基于多曲面分模设计的钛合金模锻件

林 剑，王 哲，冯晓艳，郭明辉，张延珍，蔡 松

(陕西宏远航空锻造有限责任公司，陕西 咸阳 713801)

钛合金因其具有比强度高、耐蚀性好、良好的生物兼容性等优点，被广泛应用于航空、航天、船舶、医疗等领域[1-3]。采用模锻成型的钛合金锻件，具有低倍组织均匀、流线沿外形分布以及减少材料消耗提高材料利用率等优点，而被广泛应用于材料成型领域[4,5]。随着20世纪末期计算机科学技术的发展，计算机辅助设计(CAD)、Pro/ENGINEER等绘图工具广泛应用于各个领域，尤其是模具设计领域，采用CAD、Pro/ENGINEER等软件进行绘图以及Deform、Simufact等模拟软件进行锻件成型模拟，可有效降低锻件生产成本及周期，提高锻件质量[7-9]。随着锻件设计思想向近净成型以及闭式模锻模具思想的发展，对模具设计也提出了更高的要求[10,11]。采用传统的单一分模面方式对部分复杂锻件进行模具设计及锻件成型，锻件经机加工后会产生流线切断的现象，严重影响零件服役寿命[12,13]，且采用单一分模面方式进行复杂锻件模具设计，材料利用率较低，提高了锻件成本。因此采用多曲面分模方式对复杂模锻件进行模具设计，可有效提升锻件性能及材料利用率，降低锻件生产成本[14,15]。

本文以某变截面复杂钛合金零件为研究对象，根据其特征，为避免最终零件加工后产生流线切断的现象以及锻件更好地成型，采用曲面分模方式进行锻件模具设计，为该锻件模锻成形提供模具设计指导。

图1为采用Pro/ENGINEER 4.0软件的Part模块绘制出的钛合金零件三维数模图。由图可知，零件轮廓尺寸为590mm(L)×418mm(W)×169mm(H)，轮廓投影面积0.24m2，零件重量19.7kg。

图1 钛合金零件三维数模Fig.1 Three-dimensional digital modules of titanium alloy parts

由钛合金零件三维数模可知，零件最大厚度106mm，中间薄板部分最薄厚度仅为10mm，且零件纵向截面为弧形；
中间结构为非加工部分，需要填充1号～ 3号部位的通孔部分。零件具体特征分析及锻件设计思路为：(1)1号和2号部位为不完全填充，只填充至与零件背面凹槽处相平即可，即保持零件底面完全吻合轮廓外形，并保持与凹槽底部形状外貌特征一致。(2)3号部位为不完全填充，填充至保持零件底面完全吻合轮廓外形，并与零件正面凹槽处相平即可，并保持与凹槽底部形状外貌特征一致。(3)4号和5号部位进行中心圆柱形结构填充，外圆柱直径尺寸、厚度方向尺寸均与零件保持一致。(4)6号部位为全加工部位，对其进行中心圆柱形结构填充，并沿轮廓外形及厚度方向均增加3mm机加余量。(5)7号部位为一高度47.6mm、厚度24mm、头部Φ35mm的圆柱梯形凸台结构，鉴于其高宽比为1.8，为降低成型难度，将其厚度方向增加机加余量至38mm，其余方向尺寸不变。(6)8号～11号部位为方形凸台结构，且为机加部位。对其高度方向增加3mm机加余量，并倒圆角R100与零件外形接合。(7)12号部位为半圆型凸台结构，且为非加工部位，故对其未增加机加余量，保持原状。(8)13号～15号为凹槽结构，且为非加工部位，故对其未增加机加余量，保持原状。(9)16号部位为三角形凸台T结构，其边长尺寸仅为45mm，T部厚度仅为10mm，考虑其不易成型问题，将其在厚度方向增加机加余量至与其相接的圆台厚度一致，宽度方向增加3mm机加余量，并保持外形轮廓一致。

2.1 锻件的曲面分模设计

图2和图3分别为钛合金锻件数模和曲面分模设计图，根据零件特点，锻件分模面由6段平面构成。其中，A段处于圆台中部并经过圆台中心，与水平线呈25°夹角，且处于下模的部位需要填充材料，为保证锻件锻造完成后顺利取出，增加出模斜度为7°；
B段与锻件外形斜度保持一致，并与水平线呈53°夹角，AB段采用R30进行过渡连接；
C段处于锻件结构中部，与锻件外形斜度保持一致，并与水平线呈10°夹角，BC段采用R30进行过渡连接；
D段处于锻件上、下端面中间，距底部30mm，与模具保持水平，CD段采用R30进行过渡连接；
E段处于锻件结构中部，保持与锻件外形斜度一致，与水平线呈11°夹角，DE段按R100过渡连接；
F段经过圆柱截面中心，与水平线呈40°夹角，EF段按R30过渡连接，并且处于下模的部位需要填充材料，同样为保证锻件顺利取出，增加出模斜度7°；
整个分模面左右部分高度落差为25mm。

图2 钛合金模锻件数模Fig.2 Titanium alloy die forging digital die

图3 钛合金锻件曲面分模设计Fig.3 Surface parting design of titanium alloy forgings

2.2 模具设计

图4为钛合金锻件模具图，按以下规则进行模具设计：

(1)在锻件冷尺寸的基础上，终锻温度下钛合金的收缩率为0.5%～0.7%，对该截面变化较大的锻件，按锻件厚度确定收缩率，所采用的收缩率为0.7%～0.9%，对于无中心的圆角半径不加放收缩率。

(2)由于该锻件上、下部形状非对称，根据金属流动的特征以及材料在模具型腔的填充特性，将锻件带高凸台结构的部位置于上模面，易于复杂形状的成型。

(3)将锻件毛边槽设置于上模中，与锻件坯料的接触时间短，可减少模具磨损程度。其中桥部尺寸根据锻件在分模面的投影面积、锻件质量采用经验公式进行计算，桥部高度8mm，长度25mm；
仓部高度18mm，长度100mm，毛边槽截面积1879mm2。

(4)在上、下模具四角设置120mm×80mm×50mm的方形锁扣装置，上模为凹形，下模为凸形，下模凸形可更好的减少上下模具的错移量，以及减少模具承击面的面积，并因在压机上进行生产，锁扣高度可低于锻件分模面落差。上模锁扣底面和下模锁扣顶面间距2mm，可防止锁扣端面受压，延长锁扣使用寿命。锁扣斜度为3°，便于上模向下压制时越向下模具接触面越大，并对上模上下运动时起到导向作用，锁扣斜度太小锁扣可能相撞击而损坏，太大影响对错移的控制。锁扣间隙0.2mm～0.3mm，小于锻件允许错移量的1/2，模具使用状态为200℃～250℃，加热后产生一定的膨胀量，间隙太大不利于锻件错移量的控制，太小在模具使用过程中容易产生“抱死”现象。

(5)在上、下模具中心部位设置Φ150mm×25mm的圆柱形卧键槽，与压机设备的安装板相联接，配合间隙0～0.2mm。

(6)在上、下模具前后端面设置4个T型槽，与模座“米”字形槽相对应，用六角螺母+T形螺栓进行联接并加以紧固， T型槽头端宽度93mm，长度130mm，深度35mm，配合使用Φ90mm×32.5mm的六角螺母；
杆部槽端宽度为42mm，长度为100mm，深度45mm，配合使用M40mm×90mm的T型螺栓；
保证模具与模座的一体性。

(7)在上、下模具左右端面设置2个，前后端面设置1个，共12个Φ40mm×70mm吊装孔，距离模具端面100mm，配合专用吊装工装在起重设备上使用，实现模具的转移、组装及卸装。

(8)在下模中心位置设计T形圆柱顶出装置，大端头直径不大于下模型腔最小宽度，圆柱形可最大限度的减小加工量，顶杆上端面与模具下型腔完全匹配，边角不允许倒角，防止成型时因间隙出现毛刺等缺陷。大端高度为110mm，顶杆整体350mm，大端直径约Φ150mm，杆部直径Φ75mm，以保证顶杆工作时强度的足够。大端面的下端面与模具完全配合，防止因重力下沉影响上端面与型腔的匹配度，并加以R10mm～R15mm的过渡圆角，防止在使用过程中尖角崩裂。顶杆的细杆长度于模具卧键槽端面相平，在锻件与模具发生粘连时，尤为利于工件的出模，防止因翘取时产生变形，细杆直径为Φ75mm，模具导向直径为Φ80mm，设备顶杆直径为Φ78mm，单边间隙1mm～2.5mm，在锻件从下模型槽中顶出后，顶杆能依靠自身重量恢复原位。

图4 钛合金锻件模具图Fig.4 Die drawing of titanium alloy forgings

图5为钛合金锻件模具数模，其中模具上模块尺寸为1140mm(L)×960mm(W)×527.5mm(H)，下模块尺寸为1140mm(L)×960mm(W)×600mm(H)。由图可知，采用曲面分模设计的锻件模具也存在6个分模面，并与锻件外形保持一致。

图5 钛合金锻件模具数模Fig.5 Die digital mold of titanium alloy forgings

2.3 锻件成型模锻荒形设计

根据本文设计的钛合金模锻件模具形状特点，采用钛合金曲面板坯作为模锻荒形，具体规格见图6。

图6 钛合金模锻件荒形图Fig.6 Waste map of titanium alloy die forging

2.4 锻件成型模拟

图7为采用Simufact 软件对本设计准则设计的钛合金最终锻件外形数模进行成型模拟。结果表明，采用曲面分模设计该锻件充型良好，棱角未出现明显夹伤现象，可进行该模锻件的生产。

图7 最终锻件Simufact模拟成型结果Fig.7 Final forging Simufact simulation molding result

(1)在锻件成型设计中，采用钛合金曲面板坯进行该模锻件的生产，该模锻件充型良好，未出现明显棱角夹伤现象。

(2)根据本零件特点采用曲面分模设计该钛合金模锻件及模具，可生产出合格锻件，该模具合理可行。

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