一种制备半球形钛合金封头锻件的模具及其制备方法

技术领域

本发明属于钛合金锻件加工技术领域，具体涉及一种制备半球形钛合金封头锻件的模具及其制备方法。

背景技术

封头锻件是指用于封闭压力容器端部使其内外介质隔离的元件，其作为压力容器的主要承压部件，已经广泛应用在航空、航天、石油、石化、深海、医疗、运输等诸多领域，例如用于制备航天领域的高压气瓶。在压力作用下，封头锻件上的应力的大小和分布都与它的型式、形状、材料等息息相关，目前的封头锻件壳体受力差，易造成损坏，导致其安全性能存在隐患，因此我司根据客户的要求设计了形状如图1、2所示的半球形封头锻件。

其中，该半球形封头锻件的材质为钛合金，这是因为相较于常规的钢铁材料，钛合金封头锻件具有较高的比强度和优异的抗腐蚀性能，钛合金作为耐压材料时，能大幅度降低球壳的重量，增加有效载荷。但是因钛合金材料较为昂贵，而常规的自由锻造生产效率低，且在锻造过程中容易引起横向裂纹，导致合格率较低、浪费材料，因此该锻件不适用于自由锻造而成。少部分厂家采用旋压成型，但由于旋压机需要精密的控制系统和高强度的机身，因此旋压机成本很高，加剧了生产成本。

有鉴于此，本发明人为了节约材料、缩短加工周期，降低成本，特提出此发明。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种制备半球形钛合金封头锻件的模具及其制备方法，本发明方法能有效降低制作半球形钛合金封头锻件的成本、缩短加工周期、并能提高生产效率，从而解决了该类锻件材料浪费大、加工周期长、生产效率低的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一方面，本发明提供制备半球形钛合金封头锻件的模具，所述模具包括上模和设置于所述上模正下方的下模；

其中，所述上模由上模座和冲头组成，所述冲头可拆卸的安装于所述上模座的底部，所述冲头底部的形状为与目标半球形钛合金封头锻件的形状相吻合的半球形；

所述下模从上往下依次由下成型模、支撑座和下模座组成，所述下成型模与支撑座均为中空结构，且所述下成型模放置在支撑座上，所述支撑座与下模座固定连接。

进一步地，所述上模的上模座固定安装在压力机的上砧座上，所述下模的下模座固定安装在压力机的下砧座上，且安装后所述冲头的中心线与下成型模、支撑座以及下模座的中心线重合。

进一步地，所述上模座与冲头通过若干个螺栓连接。

进一步地，所述冲头由底部的半球体和上部的圆柱体组成，且两者为一体成型结构，所述半球体和圆柱体的直径为d

进一步地，所述下成型模的顶部设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽用于放置制备目标半球形钛合金封头锻件的钛合金圆坯料，所述圆形凹槽与钛合金圆坯料间隙配合。

进一步地，所述下成型模的上部内壁与圆形凹槽连接处设置有圆弧角，所述圆弧角的尺寸R角的取值范围为60mm≥R≥3mm。

进一步地，所述下成型模内壁的上部为台阶孔结构，位于上方台阶小孔的内径为d

进一步地，所述下成型模内壁的下部为锥型结构，所述锥型结构的起点从台阶大孔底端开始，且所述锥型结构的起点至下模座顶面的距离h应大于目标半球形钛合金封头锻件的高度H。

第二方面，本发明提供半球形钛合金封头锻件的制备方法，所述制备方法基于上述模具，具体包括以下步骤：

步骤一、步骤一、根据目标半球形钛合金封头锻件的规格制作相应的钛合金圆坯料，所述钛合金圆坯料的粗糙度要求为1.6μm～6.3μm，超声波探伤应达到钛合金封头锻件7以上等级要求，并且在所述钛合金圆坯料表面喷涂玻璃润滑剂；

步骤二、将上模和下模固定在压力机的上、下砧座安装位置上，再将步骤一准备的钛合金圆坯料装炉加热并保温设定时间后，将所述钛合金圆坯料从炉内取出放置在下成型模顶部的圆形凹槽中心位置；

步骤三、启动压力机，冲头在压力机的作用下以设定速率向下移动，并经下成型模的支撑作用对所述钛合金圆坯料进行模锻作业，所述钛合金圆坯料完成模锻后，再将下成型模吊离支撑座后，取出支撑座上的模锻件冷却到室温状态后，即得到符合尺寸要求的目标半球形钛合金封头锻件。

进一步地，所述步骤一中钛合金圆坯料的厚度δ的取值范围为：(D

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用制坯+胎模锻的工艺方案，先根据目标半球形钛合金封头锻件的规格制作出相应尺寸的钛合金圆坯料及模具，在利用压力机，使圆坯料在模具里模锻成型，且模具中的下成型模和支撑座为中空结构，即充当模腔的作用，且该模腔为悬空式结构，不与目标半球形钛合金封头锻件接触，因而使得钛合金圆坯料在模锻成型的过程中四周可同时自由变形，以达到下压过程中坯料自我正的作用，有效避免了半球形钛合金封头锻件的壁厚不均现象发生，显著提高半球形钛合金封头锻件的成品率。同时采用该模具可大批量生产不同牌号的钛合金半球形封头锻件，且制造成本低、操作步骤简单，锻件形状基本接近目标工件形状，能有效节约材料成本，缩短加工周期。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明目标半球形钛合金封头锻件立体结构示意图；

图2是本发明目标半球形钛合金封头锻件剖视结构示意图；

图3是本发明使用的钛合金圆坯料立体结构示意图；

图4是本发明制备半球形钛合金封头锻件的上模结构示意图；

图5是本发明制备半球形钛合金封头锻件的下模结构示意图；

图6是本发明模锻前的上、下模和钛合金圆坯料放置位置示意图；

图7是本发明模具对钛合金圆坯料模锻过程示意图。

其中：1为上模；2为下模；11为上模座；12为冲头；21为下成型模；22为支撑座；23为下模座；211为圆形凹槽；212为圆弧角；A为目标半球形钛合金封头锻件；B为钛合金圆坯料；D为圆形凹槽的内径；R为圆弧角的大小；d

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

请参见图1～7，本发明提供一种制备半球形钛合金封头锻件的模具，包括上模1和设置于该上模1正下方的下模2，上模1由上模座11和冲头12组成，该冲头12可拆卸的安装于上模座11的底部，冲头12底部的形状为与目标半球形钛合金封头锻件A的形状相吻合的半球形；下模2从上往下依次由下成型模21、支撑座22和下模座23组成，下成型模21与支撑座22均为中空结构，且下成型模21放置在支撑座22上，支撑座22与下模座23固定连接。

其中，上模1的上模座11固定安装在压力机的上砧座上，下模2的下模座23固定安装在压力机的下砧座上，且安装后冲头12的中心线与下成型模21、支撑座22以及下模座23的中心线重合。即通过压力机的驱动力带动冲头12挤压放置有坯料的下成型模21，从而使坯料完成相应的变形，以得到目标产品。

具体的，如图4所示，本发明中上模座11与冲头12通过若干个螺栓连接为一体，冲头12由底部的半球体和上部的圆柱体组成，且两者为一体成型结构，该半球体和圆柱体的直径均为d

如图5所示，本发明中下成型模21的顶部设置有圆形凹槽211，所述圆形凹槽211用于放置制备目标半球形钛合金封头锻件A的钛合金圆坯料B，且圆形凹槽211与钛合金圆坯料B间隙配合，即圆形凹槽211的内径D大于等于钛合金圆坯料B的直径；另外在下成型模21的上部内壁与圆形凹槽211连接处设置有圆弧角212，该圆弧角212的尺寸R，R角的取值范围为:R60≥R≥R3为较为合理；同时将下成型模21内壁的上部设置为台阶孔结构，位于上方台阶小孔的内径为d

基于上述模具，本发明提供一种半球形钛合金封头锻件的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：

步骤一、根据目标半球形钛合金封头锻件A的规格制作相应的钛合金圆坯料B，钛合金圆坯料B的粗糙度要求为1.6μm～6.3μm，厚度为δ，厚度δ的取值范围为：(D

步骤二、将上模1和下模2固定在压力机的上、下砧座安装位置上，再将步骤一准备的钛合金圆坯料B装炉加热相变点以下25℃～30℃，保温时间按钛合金圆坯料B的厚度δ的0.7min/mm计算，然后将钛合金圆坯料B从炉内取出放置在下成型模21顶部的圆形凹槽211中心位置；

步骤三、启动压力机，冲头12在压力机的作用下以10mm/s～30mm/s速率向下移动，并经下成型模21的支撑作用对所述钛合金圆坯料B进行模锻作业，所述钛合金圆坯料B完成模锻后，再将下成型模21吊离支撑座22后，取出支撑座22上的模锻件冷却到室温状态后，即得到符合尺寸要求的目标半球形钛合金封头锻件A。

为了进一步验证本发明制备方法的功效，发明人进行了如下具体试验：

实施例1(目标制备规格为D

本实施例制备过程包括以下步骤：

1)制作尺寸为Φ860×70的TA31钛合金圆坯料，要求该TA31钛合金圆坯料的粗糙度为3.2μm，超声波探伤应达到钛合金封头锻件7的等级要，并且在该TA31钛合金圆坯料表面喷涂玻璃润滑剂；

2)准备上模1和下模2，要求冲头12的半球体和圆柱体的直径为d

3)将步骤1)准备的TA31钛合金圆坯料加热至相变点以下30℃，并保温50min后，将其从炉内取出放置在下成型模21顶部的圆形凹槽211中心位置；

4)随即启动压力机，冲头12在压力机的作用下以15mm/s速率向下移动，并经下成型模21的支撑作用对该TA31钛合金圆坯料进行模锻作业，该TA31钛合金圆坯料完成模锻后，再将下成型模21吊离支撑座22后，取出支撑座22上的模锻件冷却到室温状态后，即得到TA31半球形封头锻件，经过对该方式生产的大批锻件进行尺寸抽查后，均完全符合要求。

实施例2(目标制备规格为D

1)制作尺寸为Φ860×60的TA31钛合金圆坯料，要求该TA31钛合金圆坯料的粗糙度为1.6μm，超声波探伤应达到钛合金封头锻件7的等级要，并且在该TA31钛合金圆坯料表面喷涂玻璃润滑剂；

2)准备上模1和下模2，要求冲头12的半球体和圆柱体的直径为d

3)将步骤1)准备的TA31钛合金圆坯料加热至相变点以下25℃，并保温42min后，将其从炉内取出放置在下成型模21顶部的圆形凹槽211中心位置；

4)随即启动压力机，冲头12在压力机的作用下以20mm/S速率向下移动，并经下成型模21的支撑作用对该TA31钛合金圆坯料进行模锻作业，该TA31钛合金圆坯料完成模锻后，再将下成型模21吊离支撑座22后，取出支撑座22上的模锻件冷却到室温状态后，即得到TC4半球形封头锻件，经过对该方式生产的大批锻件进行尺寸抽查后，均完全符合要求。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。