一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法

《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》涉及一種大型整體鍛造金屬框架及其制備技術(shù)，特別涉及帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法，尤其適用于鈦合金大型構(gòu)件制備，也可應(yīng)用于鋁合金或其他對整體性能要求高的材料，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

鍛件是金屬被施加壓力，通過塑性變形來塑造得到要求的形狀或合適的壓縮力的物件。金屬經(jīng)過鍛造加工后能改善其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，鍛造加工能保證金屬纖維組織的連續(xù)性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，可保證鍛造零件具有良好的力學(xué)性能與長的使用壽命。鑄造組織經(jīng)過鍛造方法熱加工變形后由于金屬的變形和再結(jié)晶，使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細(xì)、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，使鑄錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等壓實(shí)和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。鍛件沒有任何多孔性、多余空間、內(nèi)含物或其他的瑕疵。這種方法生產(chǎn)的零件，強(qiáng)度與重量比有一個(gè)高的比率。所以，鍛件通常被用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中。

按重量計(jì)算，飛機(jī)上有85％左右的的構(gòu)件是鍛件。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、后軸頸（空心軸）、葉片、機(jī)翼的翼梁、機(jī)身的肋筋板、輪支架、起落架的內(nèi)外筒體等都是涉及飛機(jī)安全的重要鍛件。飛機(jī)鍛件多用高強(qiáng)度耐磨、耐蝕的鋁合金、鈦合金、鎳基合金等貴重材料制造。鍛件、尤其是大型框架鍛件在航空、航天等工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如大型框架鍛件多用于飛機(jī)的機(jī)身等處，其尺寸規(guī)格一般為大于1米。

傳統(tǒng)的大型框類零件制造方法是采用若干中小鍛件焊接而成，構(gòu)件制造過程中需要焊接、機(jī)加工、無損檢測、熱處理等多個(gè)工序及其反復(fù)才能完成，加工周期長、質(zhì)量穩(wěn)定性不高。同時(shí)，由于焊縫非均質(zhì)的特點(diǎn)，焊縫周邊耐腐蝕性差、結(jié)構(gòu)安全可靠性低，因此，大型化、整體化是鍛件發(fā)展趨勢之一。

但隨著鍛件增大，如何保持組織性能的均勻性又成為技術(shù)難點(diǎn)。要求鍛件組織性能的優(yōu)質(zhì)和均勻化必須首先要求鍛坯的晶粒細(xì)小及組織均勻，即要保證鍛件質(zhì)量，首先須確保鍛坯質(zhì)量，換言之，鍛件成形前就需將鍛坯組織性能達(dá)到成形后鍛件的水平。

在鍛件的大型化整體化過程中，對于對稱或近對稱的框架形狀，可以通過餅坯壓制或擴(kuò)孔方法制備而成。但對于帶耳塊或非對稱的大型整體框，典型的如航空構(gòu)件大型框，其外廓尺寸大于1米×1米，比如1528毫米×1352毫米。由于上端和右端有伸出的“耳塊”，心部有直徑約1米的孔，采用常規(guī)的餅坯壓制或擴(kuò)孔的鍛造方法，則耳塊等處出現(xiàn)“缺肉”，即充不滿現(xiàn)象。

2014年之前的技術(shù)一直無法解決帶耳塊的大型整體框構(gòu)件的鍛造，2014年之前的技術(shù)中曾出現(xiàn)非對稱零件的制造方法，但與該發(fā)明解決的技術(shù)問題和采用的手段完全不同。

曾有文獻(xiàn)公開整體擠壓成形的方式，但采用擠壓工藝，需要先將擠壓坯料切削成厚度不同的斜面，再調(diào)節(jié)間隙以獲得非對稱擠壓件。該領(lǐng)域公知，鍛壓工藝受力和變形方式與擠壓差別較大，對于大型部件、變形抗力大的金屬，擠壓方式根本不適用。

《稀有金屬》，2012年5月，第36卷第2期，文章“鈦合金復(fù)雜構(gòu)件等溫鍛造工藝研究”公開了一種等溫鍛造制備復(fù)雜構(gòu)件的方法，但與該發(fā)明解決的框類零件問題不同，首先坯料設(shè)計(jì)不同，其次文章中鍛件成形需要輔以機(jī)加工對鍛件進(jìn)行厚薄處理，《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》只采用鍛造方法?？傊鲜鰞蓚€(gè)對比文件與該發(fā)明解決的問題和采用的手段均不具有可比性。

圖1是帶耳塊的大型金屬整體鍛造框架的V形荒坯。

圖2是帶耳塊的大型金屬整體鍛造框架的預(yù)鍛坯形狀。

圖3是帶耳塊的大型金屬整體鍛造框架的精整后的預(yù)鍛件。

圖4是帶耳塊的大型金屬整體鍛造框架的終鍛件最終形狀。

2020年7月14日，《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》獲得第二十一屆中國專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。 2100433B

以下結(jié)合附圖說明《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》的一個(gè)實(shí)施例?？蚣芡饫叽?528毫米×1352毫米。上端和右端帶耳塊的TA15鈦合金大型框架模鍛構(gòu)件的制備方法如下：

（1）V形荒坯制坯：選用直徑Φ400毫米的棒材，鐓拔后下料得到厚度均勻的板坯，通過在板坯上施加壓力制備出V形荒坯，壓力作用在相應(yīng)于V形的底部，其中，V形荒坯的夾角及延伸長度與耳塊之間的夾角和尺寸相應(yīng)。鐓拔坯料采用自由鍛，在5噸自由鍛錘上進(jìn)行?；蜱叞闻髁喜捎?0MN油壓機(jī)進(jìn)行。鐓拔坯料的制坯溫度控制在960℃，相變點(diǎn)為990℃。首先制備出V形荒坯。

（2）V形荒坯預(yù)鍛：對制得的V形荒坯放入模具進(jìn)行鍛造，V形荒坯的延伸邊對應(yīng)于框架的耳塊；鍛造后，V形荒坯的延伸邊形成耳塊部分，其余部分形成框架主體。V形荒坯再通過在965℃預(yù)鍛，實(shí)現(xiàn)金屬的合理分配，形成帶耳塊的大型框架外形，無需擴(kuò)孔及分段制作。

（3）預(yù)鍛坯精整：去掉預(yù)鍛坯中部的孔部材料。

（4）終鍛件模鍛成形：放入最終成形的框架模具進(jìn)行鍛造，得到帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架。等溫鍛造模具用K3高溫合金鑄造加工而成，等溫溫度仍在965℃，模鍛獲得精密終鍛件，隨后進(jìn)行熱處理。

一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法專利目的

《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》的目的是解決帶耳塊整體框的坯料設(shè)計(jì)、鍛坯制備、鍛件成形問題。采用與耳塊角度相應(yīng)的大角度V形荒坯進(jìn)行鍛造，解決了上述大型整體鍛件的鍛造成形問題；進(jìn)一步地，通過對V形荒坯進(jìn)行等溫制坯、等溫鍛造，更好地解決了上述大型整體鍛件的精確成形和組織性能均勻性問題。采用該發(fā)明方法僅通過2～3火可以完成整個(gè)鍛件成形過程，大大縮短了工序、提高了材料利用率。

《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》提供了一種帶耳塊大型整體鍛造金屬框架及其制備方法，其中，框架一體鍛造成形，無需分段制作；進(jìn)一步地，該框架整體組織性能的均勻性良好。通過V形坯料設(shè)計(jì)的方法，可很好地解決上述問題。更進(jìn)一步地，對于V形坯料采用全等溫成形（等溫預(yù)鍛坯 等溫終鍛件），使得大型整體鍛造框架能夠精確成形，具有良好的組織性能均勻性。

一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法技術(shù)方案

《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》提供了如下的技術(shù)方案：

一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架，其中，框架外廓尺寸大于1米×1米，整個(gè)框架一體鍛造成形，無需擴(kuò)孔及分段制作。

此外，《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》還提供了一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，包括以下步驟：

（1）V形荒坯制坯：下料，得到厚度均勻的板坯，通過在板坯上施加壓力制備出V形荒坯，壓力作用在相應(yīng)于V形的底部，其中，V形荒坯的夾角及延伸長度由耳塊之間的夾角和尺寸決定。

（2）V形荒坯預(yù)鍛：對制得的V形荒坯放入模具進(jìn)行鍛造，V形荒坯的延伸邊對應(yīng)于框架的耳塊；鍛造后，V形荒坯的延伸邊形成耳塊部分，其余部分形成框架主體。

（3）預(yù)鍛坯精整：去掉預(yù)鍛坯中部的孔部材料。

（4）終鍛件模鍛成形：放入最終成形的框架模具進(jìn)行鍛造，得到帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架。由上述方法制得的帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架，框架一體鍛造成形，無需擴(kuò)孔及分段制作。

為了得到更好的組織性能，優(yōu)選地，可將所述的V形荒坯通過在相變點(diǎn)Tβ以下20～40℃等溫預(yù)鍛實(shí)現(xiàn)金屬的合理分配，形成組織性能均勻的帶耳塊的大型框架外形。

更優(yōu)選地，精整后的預(yù)鍛坯通過壓力機(jī)在相變點(diǎn)Tβ以下20～40℃等溫模鍛獲得精密終鍛件；進(jìn)一步優(yōu)選地，等溫鍛造模具用K3高溫合金鑄造加工而成。

優(yōu)選地，原始材料為棒材，將棒材鐓拔后下料得到厚度均勻的板坯，通過在板坯上施加壓力制備出V形荒坯，油壓機(jī)鐓拔坯料時(shí)每火變形量為30～50％，或在自由鍛鐓拔坯料時(shí)每火變形量控制在15～40％。優(yōu)選地，鐓拔坯料時(shí)制坯溫度控制在相變點(diǎn)Tβ以下25～40℃。

更優(yōu)選地，所述終鍛件成形后風(fēng)冷，然后，終鍛件熱處理工藝為普通退火，空冷。

優(yōu)選地，金屬可為鋁合金、鈦合金或鎳基合金等。

一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法有益效果

2014年之前的技術(shù)對這類大型框架零件的制造方法多采用若干中小鍛件焊接而成，構(gòu)件制造過程中需要焊接、機(jī)加工、無損檢測、熱處理等多個(gè)工序并重復(fù)以上工序才能完成，加工周期長、質(zhì)量穩(wěn)定性不高。擴(kuò)孔只能解決不帶耳塊的對稱性框架的制造。《一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架及其制備方法》突破了帶耳塊大型復(fù)雜整框成形鍛造的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到精鍛件的技術(shù)條件，解決了上述大型整體鍛件的精確成形和組織性能均勻性問題，僅通過2～3火可以完成整個(gè)鍛件成形過程，大大縮短了工序、提高了材料利用率。

1.一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架，其特征在于：該框架帶有一體成形的耳塊，而且整個(gè)框架一體鍛造成形，無需擴(kuò)孔及分段制作。

2.一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，其特征在于，該框架帶有一體成形的耳塊，包括以下步驟：

（1）制坯：下料，得到厚度均勻的板坯；

（2）預(yù)鍛：對制得的荒坯放入模具進(jìn)行鍛造得到預(yù)鍛坯；

（3）預(yù)鍛坯精整：去掉預(yù)鍛坯中部的孔部材料；

（4）終鍛件模鍛成形：放入框架模具進(jìn)行鍛造成形，得到帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架，整個(gè)框架一體鍛造成形。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，其特征在于，制坯為制得V形荒坯；則步驟（1）、（2）具體為：

（1）V形荒坯制坯：下料，得到厚度均勻的板坯，通過在板坯上施加壓力制備出V形荒坯，壓力作用在相應(yīng)于V形的底部，其中，V形荒坯的夾角及延伸長度由耳塊之間的夾角和尺寸決定；

（2）V形荒坯預(yù)鍛：對制得的V形荒坯放入模具進(jìn)行鍛造，V形荒坯的延伸邊對應(yīng)于大型整體鍛造金屬框架的耳塊；鍛造后，V形荒坯的延伸邊形成耳塊部分，其余部分形成大型整體鍛造金屬框架主體。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，其特征在于，將V形荒坯進(jìn)行等溫預(yù)鍛；優(yōu)選地，通過在相變點(diǎn)Tβ以下20～40℃等溫預(yù)鍛實(shí)現(xiàn)金屬的合理分配，形成組織性能均勻的帶耳塊的大型框架外形。

5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一所述的一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，其特征在于，精整后的預(yù)鍛坯通過等溫模鍛獲得精密終鍛件；優(yōu)選地，精整后的預(yù)鍛坯通過在相變點(diǎn)Tβ以下20～40℃等溫模鍛獲得精密終鍛件；進(jìn)一步優(yōu)選地，等溫鍛造所用模具用K3高溫合金鑄造加工而成。

6.根據(jù)權(quán)利要求2-5任一所述的一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，其特征在于，原始材料為棒材，將棒材鐓拔后下料得到厚度均勻的板坯，通過在板坯上施加壓力制備出V形荒坯；優(yōu)選地，鐓拔坯料在油壓機(jī)或自由鍛錘上進(jìn)行；更優(yōu)選地，油壓機(jī)鐓拔坯料時(shí)每火變形量為30～50％，或在自由鍛鐓拔坯料時(shí)每火變形量控制在15～40％。

7.根據(jù)權(quán)利要求2-6任一所述的一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，其特征在于，鐓拔坯料時(shí)制坯溫度控制在相變點(diǎn)Tβ以下25～40℃。

8.根據(jù)權(quán)利要求2-7任一所述的一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，其特征在于，所述終鍛件成形后風(fēng)冷，然后，終鍛件熱處理工藝為普通退火，空冷。

9.根據(jù)權(quán)利要求2-8任一所述的一種帶耳塊的大型整體鍛造金屬框架的制備方法，其特征在于，金屬可為鋁合金、鈦合金或鎳基合金等。

帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝專利目的

《帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝》所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)封頭、支承、管嘴一次性整體鍛造成形的帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝。

帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝技術(shù)方案

《帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝》包括以下步驟：

1）根據(jù)封頭的設(shè)計(jì)尺寸，制造對應(yīng)的仿形下模以及鍛造上凸模；根據(jù)封頭的設(shè)計(jì)尺寸通過計(jì)算機(jī)模擬確定充填模具所需方坯的尺寸；

2）將坯料進(jìn)行加熱，加熱到鍛造溫度，加熱后通過自由鍛造進(jìn)行壓實(shí)；

3）將壓實(shí)的坯料鍛制成正四邊形截面的方坯，且所述方坯滿足步驟1）中確定的充填模具所需方坯的尺寸要求；

4）將方坯加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上，將方坯裝入下模內(nèi)，且使得方坯的軸線O₃O₄與下模的型腔的中心線O₁O₂重合；然后對方坯進(jìn)行鐓粗，直到方坯的坯料填充下模的型腔形成支撐凸臺(tái)和管嘴；

5）將方坯半成品從模具中取出，再次放入在加熱爐中加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上，采用上凸模多道次熱旋壓成形使得方坯成形為帶支承與管嘴的大型厚壁封頭。

進(jìn)一步的，所述上凸模為條形，所述上凸模具有上表面、下表面以及四個(gè)側(cè)面；其中兩個(gè)相對的側(cè)面為平面，剩下兩個(gè)相對的側(cè)面為一定角度的錐面且與下表面交接處通過曲面平滑過渡；所述上凸模上垂直于曲面和上表面的截面為碗形；

所述下模設(shè)置有與帶支承與長管嘴的大型厚壁封頭匹配的型腔，所述型腔下部設(shè)置有通孔。

進(jìn)一步的，在步驟2）中對方坯進(jìn)行倒角為45°的鍛壓倒角。

進(jìn)一步的，在步驟5）完成之后還包括以下步驟：對帶支承與管嘴的大型厚壁封頭進(jìn)行鍛后正回火熱處理。

進(jìn)一步的，所述正回火熱處理的正火溫度為：900～980℃，回火溫度為：600～700℃。

帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝有益效果

《帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝》的有益效果是：該發(fā)明提供的帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝，該成形工藝首先根據(jù)需要生產(chǎn)的帶支承與管嘴的大型厚壁封頭的外形尺寸制造仿形下模以及鍛造上凸模；然后將坯料鍛透壓實(shí)，鍛成倒角的方坯，將方坯置入仿形下模中，通過胎模鍛使金屬填充型腔，形成十字支撐凸臺(tái)和長管嘴；然后通過上凸模熱旋壓成形封頭；實(shí)現(xiàn)了帶支承與管嘴的大型厚壁封頭一次性成形。從而提高了生產(chǎn)效率，并降低了生產(chǎn)周期及制造成本。同時(shí)由于通過鍛造一次性成形，因此成形獲得的帶支承與管嘴的大型厚壁封頭金屬纖維連續(xù)；封頭內(nèi)部應(yīng)力集中處較少，應(yīng)力?。粡亩岣吡藥еС信c管嘴的大型厚壁封頭支承處、管嘴、封頭的綜合力學(xué)性能性能。

《帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝》涉及大型厚壁封頭鍛件的整體制造方法；尤其是一種帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝。

2017年12月11日，《帶支承與管嘴的大型厚壁封頭鍛造成形工藝》獲得第十九屆中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。