一种二合一结构压气机盘锻件的成形模具及锻造方法

技术领域

本发明属于金属材料热加工技术领域，特别涉及一种二合一结构压气机盘锻件的成形模具及锻造方法。

背景技术

先进航空发动机高功重比/推重比目标的实现依赖先进的结构设计，对于轴流式压气机，通过将相邻两级的压气机盘设计成盘-盘二合一的整体，可减少螺栓连接结构，在实现减重的同时，提高部件的可靠性，日渐受到设计部门的青睐。

对于压气机盘，盘体直径通常远大于轮毂直径，若将相邻两级压气机盘设计为轴向串联的二合一整体，就会导致“轮毂(细)-盘体(粗)-轮毂(细)-盘体(粗)-轮毂(细)”的盘坯结构。传统的锻件设计和锻件制备通常将中间小直径的连接轮毂包容于大直径盘体部位的成形，而后采用大的车削量去除中间连接轮毂部位的多余材料，大的包容结构造成盘件成材率低、机加工周期长等问题，不适于批量化生产，并且车削加工会切断锻件流线，会降低盘件的使用性能。

因此，如何寻求针对二合一整体结构压气机盘坯锻件的锻造方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二合一结构压气机盘锻件的成形模具及锻造方法，可实现锻件各部位的小余量成形，从而达到提高锻件成材率和使用性能的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供一种二合一结构压气机盘锻件的成形模具，包括：

上模，用于成形锻件的上部轮廓；

下模，用于成形锻件的下部轮廓；

中间环模内衬型模，为由多个内衬单元拼接而成的环形结构，设置于所述上模和所述下模之间，用于成形锻件的中部轮廓；

中间环模环形外套，套设于所述中间环模内衬型模的外侧，用于箍紧所述中间环模内衬型模；

其中，所述上模、所述中间环模内衬型模以及所述下模之间围成用于锻造所述二合一结构压气机盘锻件的锻模型腔。

可选的，在上述成形模具中，所述中间环模内衬型模包括两个半环形的所述内衬单元。

可选的，在上述成形模具中，所述中间环模内衬型模的型线轮廓与中间轮毂部位轮廓一致，所述中间环模内衬型模的外径大于所述锻件的最大外圆直径。

可选的，在上述成形模具中，所述中间环模内衬型模的外环壁与所述中间环模环形外套的内环壁以1°-5°倾角范围的斜边配合。

可选的，在上述成形模具中，所述中间环模内衬型模和所述中间环模环形外套均采用铸造高温合金制成。

本发明还提供一种二合一结构压气机盘锻件的锻造方法，其特征在于，应用上文所述的二合一结构压气机盘锻件的成形模具，包括：

步骤1、将棒坯加热至锻造温度，保温结束后进行镦粗，获得鼓形的镦粗中间坯；

步骤2、在所述镦粗中间坯的中部加工出环形凹槽，所述环形凹槽用于与中间环模内衬型模间隙配合；

步骤3、将所述中间环模内衬型模和中间环模环形外套依次安装在所述镦粗中间坯的环形凹槽处，将所述镦粗中间坯放入炉中预热至锻造温度，保温结束后出炉；

步骤4、将上模和下模安装在所述镦粗中间坯，通过压力机挤压所述上模和/或所述下模进行模锻，模锻结束后取下所述成形模具，进行空冷，获得二合一结构压气机盘锻件。

可选的，在上述锻造方法中，所述步骤1包括：所述镦粗中间坯中间鼓肚应略大于中间环模内衬型模的内径，根据所述镦粗中间坯逆向确定所述棒坯规格，所述棒坯发生30％-50％的镦粗变形得到所述镦粗中间坯；

所述棒坯的体积公式为V

可选的，在上述锻造方法中，所述步骤1还包括：所述锻件在粗加工毛坯结构上单边加放1mm-5mm的工艺余量，拔模斜度为3°-7°。

可选的，在上述锻造方法中，所述步骤2还包括：所述环形凹槽的位置确定是针对所述镦粗中间坯弧形外缘，测量所述镦粗中间坯不同高度的直径Di，i＝1、2、3、4、5……，将中间坯不同高度的直径Di和高度H导入CAD软件，采用样条插值法获得所述镦粗中间坯的外廓尺寸，在CAD软件中确定所述环形凹槽的位置，使得所述环形凹槽以上部分的坯料体积能够保证上模的成形，所述环形凹槽以下部分的坯料体积能够保证下模的成形。

可选的，在上述锻造方法中，所述步骤4包括：将所述上模、所述下模分别安装在压力机上，将所述中间环模内衬型模安装在所述镦粗中间坯的环形凹槽处，并在所述中间环模内衬型模的外侧安装所述中间环模环形外套并箍紧。

本发明提供了一种二合一结构压气机盘锻件的成形模具，其有益效果在于：

通过增设分模面以及使用中间环模，实现了二合一整体结构盘坯中间轮毂部位的小余量成形，提高了锻件的成材率和后续的机加工效率。同时，使得金属流线随沿锻件轮廓合理分布，保证了流线的完整性，有利于提高了锻件性能。

本发明还提供了一种具有上述二合一结构压气机盘锻件的成形模具的锻造方法，其具有相同的有益效果，在此不作赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的二合一结构压气机盘锻件的结构示意图(双点划线为粗加工图轮廓)；

图2为本发明实施例提供的模具锻造过程中初始定位状态的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的模具锻造过程中锻造结束状态的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的上模的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的下模的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的中间环模内衬型模的主视图；

图7为本发明实施例提供的中间环模内衬型模的俯视图；

图8为本发明实施例提供的中间环模环形外套的主视图；

图9为本发明实施例提供的中间环模环形外套的俯视图。

上图中：

A-上分模面；B-下分模面；

1-上模；2-镦粗中间坯；3-中间环模环形外套；4-中间环模内衬型模；5-下模。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的核心是提供一种二合一结构压气机盘锻件的成形模具及锻造方法，可实现锻件各部位的小余量成形，从而达到提高锻件成材率和使用性能的目的。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体地，请参考图1-图9，本发明提供的一种二合一结构压气机盘锻件的成形模具，包括：上模1、下模5、中间环模内衬型模4以及中间环模环形外套3。

其中，上模1用于成形锻件的上部轮廓，位于上方的盘体与中间轮毂的连接面设置上分模面A。

下模5用于成形锻件的下部轮廓，位于下方的盘体与中间轮毂的连接面设置下分模面B。

中间环模内衬型模4为由多个内衬单元拼接而成的环形结构，设置于上模1和下模5之间，用于形成锻件的中部轮廓。

中间环模环形外套3套设于中间环模内衬型模4的外侧，用于锁紧中间环模内衬型模4。

其中，上模1、中间环模内衬型模4以及下模5之间围成用于锻造二合一结构压气机盘锻件的锻模型腔。

需要说明的是，二合一结构压气机盘锻件包括两个大直径盘体与中间轮毂，以形成邻级盘-盘二合一形成的整体式结构。

上模1和下模5分别对应的是锻件的上下两个大直径盘体部分，中间环模对应的是锻件的中间轮毂部分。

位于上方的盘体与中间轮毂的连接面设置上分模面A，位于下方的盘体与中间轮毂的连接面设置下分模面B。如图1所示，在两个大直径盘体与中间轮毂连接面分别设计上分模面A和下分模面B，其中上分模面A以上采用上模1成形，下分模面B以下采用下模5成形，两个分模面之间采用中间环模内衬型模4成形。

本发明提供的二合一结构压气机盘锻件的成形模具，通过增设分模面以及使用中间环模，实现了二合一整体结构盘坯中间轮毂部位的小余量成形，提高了锻件的成材率和后续的机加工效率，并提升了锻件的使用性能。

在一具体实施例中，中间环模内衬型模4包括两个半环形的内衬单元，拼组后模具的型线轮廓与中间轮毂部位轮廓一致，中间环模内衬型模4的外径大于锻件的最大外圆直径。

在一具体实施例中，中间环模内衬型模4的外环壁与中间环模环形外套3的内环壁以1°-5°倾角范围(优选为3°)的斜边(该斜边倾斜方向如图2所示，)配合，以使得工作过程中间环模环形外套3不下落和锻造结束后易于拆卸。

具体的，中间环模采用铸造高温合金，如N3合金，当然，还可以根据锻造温度适应性选择其他材质。

此外，本发明还提供的一种二合一结构压气机盘锻件的锻造方法，应用上述二合一结构压气机盘锻件的成形模具，包括以下步骤：

步骤1、将棒坯加热至锻造温度，保温结束后进行镦粗，获得鼓形的镦粗中间坯2；

步骤2、在镦粗中间坯2的中部加工出环形凹槽，环形凹槽用于与中间环模内衬型模4间隙配合；

步骤3、将中间环模内衬型模4和中间环模环形外套3依次安装在镦粗中间坯2的环形凹槽处，将镦粗中间坯2放入炉中预热至锻造温度，保温结束后出炉；

步骤4、将上模1和下模5安装在镦粗中间坯2，通过压力机挤压上模1和/或下模5进行模锻，模锻结束后取下成形模具，进行空冷，获得二合一结构压气机盘锻件。具体的，将上模1、下模5分别安装在压力机上，将中间环模内衬型模4安装在镦粗中间坯2的环形凹槽处，并在中间环模内衬型模4的外侧安装中间环模环形外套3并箍紧，再进行模锻。

采用本方法制备的二合一结构压气机盘的加工余量小，使得金属流线随沿锻件轮廓合理分布，保证了流线的完整性，组织性能均匀性好，有利于提高了锻件性能，同时可满足先进航空发动机整体结构压气机盘的制备需求。

为了合理推测出锻造尺寸，步骤1包括：根据镦粗中间坯2逆向确定棒坯规格，棒坯发生30％-50％的镦粗变形得到镦粗中间坯2；

棒坯的体积公式为V

锻件在粗加工毛坯结构上单边加放1mm-5mm的工艺余量，拔模斜度为3°-7°。

进一步的，环形凹槽的位置确定是针对镦粗中间坯2弧形外缘，测量镦粗中间坯2不同高度的直径Di，i＝1、2、3、4、5……，将中间坯不同高度的直径Di和高度H导入CAD软件，采用样条插值法获得镦粗中间坯2的外廓尺寸，在CAD软件中确定环形凹槽的位置，使得环形凹槽以上部分能够保证上模1的成形，环形凹槽以下部分的坯料体积能够保证下模5的成形。

在上述具体实施例的基础上，本发明提供一种用于邻级盘-盘二合一整体结构压气机盘锻件的锻造方法，该方法的步骤包括：

(1)双分模面锻件设计

在两个大直径盘体与中间轮毂连接面分别设计上、下两个分模面，其中上分模面A以上采用上模1成形，下分模面B以下采用下模5成形，两个分模面之间采用中间环模成形。

(2)中间环模设计

设计中间环模用于中间连接轮毂成形，中间环模包括中间环模内衬型模4和中间环模环形外套3，其中，中间环模内衬型模4为2个半环形分体结构，拼组后中间环模内衬型模4的型线轮廓与中间轮毂部位轮廓一致，中间环模内衬型模4的外径大于锻件最大外圆尺寸。

(3)棒坯与镦粗中间坯2设计

模锻前对棒坯进行镦粗以使得锻件获得均匀的变形量，镦粗中间坯2的外缘直径设计成大于(略大于)中间环模内衬型模4的直径，根据镦粗中间坯2逆向确定棒材规格。

(4)棒坯镦粗

将棒坯加热至锻造温度，保温结束后出炉按设计的变形量镦粗，获得鼓形的镦粗中间坯2。

(5)镦粗中间坯2的环形凹槽定位与加工

在镦粗中间坯2设定位置加工环形凹槽，环形凹槽与中间环模内衬型模4间隙配合。

(6)镦粗中间坯2模锻

将中间环模安装在镦粗中间坯2的环形凹槽处，将安装有中间环模的镦粗中间坯2放入炉中预热至锻造温度，保温结束后出炉模锻，模锻结束后取下中间环模，锻件空冷，获得二合一整体结构模锻件。

本实施例选取某型三、四级叶片盘详述本发明实施过程：

(1)双分模面锻件设计

在第三级叶片盘与中间轮毂连接面设置上分模面A，在第四级叶片盘与中间轮毂连接面设计下分模面B，锻件设计在粗加工毛坯结构上单边加放3mm工艺余量，设置拔模斜度5°，锻件体积9.33×10

(2)中间环模设计

以步骤(1)中锻件为依据设计模具，上分模面A以上设计为上模1、下分模面B以下设计为下模5，两个分模面之间设计中间环模。中间环模内衬型模4为2个半环形分体结构，拼组后中间环模内衬型模4的型线轮廓与中间轮毂部位轮廓一致，中间环模内衬型模4的外径大于锻件的最大外圆直径。中间环模内衬型模4外壁与中间环模环形外套3的内壁以3°的斜边配合。中间环模采用铸造高温合金。

(3)棒坯与镦粗中间坯2设计

选择棒坯规格Φ180mm×385mm，镦粗变形量40％，镦粗中间坯2规格约Φ232mm×231mm，中间环模内径Φ212mm，棒材的体积V

(4)棒坯镦粗

将棒坯加热至锻造温度，保温结束后出炉进行镦粗，镦粗变形量40％，获得中间鼓肚的镦粗中间坯2。

(5)镦粗中间坯2的环形凹槽定位与加工

采用5点插值确定镦粗中间坯2外形尺寸(测量上端面直径、下端面直径、1/4高度直径、1/2高度直径、3/4高度直径)，运用CAD确定环形凹槽位置，使得环形凹槽以上部位体积V

(6)镦粗中间坯2模锻

将上模1、下模5安装在压力机，将两个半环形中间环模内衬型模4安装在镦粗中间坯2的环形凹槽处，并在外侧安装中间环模环形外套3箍紧。将安装有中间环模的镦粗中间坯2入炉预热至锻造温度，保温结束后出炉模锻，模锻结束后取下中间环模，得到二合一整体结构模锻件。

采用本方法制备的二合一整体结构压气机盘加工余量小，流线随形合理分布，组织性能均匀性好，可满足先进航空发动机整体结构压气机盘的制备需求。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

(1)通过增设分模面和使用中间环模，实现了二合一整体结构盘坯中间轮毂部位的小余量成形，提高了锻件的成材率和后续的机加工效率，同时使得金属流线随沿锻件轮廓合理分布，保证了流线的完整性，有利于提高了锻件性能。

(2)镦粗过程坯料中间高度变形量大而两端变形量小，模锻过程坯料两端变形量大而中间部分变形量小(中间环模的箍紧限制金属流动)，通过镦粗和模锻两火次配合变形，可使得坯料发生均匀的累积变形量，从而获得均匀的微观组织。

(3)中间环模采用分体设计，便于中间环模的安装和拆卸，具有操作灵活性和可重复使用性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。