝合金精密铸件的水平更高,精铸件的成品率可达80%以上,材料利用率达80%–90%。

我国精密铸造技术与国外先进国家相比尚有一定差距,大型薄腹高筋类铸件的内部缺陷较多,加工成本较高和成品率较低,精密铸件废品率有的高达70%–80%、材料利用率仅有20%–30%。

对于使用性能要求较高的大型薄腹高筋类构件,国内外多采用锻造或轧制方法预制简单形状的毛坯,再采用数控加工或化铣加工的方法将高筋逐个加工。

这些加工方法的材料利用率低、加工成本高、环境污染严重。

更重要的是加强筋部位的金属流线被切割,使构件的强度大大降低,难以满足构件使用要求。

随着筋板类构件的广泛应用,寻找一种既能保证构件使用性能,又能节约成本、提高生产效率的加工方法成为迫切需要解决的问题。

精密塑性成形技术的发展为这类构件的加工提供了一条重要途径[1-3]。

对于带有纵、横内筋的薄腹板类构件,如果采用普通模锻工艺直接成形,薄腹板和高筋的圆角处均难以成形,往往需要大能力位的设备,过大的模压力往往会使模具的寿命受到损害。

为了解决复杂形状锻件的充填问题,等温模锻技术近年来发展迅速。

等温精密模锻技术是在传统锻造工艺基础上发展起来的一项新工艺,与普通模锻技术不同,它是将模具和坯料都加热到坯料的锻造温度,并使坯料在变形过程中保持温度不变,可以显著改善坯料的塑性和流动能力,主要应用于航天、航空工业中的钛合金、铝合金和镁合金锻件的精密模锻[4,5]。

采用等温模锻技术虽然可以解决薄腹板和高筋的成形问题,但是当高筋充填到一定程度后,筋的充填阻力增大,大量的金属会由中心向外部流动,大量向外部流动的金属会在筋的根部引起流线紊乱、涡流和折迭,严重的还会在筋的根部将筋切断。

因此,该类件是无法采用通常的塑性加工方法成形的。

由于模锻通常是整体加载,薄腹高筋类锻件在成形过程中产生上述流动规律是必然的。

但是,若改变整体加载方式,采用局部加载逐步成形,控制金属的变形流动方向,迫使金属充填筋部,减少金属的水平方向流动量和距离,从而可以避免大量水平方向流动的金属在筋的根部产生折迭或将筋切断的。

为此,本文提出采用局部加载技术精密成形大型薄腹高筋类构件,为提高金属充填型腔的能力,拟在等温变形条件下成形。

所成形锻件的纵、横内筋尺寸精度达到设计要求,不再需要进行机械加工,并使金属流线沿零件几何外形分布,从而提高构件的使用性能,解决该类构件的加工问题。

2.筋板类锻件等温精密成形模具设计2.1典型筋板类锻件的设计筋板类构件通常被设计成复杂形状并带有薄腹板和高筋,构件腹板厚度的减少可以有效地减轻构件的重量,而合理布置的高筋可以保证构件的强度。

腹板和筋的尺寸和位置对锻件的成形难度和模压力影响非常大,这些影响因素在锻件设计时必须加以考虑。

为了系统地研究筋板类锻件的精密成形,设计了一种典型结构的筋板类锻件,材料为2618铝合金。

如图1所示,该件有一个薄的弧形腹板,腹板上有一系列纵、横相交的内筋,纵、横内筋的外侧是一个椭圆形外筋。

腹板厚度为8mm,筋的高度和宽度分别为22mm和6mm,筋的高宽比超过3.6：1,两条内筋的间距为68mm,筋的模锻斜度取为1.5°,对于椭圆形筋和平行于长轴的两条内筋的内侧拔模斜度将根据其在弧形腹板的位置计算后获得。

此外,筋的圆角半径也是锻件设计的重要参数,综合考虑锻件成形及模具加工等因素,筋的圆角半径取为5mm,筋与腹板之间的过渡处圆角半径取为3mm。

2.2 典型筋板类锻件等温成形模具和局部加载垫板设计等温成形需要将模具加热到坯料的变形温度并在整个成形过程中保持等温条件。

铝合金的变形温度一般不超过510℃,考虑到高温条件下的模具强度和寿命,该等温成形模具材料选为5CrNiMo模具钢。

模具采用电阻丝加热,利用石棉和硅酸铝毡进行保温,并且采用热电耦和控温装置进行测温和控温,温度控制精度达到±5℃。

模具分模面选取在锻件弧形腹板的底面,上模型腔为弧形。

筋板类锻件的弧形腹板给下模设计和制造带来困难,下模型腔需要数控加工才能完成。

为了便于编制下模型腔数控加工程序,采用几何造型技术对典型筋板类锻件和下模进行三维造型,图2、3所示分别是铝合金筋板类锻件和下模三维造型图。

图2筋板类锻件三维造型图图3筋板类锻件下模三维造型图筋板类锻件精密成形的关键是如何控制腹板处多余金属的变形流动。

如果采用上模直接模压,腹板处金属在充满筋部后,多余金属将大量沿水平方向流向飞边处,非常容易在筋的根部产生折迭和穿筋等缺陷。

为避免腹板处的金属长距离流动,设计了如图4所示的局部加载垫板,模压过程中将该垫板放置在上模和坯料之间,就会在各条筋的背面聚集足够量的金属,将垫板去掉再进行模压,筋部聚集的金属就会充填到筋部模具型腔,而不会长距离流到飞边处。

此外,为了保证椭圆形筋的充填,又设计了如图5所示的局部加载垫板。

图4局部加载垫板图5椭圆形局部加载垫板3.筋板类锻件局部加载等温精密成形实验研究局部加载等温精密成形实验在50,000kN油压机上进行。

考虑到等温成形的特点, 2618铝合金的等温成形温度取为430℃。

实验时采用水基石墨作为润滑剂。

模压时根据筋板类锻件成形特点,分别施加局部加载垫板以控制金属的变形流动。

实验坯料选用500mm³410mm³20mm铝合金厚板。

首先将坯料放置在下模上进行整体模压,坯料先产生弯曲变形再充填筋部,当模压力达到12,000kN时停止模压,将图4所示垫板放置在上模和坯料之间继续模压,当模压力达到14,000kN时停止模压并将垫板取出,此时在各个筋条的背面处聚集了相当数量的金属,继续整体模压至12,000kN时停止模压,将图5所示的椭圆形垫板放置在上模和坯料之间继续模压以保证椭圆形筋的充填。

对筋板类锻件进行固溶时效处理,分别沿长轴(板料轧制方向)和短轴(金属纤维方向)方向各取两个试样,在Instron5569万能试验机上进行拉伸试验。

表1所示为拉伸试验结果,不仅所成形锻件力学性能满足各项要求,而且长轴和短轴两个方向性能相差不大,这主要是长轴变形量不大,仍然保持原来的轧制方向,而沿短轴方向的变形量较大,形成了金属纤维方向。

4.结论(1)筋板类构件整体模压时,薄腹板和高筋的圆角处均难以成形,增大模压力不仅对提高金属的充填能力和改善筋的成形质量作用有限,而且还会影响模具寿命。

(2)采用等温精密模压工艺成形筋板类构件时,通过局部加载的方式控制金属的变形流动方向和距离,防止金属沿水平方向大量外流,变长程流动为短程流动,在坯料上筋的部位聚集金属,可以有效地控制金属的变形流动,提高了筋的成形质量,防止了充不满、折迭等缺陷的产生。

(3)利用垫板可以实现了筋板类锻件的局部加载,局部加载垫板的设计和合理应用是保证筋板类构件成形质量的关键。

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