一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法

技术领域

本发明属于等温锻造领域。

背景技术

现代航空航天工业为追求航天飞行器更快的速度、更高的敏捷性和更低的成本，越来越重视零部件的轻量化研究。异形轮廓腹板大肋间距构件是轻量化结构设计的一类产品，采用传统的厚板机械加工方式生产，其力学性能难以满足需求，且造成材料大量浪费；采用通常的随形坯料进行锻造，锻件各个部位充填速度不均匀，端部充填不满，且会造成材料一定程度的浪费；采用一步锻造成形的方式，由于腹板处坯料大量向飞边处流动，会在锻件肋部产生折叠缺陷，同时会增大成形载荷，降低模具寿命。

发明内容

本发明要解决现有异形轮廓腹板大肋间距金属构件局部充不满、肋部产生折叠、生产成本较高、模具寿命较低的问题，而提供一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法。

一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法，所述的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件是由月牙形坯料制备而成，具体的制备方法按照以下步骤进行：

一、制备预制坯：

将等厚度的金属厚板机械加工成月牙形坯料，得到预制坯；

所述的月牙形坯料与金属锻件形状不同；所述的金属锻件为近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件；

所述的金属锻件的腹板为沿中轴线呈左右对称的近半椭圆形，且近半椭圆形左右两端为弧状，腹板的上下表面均设有肋，且肋位于腹板边缘并与腹板形状相同；所述的腹板长宽比为(1.5～4):1，所述的腹板最大宽度与肋宽之比为(15～50):1，所述的肋宽与腹板厚度之比为(0.5～2):1，所述的腹板单侧肋的高与肋宽之比为(1～7):1；

所述的月牙形坯料为沿中轴线左右对称结构，月牙形坯料左右两端为弧状，所述的月牙形坯料长度为金属锻件的腹板长度的0.85倍～1倍，所述的月牙形坯料最大宽度为金属锻件的腹板最大宽度的0.4倍～0.7倍，所述的月牙形坯料体积为金属锻件体积的1.15倍～1.5倍；

二、预成形：

将预制坯及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，再在预成形温度及压力机压下速度为2.5mm/s～12.8mm/s的条件下进行预成形，且预成形过程中腹板压下量占腹板总压下量的60％～90％，得到预成形件；

所述的定位具体为将预制坯左右两端的弧状处置于下模中肋部型腔的中心到肋部型腔的内侧边缘处；

三、起模修伤：

将预成形件起模并冷却至室温，然后进行酸洗，将折叠、预成形件两端弧状处的飞边去除，其余位置保留0.3倍～0.7倍模具飞边槽桥口宽度的飞边，最后表面抛光，得到修伤后的预成形件；

四、终成形：

将修伤后的预成形件及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，再在终成形温度及压力机压下速度为2.5mm/s～12.8mm/s的条件下进行终成形，得到终成形件；

五、锻后热处理：

将终成形件进行锻后热处理，即完成了一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法，包括将金属厚板机械加工为轮廓不与锻件随形的月牙形坯料，得到预制坯；预制坯在模具中经较大压下量预成形后，然后将折叠、预成形件两端弧状处的飞边去除，其余位置保留0.3倍～0.7倍模具飞边槽桥口宽度的飞边，再在同一模具中进行终成形，得到形状尺寸合格、无折叠或充不满等缺陷的终成形件。

本发明通过将预制坯加工为不与锻件随形的月牙形，使得锻件成形速度快的位置——如中间对称处，中间对称处的坯料边缘距离模具肋部型腔远，较晚开始填充；成形速度慢的位置——如两端弧状处，两端弧状处坯料边缘距离模具肋部型腔近，较早开始填充。此外，通过控制预成形时压下量的大小，确保预成形能够完成大部分型腔的充填，同时不至于产生难以除去的折叠(折叠深度过大)；控制预成形件飞边的存留，将预成形件左右两端难充填部位的飞边完全修除，而其他飞边部分修除部分保留，即其余位置保留0.5倍～1倍桥口宽度的飞边，终成形时飞边阻力大，而两端难填充部位去除了飞边其阻力小，进一步促进金属向两端流动。最终，锻件各个位置能够接近同时充填完毕，解决了传统随形坯料局部充填不满的缺陷，节省了材料；并且，一步成形工艺中，由于成形后期飞边处的阻力很大，会大大提高成形载荷，两步成形方法由于切除了部分飞边，终成形时载荷降低，提高了模具寿命。

本发明所述的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件，其腹板面积大，成形过程中腹板处金属大量向飞边处流动，带动肋部金属也向飞边处偏移，容易造成肋部产生折叠。因此，采用两部锻造成形的方法，第一步进行较大压下量的预成形，预成形后将折叠修除，而后进行较小压下量的终成形，终成形件无折叠产生。

针对2A97铝锂合金材质的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件，腹板横向抗拉强度可达533MPa以上，延伸率可达15.0％以上，腹板纵向抗拉强度可达540MPa以上，延伸率可达15.7％以上，肋部抗拉强度可达526MPa以上，延伸率可达12.0％以上。

本发明用于一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法。

附图说明

图1为传统随形坯料示意图；

图2为传统随形坯料一半模型有限元模拟成形结果示意图，A为充填不满的端部；

图3为实施例一步骤二中定位的示意图，1为预制坯，2为下模肋部型腔，3为中心对称处，4为预制坯左右两端的弧状处置于下模中肋部型腔的中心；

图4为实施例一步骤一制备的预制坯一半模型有限元模拟成形结果；

图5为实施例一步骤一制备的预制坯结构示意图；

图6为实施例一步骤一制备的预制坯的实物图；

图7为实施例一步骤一中制备的预制坯上下表面轮廓边缘倒圆角示意图；

图8为实施例一步骤二制备的预成形件折叠情况实物图，(a)为预成形件，(b)为肋顶端折叠，(c)为肋内侧壁折叠；

图9为实施例一步骤四制备的终成形件的实物图；

图10为实施例一步骤一所述的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件的结构示意图，H为腹板单侧肋的高，D是肋宽，S是腹板最大宽度；

图11为实施例一步骤三中制备的修伤后的预成形件实物图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式所述的一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法，所述的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件是由月牙形坯料制备而成，具体的制备方法按照以下步骤进行：

一、制备预制坯：

将等厚度的金属厚板机械加工成月牙形坯料，得到预制坯；

所述的月牙形坯料与金属锻件形状不同；所述的金属锻件为近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件；

所述的金属锻件的腹板为沿中轴线呈左右对称的近半椭圆形，且近半椭圆形左右两端为弧状，腹板的上下表面均设有肋，且肋位于腹板边缘并与腹板形状相同；所述的腹板长宽比为(1.5～4):1，所述的腹板最大宽度与肋宽之比为(15～50):1，所述的肋宽与腹板厚度之比为(0.5～2):1，所述的腹板单侧肋的高与肋宽之比为(1～7):1；

所述的月牙形坯料为沿中轴线左右对称结构，月牙形坯料左右两端为弧状，所述的月牙形坯料长度为金属锻件的腹板长度的0.85倍～1倍，所述的月牙形坯料最大宽度为金属锻件的腹板最大宽度的0.4倍～0.7倍，所述的月牙形坯料体积为金属锻件体积的1.15倍～1.5倍；

二、预成形：

将预制坯及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，再在预成形温度及压力机压下速度为2.5mm/s～12.8mm/s的条件下进行预成形，且预成形过程中腹板压下量占腹板总压下量的60％～90％，得到预成形件；

所述的定位具体为将预制坯左右两端的弧状处置于下模中肋部型腔的中心到肋部型腔的内侧边缘处；

三、起模修伤：

将预成形件起模并冷却至室温，然后进行酸洗，将折叠、预成形件两端弧状处的飞边去除，其余位置保留0.3倍～0.7倍模具飞边槽桥口宽度的飞边，最后表面抛光，得到修伤后的预成形件；

四、终成形：

将修伤后的预成形件及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，再在终成形温度及压力机压下速度为2.5mm/s～12.8mm/s的条件下进行终成形，得到终成形件；

五、锻后热处理：

将终成形件进行锻后热处理，即完成了一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法。

本实施方式预成形压下量应足够大，过小会在终成形时仍然产生折叠，且可能出现充不满的情况；但预成形变形量也不宜过大，过大则可能导致预成形产生的折叠过深，难以去除，或可能导致终成形变形量落在临界变形区，造成锻件性能下降。

本实施方式修伤后，须保证修伤后的预成形件表面光滑，防止后续终成形时产生折叠。

本实施方式的有益效果是：

本实施方式提供了一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法，包括将金属厚板机械加工为轮廓不与锻件随形的月牙形坯料，得到预制坯；预制坯在模具中经较大压下量预成形后，然后将折叠、预成形件两端弧状处的飞边去除，其余位置保留0.3倍～0.7倍模具飞边槽桥口宽度的飞边，再在同一模具中进行终成形，得到形状尺寸合格、无折叠或充不满等缺陷的终成形件。

本实施方式通过将预制坯加工为不与锻件随形的月牙形，使得锻件成形速度快的位置——如中间对称处，中间对称处的坯料边缘距离模具肋部型腔远，较晚开始填充；成形速度慢的位置——如两端弧状处，两端弧状处坯料边缘距离模具肋部型腔近，较早开始填充。此外，通过控制预成形时压下量的大小，确保预成形能够完成大部分型腔的充填，同时不至于产生难以除去的折叠(折叠深度过大)；控制预成形件飞边的存留，将预成形件左右两端难充填部位的飞边完全修除，而其他飞边部分修除部分保留，即其余位置保留0.5倍～1倍桥口宽度的飞边，终成形时飞边阻力大，而两端难填充部位去除了飞边其阻力小，进一步促进金属向两端流动。最终，锻件各个位置能够接近同时充填完毕，解决了传统随形坯料局部充填不满的缺陷，节省了材料；并且，一步成形工艺中，由于成形后期飞边处的阻力很大，会大大提高成形载荷，两步成形方法由于切除了部分飞边，终成形时载荷降低，提高了模具寿命。

本实施方式所述的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件，其腹板面积大，成形过程中腹板处金属大量向飞边处流动，带动肋部金属也向飞边处偏移，容易造成肋部产生折叠。因此，采用两部锻造成形的方法，第一步进行较大压下量的预成形，预成形后将折叠修除，而后进行较小压下量的终成形，终成形件无折叠产生。

针对2A97铝锂合金材质的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件，腹板横向抗拉强度可达533MPa以上，延伸率可达15.0％以上，腹板纵向抗拉强度可达540MPa以上，延伸率可达15.7％以上，肋部抗拉强度可达526MPa以上，延伸率可达12.0％以上。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的等厚度的金属厚板的材质为铝合金；步骤一中所述的月牙形坯料上下表面轮廓边缘进行倒圆角处理，倒圆角处理得到的圆角半径为预制坯厚度的1/6～1/3。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的铝合金为2XXX系铝锂合金。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中将预制坯及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，具体是按以下步骤进行：将预制坯加热至温度为100℃～120℃，出炉，表面喷涂润滑剂，将模具表面喷涂润滑剂，然后在温度为400℃～450℃的条件下，加热喷涂润滑剂的预制坯2h～3h，在温度为380℃～430℃的条件下，加热喷涂润滑剂的模具3h～5h，最后将加热后的预制坯定位于加热后的下模内，盖上加热后的上模。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中在温度为380℃～430℃及压力机压下速度为2.5mm/s～12.8mm/s的条件下进行预成形，且预成形过程中腹板压下量占腹板总压下量的60％～90％，得到预成形件。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中所述的酸洗具体如下：

首先将预成形件在温度为40℃～50℃的液碱中浸泡10min～20min，去除锻件表面石墨，然后置于室温清水中洗去碱液，得到碱洗后的锻件；将碱洗后的锻件置于室温酸液中浸泡10min～20min，最后在温度为70℃～80℃的清水中洗去酸液；所述的碱液为氢氧化钠溶液与硫酸钠溶液的混合溶液，所述的碱液中氢氧化钠的浓度为80g/L～120g/L，所述的碱液中硫酸钠的浓度为25g/L～30g/L；所述的酸液为浓度为200g/L～300g/L的硝酸。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二及步骤四中所述的喷涂润滑剂具体为利用石墨水剂为润滑剂进行喷涂处理。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中将修伤后的预成形件及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，具体是按以下步骤进行的：将修伤后的预成形件加热至温度为100℃～120℃，出炉，表面喷涂润滑剂，将模具表面喷涂润滑剂，然后在温度为400℃～450℃的条件下，加热喷涂润滑剂的预成形件2h～3h，在温度为380℃～430℃的条件下，加热喷涂润滑剂的模具3h～5h，最后将加热后的预成形件定位于加热后的下模内，盖上加热后的上模。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中在温度为380℃～430℃及压力机压下速度为2.5mm/s～12.8mm/s的条件下进行终成形，得到终成形件。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中将终成形件进行锻后热处理，具体是按以下步骤进行的：在温度为500℃～520℃的条件下，将终成形件固溶1h～2.5h，然后水冷淬火至室温，再在温度为165℃～185℃的条件下，人工时效10h～60h，最后在室温条件下，自然时效30天以上。其它与具体实施方式一至九相同。

本具体实施方式终成形件经固溶淬火后人工时效至峰值，再在室温下自然时效，获得优良的组织性能。

本具体实施方式所述的金属可以为铝锂合金，即可热处理强化铝合金，其室温力学性能对热处理工艺参数十分敏感。普通的T6单级峰时效制度对材料强度和塑性的提升有限，对于变形量较小的肋部，强度不足以保证需求。采用人工峰时效后自然时效的双级时效制度，强化室温下自然时效析出效果，对材料强度有了进一步的提高，同时不降低塑性。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法，所述的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件是由月牙形坯料制备而成，具体的制备方法按照以下步骤进行：

一、制备预制坯：

将等厚度的金属厚板机械加工成月牙形坯料，得到预制坯；

所述的月牙形坯料与金属锻件形状不同；所述的金属锻件为近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件；

所述的金属锻件的腹板为沿中轴线呈左右对称的近半椭圆形，且近半椭圆形左右两端为弧状，腹板的上下表面均设有肋，且肋位于腹板边缘并与腹板形状相同；所述的腹板长度710mm，腹板宽度为307mm，腹板最大宽度为271mm，腹板厚度为10mm，肋宽为18mm，腹板两侧肋高分别为26.5mm和18mm；

所述的月牙形坯料为沿中轴线左右对称结构，月牙形坯料左右两端为弧状，且月牙形坯料上下表面轮廓边缘进行倒圆角处理，倒圆角处理得到的圆角半径为15mm，所述的月牙形坯料长度为693mm，月牙形坯料最大宽度为168mm，月牙形坯料厚度为48mm；所述的月牙形坯料体积为金属锻件体积的1.4倍；

二、预成形：

将预制坯及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，再在温度为420℃及压力机压下速度为2.5mm/s的条件下进行预成形，直至上下模合模高度剩余4mm，得到预成形件；

所述的定位具体为将预制坯左右两端的弧状处置于下模中肋部型腔的中心；

三、起模修伤：

将预成形件起模并空冷至室温，然后进行酸洗，将折叠、预成形件两端弧状处的飞边去除，其余位置保留0.3倍～0.4倍模具飞边槽桥口宽度的飞边，最后表面抛光，得到修伤后的预成形件；

四、终成形：

将修伤后的预成形件及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，再在温度为420℃及压力机压下速度为2.5mm/s的条件下进行终成形，直至上下模合模，得到终成形件；

五、锻后热处理：

在温度为520℃的条件下，将终成形件固溶1.5h，然后水冷淬火至室温，再在温度为165℃的条件下，人工时效40h，最后在室温条件下，自然时效45天，即完成了一种近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件精密热成形方法。

步骤一中所述的等厚度的金属厚板的材质为2A97铝锂合金。

步骤二中将预制坯及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，具体是按以下步骤进行：将预制坯加热至温度为100℃，出炉，表面喷涂润滑剂，将模具表面喷涂润滑剂，然后在温度为430℃的条件下，加热喷涂润滑剂的预制坯2.5h，在温度为420℃的条件下，加热喷涂润滑剂的模具5h，最后将加热后的预制坯定位于加热后的下模内，盖上加热后的上模。

步骤三中所述的酸洗具体如下：

首先将预成形件在温度为45℃的液碱中浸泡15min，去除锻件表面石墨，然后置于室温清水中洗去碱液，得到碱洗后的锻件；将碱洗后的锻件置于室温酸液中浸泡15min，最后在温度为75℃的清水中洗去酸液；所述的碱液为氢氧化钠溶液与硫酸钠溶液的混合溶液，所述的碱液中氢氧化钠的浓度为100g/L，所述的碱液中硫酸钠的浓度为25g/L；所述的酸液为浓度为250g/L的硝酸。

步骤二及步骤四中所述的喷涂润滑剂具体为利用石墨水剂为润滑剂进行喷涂处理。

步骤四中将修伤后的预成形件及模具表面喷涂润滑剂，然后加热并定位，具体是按以下步骤进行的：将修伤后的预成形件加热至温度为100℃，出炉，表面喷涂润滑剂，将模具表面喷涂润滑剂，然后在温度为430℃的条件下，加热喷涂润滑剂的预成形件2.5h，在温度为420℃的条件下，加热喷涂润滑剂的模具5h，最后将加热后的预成形件定位于加热后的下模内，盖上加热后的上模。

步骤三中修除折叠的位置要进行光滑处理。

图1为传统随形坯料示意图；图2为传统随形坯料一半模型有限元模拟成形结果示意图，A为充填不满的端部。由图可知，采用通常的随形坯料进行锻造，锻件各个部位充填速度不均匀，端部充填不满。

图3为实施例一步骤二中定位的示意图，1为预制坯，2为下模肋部型腔，3为中心对称处，4为预制坯左右两端的弧状处置于下模中肋部型腔的中心；由图可知，预制坯中心对称处的预制坯边缘距离模具肋部型腔较远，由中心对称面向两端，预制坯边缘距离模具肋部型腔逐渐减小。

图4为实施例一步骤一制备的预制坯一半模型有限元模拟成形结果；通过控制预制坯形状尺寸实现对了对坯料体积的合理分配，使得端部金属首先填充肋部型腔，保证锻件各处良好成形，无充不满的缺陷。

图5为实施例一步骤一制备的预制坯结构示意图；图6为实施例一步骤一制备的预制坯的实物图；图7为实施例一步骤一中制备的预制坯上下表面轮廓边缘倒圆角示意图；由图可知，预制坯表面轮廓由8段半径不完全相同的圆弧组成，具体尺寸参数为r1＝445mm，r2＝250mm，r3＝42mm，r4＝150mm，r5＝650mm，上下表面轮廓边缘倒圆角半径R＝15mm。

图8为实施例一步骤二制备的预成形件折叠情况实物图，(a)为预成形件，(b)为肋顶端折叠，(c)为肋内侧壁折叠；由图可知，预成形后锻件肋部型腔大多已充填完毕，肋部存在较明显的折叠缺陷。

图9为实施例一步骤四制备的终成形件的实物图；由图可知，终成形件成形良好，无折叠、充不满等缺陷。

图10为实施例一步骤一所述的近半椭圆形薄腹板且肋间距大的金属锻件的结构示意图，H为腹板单侧肋的高，D是肋宽，S是腹板最大宽度。

图11为实施例一步骤三中制备的修伤后的预成形件实物图；由图可知，修伤后的预成形件两端弧状处飞边完全去除，其余位置保留了一定宽度，预成形件肋部修伤后轮廓光滑。

在实施例一步骤五中制备的人工时效后的金属锻件上切取拉伸试样，然后依据GB-T228.1-2010进行室温拉伸性能试验，在实施例一步骤五中制备的人工时效与自然时效后的金属锻件上切取拉伸试样，然后依据GB-T228.1-2010进行室温拉伸性能试验，室温拉伸性能如表1所示。

表1 2A97铝锂合金锻件不同时效处理后室温拉伸性能

由表可知，人工时效与自然时效后的金属锻件，其肋部强度有了明显提升，且塑性基本保持不变；腹板处强度略有提升，塑性显著提高。