一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法

《一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法》屬于金屬材料熱加工成型領(lǐng)域。

所謂大型鈦合金深筒件是指內(nèi)徑（d）大于160毫米、外徑（D）大于200毫米、高度（H）大于200毫米、且H/D≥1、h（h1 h2）/d≥1的筒型回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，主要產(chǎn)品形狀見(jiàn)圖1-1至圖1-4。

大型鈦合金深筒件在航空、航天、航海、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是由于鈦合金屬于稀有難加工金屬材料，所以大型鈦合金深筒件的成型問(wèn)題是很多生產(chǎn)廠家所面臨的一大技術(shù)難題。主要有三種方法生產(chǎn)此類產(chǎn)品：

第一種方法是采用大規(guī)格棒料直接機(jī)械加工而成，這種方法生產(chǎn)大型鈦合金深筒件存在材料利用率低、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，且由于產(chǎn)品流線在機(jī)械加工過(guò)程中被切斷導(dǎo)致產(chǎn)品性能低。

第二種方法是采用鑄造技術(shù)生產(chǎn)，這種方法生產(chǎn)的大型鈦合金深筒件由于自身鑄造缺陷多及力學(xué)性能過(guò)低等原因，只能用于一些使用要求相對(duì)較低的場(chǎng)合，無(wú)法滿足航空、航天等高端工業(yè)部門的需求。

第三種方法就是擠壓機(jī)反擠壓成型技術(shù)生產(chǎn)，這種方法生產(chǎn)的大型鈦合金深筒件具有力學(xué)性能優(yōu)異、流線分布較合理等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足航空、航天等高端需求。中國(guó)航空部門使用的大量性能要求相對(duì)較高的鈦合金深筒件主要采用該方法進(jìn)行成型。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然該成型工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠滿足中國(guó)航空產(chǎn)品使用要求，但擠壓機(jī)反擠壓成型工藝方法生產(chǎn)大型鈦合金深筒件，也存在一些無(wú)法解決的技術(shù)難點(diǎn)：

①、擠壓機(jī)反擠壓成型技術(shù)屬于一火次、一次性成型方式，擠壓變形完成后，經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)格尺寸不合格，無(wú)法翻修等原因，直接導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，產(chǎn)品合格率低。

②、擠壓機(jī)反擠壓成型技術(shù)由于是靜壓成型，下模腔與上沖頭在整個(gè)成型過(guò)程中一直與熱坯料接觸，導(dǎo)致坯料表面溫度急劇降低加上鈦合金黏模等特性，從而在變形過(guò)程中殼體內(nèi)外表面形成裂紋，如果潤(rùn)滑條件不好，裂紋過(guò)深超過(guò)該處機(jī)加余量將導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

③、擠壓機(jī)反擠壓成型技術(shù)在擠壓過(guò)程中由于坯料與模具一直接觸，所以坯料容易抱死上沖頭，脫模困難，生產(chǎn)效率低，甚至因此造成坯料報(bào)廢或沖頭報(bào)廢。

④、大部分大型鈦合金深筒件并非簡(jiǎn)單的桶體狀，而是上邊帶有翻沿或下部呈凹狀，見(jiàn)圖1-2、1-3、1-4所示。對(duì)于這些形狀的產(chǎn)品，擠壓機(jī)反擠壓法無(wú)法直接擠壓完成，在熱擠壓過(guò)程中只能依靠增加余塊先擠壓成簡(jiǎn)單的直桶狀（見(jiàn)圖2-1至圖2-4所示），最后再將余塊部分機(jī)械加工除去。這樣做就造成：機(jī)械加工后產(chǎn)品流線不能完全按外形分布、部分被機(jī)加切斷，致使最終零件使用性能、壽命降低；另外就造成材料利用率低、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。

⑤、擠壓機(jī)反擠壓成型技術(shù)對(duì)坯料及模具潤(rùn)滑要求很高，工藝過(guò)程穩(wěn)定性差，過(guò)程操作復(fù)雜，不適合大批量、工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1為《一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法》的大型鈦合金深筒件結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：圖1-1為直筒型深筒件；圖1-2為帶翻沿直筒型深筒件；圖1-3為帶底槽直筒型深筒件；圖1-4為帶底槽和翻沿的直筒型深筒件；

圖2為2009年10月前的技術(shù)擠壓機(jī)反擠壓工藝生產(chǎn)特殊形狀鈦合金深筒件毛坯結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：圖2-1為直筒型深筒件；圖2-2為帶翻沿直筒型深筒件；圖2-3為帶底槽直筒型深筒件；圖2-4為帶底槽和翻沿的直筒型深筒件。

2017年12月11日，《一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法》獲得第十九屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。

• 實(shí)施例1

1）模具設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)為筒體，出模斜度為1°；

2）坯料尺寸的選擇：坯料尺寸為φ230×320，坯料外徑為筒體外徑的80％，坯料高度外筒體高度的120％；

3）在坯料上噴涂厚度為3毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；防護(hù)潤(rùn)滑層由質(zhì)量百分比為15％的玻璃粉，40％的M60樹脂和45％的水混合成的混合物噴涂而成。

4）坯料在電爐中加熱，溫度液相點(diǎn)（相變點(diǎn)α β/β）下50℃，加熱系數(shù)為1.0分鐘/毫米；同時(shí)預(yù)熱模具，預(yù)熱溫度為200℃，預(yù)熱時(shí)間24小時(shí)；

5）將模具安裝在400千焦對(duì)擊錘上，把熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造1火；

6）打磨坯料裂紋、折疊缺陷，直至表面無(wú)裂紋或折疊為止；

7）重復(fù)3）～5）步驟一次，鍛件成型，得到成型的大型鈦合金深筒件；

8）熱處理；

9）性能測(cè)試。

該實(shí)施例中的每批鍛件解剖一件，取樣加工后測(cè)試性能，結(jié)果如下表：

• 實(shí)施例2

1）模具設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)為筒體，出模斜度2°；

2）坯料尺寸的選擇：坯料尺寸為φ280×260，坯料外徑為筒體外徑的98％，坯料高度為外筒體高度的120％；

3）在坯料上噴涂厚度為0.2毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；防護(hù)潤(rùn)滑層由質(zhì)量百分比為25％的玻璃粉，40％的M60樹脂和35％的水混合成的混合物噴涂而成。

4）坯料在電爐中加熱，溫度液相點(diǎn)（相變點(diǎn)α β/β）下40℃，加熱系數(shù)為0.8分鐘/毫米；同時(shí)預(yù)熱模具，預(yù)熱溫度300℃，預(yù)熱時(shí)間12小時(shí)；

5）將模具安裝在25噸模錘上，把熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造1火；

6）打磨坯料裂紋、折疊缺陷，直至表面無(wú)裂紋或折疊為止；

7）重復(fù)步驟3）～5）兩次，鍛件完全成型，得到成型的大型鈦合金深筒件；

8）熱處理；

9）性能測(cè)試。

該實(shí)施例中的每批鍛件解剖一件，取樣加工后測(cè)試性能，結(jié)果如下表：

• 實(shí)施例3

1）模具設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)為筒體，出模斜度為1°；

2）坯料尺寸的選擇：坯料尺寸為φ230×320，坯料外徑為筒體外徑的80％，坯料高度外筒體高度的120％；

3）坯料上噴涂厚度為1.5毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；防護(hù)潤(rùn)滑層由質(zhì)量百分比為35％的玻璃粉，40％的M60樹脂和25％的水混合成的混合物噴涂而成。

4）坯料在電爐中加熱，溫度液相點(diǎn)（相變點(diǎn)α β/β）下30℃，加熱系數(shù)為0.9分鐘/毫米；同時(shí)預(yù)熱模具，預(yù)熱溫度400℃，預(yù)熱時(shí)間6小時(shí)；

5）將模具安裝在400千焦對(duì)擊錘上，把熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造1火；

6）打磨坯料裂紋、折疊缺陷，直至表面無(wú)裂紋或折疊為止；

7）重復(fù)步驟3）～5）兩次，鍛件完全成型，得到成型的大型鈦合金深筒件；

8）熱處理；

9）性能測(cè)試。

該實(shí)施例中的每批鍛件解剖一件，取樣加工后測(cè)試性能，結(jié)果如下表：

• 實(shí)施例4

1）模具設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)為筒體，出模斜度2°；

2）坯料尺寸的選擇，坯料尺寸為φ280×260，坯料外徑為筒體外徑的98％，坯料高度為外筒體高度的120％；

3）在坯料上噴涂厚度為0.5毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；防護(hù)潤(rùn)滑層由質(zhì)量百分比為40％的玻璃粉，40％的M60樹脂和20％的水混合成的混合物噴涂而成。

4）坯料在電爐中加熱，溫度液相點(diǎn)（相變點(diǎn)α β/β）下20℃，加熱系數(shù)為0.65分鐘/毫米；同時(shí)預(yù)熱模具，模具預(yù)熱溫度250℃，預(yù)熱時(shí)間15小時(shí)；

5）將模具安裝在25噸模錘上，把熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造1火；

6）打磨坯料裂紋、折疊缺陷，直至表面無(wú)裂紋或折疊為止；

7）重復(fù)步驟3）～5）兩次，鍛件完全成型，得到成型的大型鈦合金深筒件；

8）熱處理；

9）性能測(cè)試。

該實(shí)施例中的每批鍛件解剖一件，取樣加工后測(cè)試性能，結(jié)果如下表：

• 實(shí)施例5

1）模具設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)為筒體，出模斜度1.5°；

2）坯料尺寸的選擇：坯料尺寸為φ250×400，坯料外徑為筒體外徑的60％，坯料高度為外筒體高度的150％；

3）在坯料上噴涂厚度為0.5毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；防護(hù)潤(rùn)滑層由質(zhì)量百分比為15％的玻璃粉，40％的M60樹脂和45％的水混合成的混合物噴涂而成。

4）坯料在電爐中加熱，溫度液相點(diǎn)（相變點(diǎn)α β/β）下5℃，加熱系數(shù)為0.6分鐘/毫米；同時(shí)預(yù)熱模具，預(yù)熱溫度250℃，預(yù)熱時(shí)間15小時(shí)；

5）將模具安裝在10噸模錘上，把熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造1火；

6）打磨坯料裂紋、折疊缺陷，直至表面無(wú)裂紋或折疊為止；

7）重復(fù)步驟3）～5）兩次，鍛件完全成型，得到成型的大型鈦合金深筒件；

8）熱處理；

9）性能測(cè)試。

該實(shí)施例中的每批鍛件解剖一件，取樣加工后測(cè)試性能，結(jié)果如下表：

• 實(shí)施例6

1）模具設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)為筒體，出模斜度3°；

2）坯料尺寸的選擇：坯料尺寸為φ290×280，坯料外徑為筒體外徑的70％，坯料高度為外筒體高度的110％；

3）在坯料上噴涂厚度為0.5毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；防護(hù)潤(rùn)滑層由質(zhì)量百分比為15％的玻璃粉，40％的M60樹脂和45％的水混合成的混合物噴涂而成。

4）坯料在電爐中加熱，溫度液相點(diǎn)（相變點(diǎn)α β/β）下15℃，加熱系數(shù)為0.6分鐘/毫米；同時(shí)預(yù)熱模具，預(yù)熱溫度450℃，預(yù)熱時(shí)間6小時(shí)；

5）將模具安裝在10000噸壓力機(jī)上，把熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造1火；

6）打磨坯料裂紋、折疊缺陷，直至表面無(wú)裂紋或折疊為止；

7）重復(fù)步驟3）～5）兩次，鍛件完全成型，得到成型的大型鈦合金深筒件；

8）熱處理；

9）性能測(cè)試。

該實(shí)施例中的每批鍛件解剖一件，取樣加工后測(cè)試性能，結(jié)果如下表：

• 實(shí)施例7

1）模具設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)為筒體，出模斜度3°；

2）坯料尺寸的選擇：坯料尺寸為φ290×280，坯料外徑為筒體外徑的70％，坯料高度為外筒體高度的110％；

3）在坯料上噴涂厚度為0.5毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；

4）坯料在電爐中加熱，溫度液相點(diǎn)（相變點(diǎn)α β/β）下15℃，加熱系數(shù)為0.6分鐘/毫米；同時(shí)預(yù)熱模具，預(yù)熱溫度450℃，預(yù)熱時(shí)間6小時(shí)；

5）將模具安裝在10000噸壓力機(jī)上，把熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造1火；

6）打磨坯料裂紋、折疊缺陷，直至表面無(wú)裂紋或折疊為止；

7）重復(fù)步驟3）～5）兩次，鍛件完全成型，得到成型的大型鈦合金深筒件；

8）熱處理；

9）性能測(cè)試。

該實(shí)施例中的每批鍛件解剖一件，取樣加工后測(cè)試性能，結(jié)果如下表：

該發(fā)明的鐓擠精密模鍛成型方法生產(chǎn)大型鈦合金深筒件，成功解決了擠壓機(jī)反擠壓成型工藝方法的一系列技術(shù)難題：

（1）采用該發(fā)明的鐓擠精密模鍛成型技術(shù)生產(chǎn)的大型鈦合金深筒件，表面質(zhì)量良好、規(guī)格尺寸精確、流線分布合理、組織性能優(yōu)異、機(jī)械加工余量小、材料利用率高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）采用該發(fā)明的鐓擠精密模鍛成型技術(shù)生產(chǎn)大型鈦合金深筒件，產(chǎn)品合格率達(dá)100％，克服了油壓機(jī)反擠壓工藝成型過(guò)程中由于一火次成型造成產(chǎn)品規(guī)格尺寸不合格、且無(wú)法返修，而導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低的缺點(diǎn)。

（3）該發(fā)明鐓擠精密模鍛成型技術(shù)生產(chǎn)大型鈦合金深筒件體過(guò)程中，通過(guò)對(duì)成型原理、工藝流程等分析、改進(jìn)、優(yōu)化，解決了油壓機(jī)反擠壓過(guò)程中筒體表面經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、抱死沖頭等技術(shù)難題，不但提高了產(chǎn)品合格率，而且還大大提高了生產(chǎn)效率、同時(shí)降低了工模具的消耗。

（4）該鐓擠精密模鍛成型方法生產(chǎn)大型鈦合金深筒件，過(guò)程操作簡(jiǎn)單、質(zhì)量控制容易、性能穩(wěn)定可靠，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大批量、工業(yè)化生產(chǎn)。

（5）對(duì)于大部分上邊帶有翻沿或下部呈凹狀的形狀復(fù)雜的大型鈦合金深筒件，擠壓機(jī)反擠壓法無(wú)法直接擠壓生產(chǎn)，只能依靠增加余塊先擠壓成簡(jiǎn)單的直桶狀，最后再將余塊部分機(jī)械加工除去，機(jī)械加工后產(chǎn)品流線不能完全按零件外形分布、部分被機(jī)加切斷，致使最終零件使用性能、壽命降低，另外材料利用率低、生產(chǎn)成本高。而該發(fā)明的鐓擠精密模鍛成型方法則可以完全按零件外形鍛造生產(chǎn)出此類產(chǎn)品，產(chǎn)品流線完全按照零件外形分布，組織性能優(yōu)異、材料消耗少。

（6）該發(fā)明的鐓擠精密模鍛成型方法研制、生產(chǎn)大型鈦合金深筒件的成功，為中國(guó)研制、生產(chǎn)此類產(chǎn)品打下了基礎(chǔ)，為難變形鈦合金深筒件的熱成型工藝等各方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到了技術(shù)儲(chǔ)備的目的。

截止2009年10月，采用該鐓擠精密模鍛成型方法試驗(yàn)生產(chǎn)了多種型號(hào)飛機(jī)用多種規(guī)格的大型鈦合金深筒件共幾百件，產(chǎn)品合格率達(dá)100％，并順利通過(guò)了地面試車考核，可以批量裝機(jī)使用。

一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法專利目的

《一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法》的目的是提供一種鐓擠精密模鍛成型方法，生產(chǎn)此類大型鈦合金深筒件。

一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法技術(shù)方案

《一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法》的技術(shù)方案包括以下步驟：

1）設(shè)計(jì)鐓擠模鍛成型的模具：模具設(shè)計(jì)成筒體，模具的出模斜度為1～3°；

2）坯料尺寸的選擇：坯料外徑為所述筒體外徑的50％～98％、坯料高度為所述筒體高度的60％～150％；

3）在坯料上噴涂厚度為0.2～3毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；

4）坯料在電爐中按溫度液相點(diǎn)下5～50℃加熱，加熱系數(shù)≥0.6分鐘/毫米，同時(shí)將模具在200～450℃溫度下預(yù)熱6～24小時(shí)；

5）將模具安裝在壓力機(jī)、模鍛錘或?qū)翦N上，并將熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造；

6）將坯料打磨至表面無(wú)裂紋或折疊；

7）若鍛造后的鍛件未充滿，重復(fù)步驟3）～5），直至鍛件完全成型；得到成型的大型鈦合金深筒件。

以上步驟3）中所述防護(hù)潤(rùn)滑層為玻璃粉、M60樹脂和水的混合物。其中以質(zhì)量百分比計(jì)，所述混合物含有15～40％的玻璃粉，40％的M60樹脂，其余為水；所述玻璃粉是FRG5玻璃粉、FRG15玻璃粉、FRG25玻璃粉或FRG35玻璃粉。

一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法改善效果

《一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法》具有以下有益效果：

該發(fā)明在模鍛件設(shè)計(jì)中將拔模斜度選為1～3°之間。這種小的拔模斜度可使工裝與鍛件之間的摩擦力增加，降低了出模難度。另外該成型方法的關(guān)鍵是坯料尺寸的選擇，即坯料外徑為筒體外徑的50％-98％、坯料高度外筒體高度的60％-150％。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要有：一是避免或減少坯料與下模內(nèi)腔的接觸時(shí)間，減少坯料溫度損失；二是減少了剛開始變形時(shí)坯料與下模腔的接觸面積，降低了摩擦阻力，利于金屬流動(dòng)；三是在每次錘擊過(guò)程中將一定的空氣密閉于下腔內(nèi)，避免了鍛件黏模；這樣，就解決了筒體件在成型過(guò)程中內(nèi)外表面出現(xiàn)大量裂紋的問(wèn)題。另外，這種方法增大了成型過(guò)程中的變形量，有利于改善坯料中的不理想組織，從另外一方面理解，可以進(jìn)一步降低坯料的供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、即降低原材料采購(gòu)價(jià)格，大幅度降低了生產(chǎn)成本。

1.《一種大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法》特征在于，包括以下步驟：

1）設(shè)計(jì)鐓擠模鍛成型的模具：模具設(shè)計(jì)成筒體，模具的出模斜度為1～3°；

2）坯料尺寸的選擇：坯料外徑為所述筒體外徑的50％～98％、坯料高度為所述筒體高度的60％～150％；

3）在坯料上噴涂厚度為0.2～3毫米的防護(hù)潤(rùn)滑層；

4）坯料在電爐中按溫度液相點(diǎn)下5～50℃加熱，加熱系數(shù)≥0.6分鐘/毫米，同時(shí)將模具在200～450℃溫度下預(yù)熱6～24小時(shí)；

5）將模具安裝在壓力機(jī)、模鍛錘或?qū)翦N上，并將熱透的坯料放入模具型腔內(nèi)鍛造；

6）將坯料打磨至表面無(wú)裂紋或折疊；

7）若鍛造后的鍛件未充滿，重復(fù)步驟3）～5），直至鍛件完全成型；得到成型的大型鈦合金深筒件。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型鈦合金深筒件鐓擠精密模鍛成型方法，其特征在于，步驟3）中所述防護(hù)潤(rùn)滑層為玻璃粉、M60樹脂和水的混合物。

吹塑薄膜擠塑法注射吹塑成型

用注射成型法先將塑料制成有底型坯，接著再將型坯移到吹塑模中吹制成中空制品（如圖1）。

吹塑薄膜擠塑法拉伸吹塑成型

拉伸吹塑成型是雙軸定向拉伸的一種吹塑成型，其方法是先將型坯進(jìn)行縱向拉伸，然后用壓縮空氣進(jìn)行吹脹達(dá)到橫向拉伸。拉伸吹塑成型可使制品的透明性、沖擊強(qiáng)度、表面硬度和剛性有很大的提高，適用于聚丙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PETP）的吹塑成型。拉伸吹塑成型包括注射型坯定向拉伸吹塑、擠出型坯定向拉伸吹塑、多層定向拉伸吹塑、壓縮成型定向拉伸吹塑等。

吹塑薄膜擠塑法擠出吹塑成型

用擠出法先將塑料制成有底型坯，接著再將型坯移到吹塑模中吹制成中空制品（如圖2）。注射吹塑成型和擠出吹塑成型的不同之處是制造型坯的方法不同，吹塑過(guò)程基本上是相同的。吹塑設(shè)備除注射機(jī)和擠出機(jī)外，主要是吹塑用的模具。吹塑模具通常由兩瓣合成，其中設(shè)有冷卻劑通道，分型面上小孔可插入充壓氣吹管。