高頸法蘭的液鍛成形方法及成形模具、成形裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高頸法蘭的液鍛成形方法及成形模具、成形裝置。液鍛成形方法包括以下步驟：步驟一，將金屬液注入成形模具的上、下模之間的模腔中；步驟二，上模相對于下模下行而壓縮模腔的盤成形部分，且擠壓環在凹槽中滑動而壓縮模腔的頸成形部分；步驟三，待液鍛件冷卻后，取出液鍛件。本發明中模腔在壓縮過程中，除了上模相對于下模下行的盤成形部分主壓縮動作外，擠壓環會在凹槽中相對于槽壁滑動，實現頸成形部分的附加壓縮動作，這實際上是通過擠壓環進一步加強了頸成形部分中金屬液的受壓，使得液鍛件的頸部得到與盤部一樣的致密度，改善了成形模具在高頸法蘭頸部的施壓效果。
【專利說明】
高頸法蘭的液鍛成形方法及成形模具、成形裝置
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種高頸法蘭的液鍛成形方法及成形模具、成形裝置。
【背景技術】
[0002]目前，法蘭類零件一般是采用某種成形方法成形，然后對其制件進行機械加工以獲得最終產品。普通法蘭零件由環形的盤部和其上端同軸設置的頸部組成，其盤部和頸部的高度相近。高頸法蘭的頸部高度(即頸部的頂面到盤部的底面之間的距離)遠大于盤部高度(即盤部的頂面和底面之間的距離)。在傳統工藝中，高頸法蘭通常采用熱壓模鍛的方法進行成形，如中國專利文獻CN 104785706 A公開的高頸法蘭模鍛成型加工方法，即將加熱后的棒料用自由鍛液錘墩粗，再用模鍛電液錘進行模鍛，但該成形方法在實際使用中存在加工余量大、材料利用率低、工成本高等缺點。
[0003]法蘭零件非常適合采用液態模鍛的方法成形，液態模鍛具有省力節能和材料利用率高的特點，其制件的力學性能可以接近或達到同種合金的鍛件水平。法蘭類零件的液態模鍛工藝是對澆入由凸模和凹模組成的模腔內的液態金屬施以較高的機械壓力，使其凝固時消除鑄造缺陷并產生一定塑性變形，從而獲得高質量制件的一種方法。具有省力節能和材料利用率高的特點，其制件的力學性能可以接近或達到同種合金的鍛件水平。但是，常用的液態模鍛模具只適合普通法蘭零件的成形，而對于高頸法蘭，特別是薄壁高頸法蘭，則容易出現質量問題。在液態模鍛過程中，液態金屬向固態轉變及后面的降溫過程中，金屬的體積有較大的收縮。因為法蘭的頸部高度遠大于盤部高度，其頸部高度的收縮量也遠大于盤部高度的收縮量，對于普通的液態模鍛，具有施壓功能的凸模的各部分是同步下行的。這樣，凸模對法蘭頸部和盤部的施壓效果會出現差異，造成法蘭頸部的組織和性能低于盤部，引起法蘭性能的不均勻。另一方面，目前普通的液態模鍛澆注方法的定量精度不高，造成制件的精度降低，影響制件質量。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種加強模具在對高頸法蘭的頸部施壓效果的高頸法蘭的液鍛成形方法，同時還提供了一種專用于實施該高頸法蘭的液鍛成形方法的成形模具和使用該成形模具的成形裝置。
[0005]為了實現以上目的，本發明中高頸法蘭的液鍛成形方法的技術方案如下:
高頸法蘭的液鍛成形方法，包括以下步驟:
步驟一，將金屬液注入成形模具的上、下模之間的模腔中，模腔具有用于成形液鍛件的盤部的盤成形部分和用于成形液鍛件的頸部的頸成形部分，頸成形部分為處于盤成形部分上方或下方的圓環形的凹槽，凹槽的槽底設有上下滑動裝配在凹槽中的擠壓環；
步驟二，上模相對于下模下行而壓縮模腔的盤成形部分，且擠壓環在凹槽中相對于槽壁向槽口方向滑動而壓縮模腔的頸成形部分，直至將模腔壓縮到與液鍛件形狀匹配的最終位置，模腔中金屬液在壓力下發生流動、結晶和凝固收縮成形為液鍛件； 步驟三，待模腔中液鍛件冷卻后，上模相對于下模上行而打開模腔，取出液鍛件。
[0006]步驟一中，模腔為上、下模相對閉合后的閉合模腔，且在金屬液充滿該閉合模腔后，停止金屬液的注入。
[0007]步驟二中，上模和擠壓環相對于下模移動距離的比值等于液鍛件的盤部和頸部的高度之比。
[0008]本發明的成形模具的技術方案如下:
成形模具，包括上下相對的上、下模，上、下模之間具有用于容納金屬液的模腔，模腔具有用于成形液鍛件的盤部的盤成形部分和用于成形液鍛件的頸部的頸成形部分，盤成形部分為處于上模的底面和下模的頂面之間的環形空腔，頸成形部分為處于上模的底面或下模的頂面上的圓環形的凹槽，凹槽的槽底設有上下滑動裝配在凹槽中的擠壓環。
[0009]頸成形部分為處于上模的底面上的凹槽，且擠壓環的上方頂裝有從上模的上方伸出的壓桿，壓桿的頂端用于連接與上模連接的液壓機的活動橫梁相對獨立設置的液壓機構。
[0010]擠壓環與凹槽的內圈壁面和外圈壁面中至少一個間隙配合，配合間隙為供頸成形部分中氣體排出的排氣間隙。
[0011]上模包括用于連接在液壓機的活動橫梁上的上模座，上模座的下方固定有豎向延伸的環形壓頭，環形壓頭內沿上下方向滑動密封裝配有下端可從環形壓頭的下端伸出的型芯，且上模座的處于環形壓頭的上端口之內的部分擋止在型芯的上方，所述上模的底面為環形壓頭的下環端面。
[0012]上模座和型芯之間設有用于向下壓動型芯的型芯彈簧;下模包括供環形壓頭的插入的頂部開口的凹模，凹模的底面為用于成形液鍛件的盤部背向頸部一端的環端面的平面，凹模的內壁面用于與環形壓頭的外周面滑動密封配合。
[0013]下模上設有供金屬液自模腔下方的熔爐注滿閉合后的模腔的模具流道，模具流道連通在模腔的下方，并在上模和/或下模上設有用于在金屬液向模腔中注入時打開、在金屬液停止向模腔注入時關閉的控制閥。
[0014]本發明的成形裝置的技術方案如下:
成形裝置，包括熔爐及其上通過輸送管連接的成形模具，成形模具的模腔通過輸送管連通熔爐的爐腔，成形模具的模腔處于上、下模之間，模腔具有用于成形液鍛件的盤部的盤成形部分和用于成形液鍛件的頸部的頸成形部分，盤成形部分為處于上模的底面和下模的頂面之間的環形空腔，頸成形部分為處于上模的底面或下模的頂面上的圓環形的凹槽，凹槽的槽底設有上下滑動裝配在凹槽中的擠壓環。
[0015]本發明中模腔在壓縮過程中，除了上模相對于下模下行的盤成形部分主壓縮動作夕卜，擠壓環會在凹槽中相對于槽壁滑動，實現頸成形部分的附加壓縮動作，這實際上是通過擠壓環進一步加強了頸成形部分中金屬液的受壓，使得液鍛件的頸部得到與盤部一樣的致密度，改善了成形模具在高頸法蘭頸部的施壓效果，提高了液鍛件的成品質量。
[0016]進一步的，金屬液是在注滿閉合模腔時停止注入的，即通過低壓鑄造的方式向閉合模腔中注入金屬液，再通過液態模鍛的方式使金屬液在一定壓力下發生流動、結晶和凝固收縮成形為液鍛件，這樣可通過閉合模腔的容積控制金屬液的進液量，從而實現定量澆注，無需額外設置定量澆注裝置，從而縮短了工藝步驟、簡化了成形裝置的結構。與開模狀態進行定量澆注方法相比，閉模注入可以縮短上模下行時間，對高頸薄壁零件的成形非常有利。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的成形裝置的實施例的結構示意圖；
圖2是圖1中液鍛件的結構示意圖。
[0018]附圖中，液鍛件1、擠壓環2、型芯3、閥桿4、閥桿彈簧5、型芯彈簧6、內壓頭7、外壓頭8、壓桿9、固定套10、上模座11、鑄液12、導管13、凹模底板14、凹模15、水冷套16、下模座17、輸送管18、注氣管19、金屬液20、熔爐21、筒體頸部22、盤部23、橫流道a。
【具體實施方式】
[0019]本發明中成形裝置的實施例:如圖1所示，該成形裝置是一種帶有內法蘭的鋁合金高頸法蘭零件的成形裝置，主要由成形模具和低壓澆注系統兩部分組成。待制備的液鍛件的結構如圖2所示，該液鍛件由環形的盤部23及其上端同軸設置的筒體頸部22組成。
[0020]成形模具主要由上下相對設置的上模和下模組成，其中上模用于連接在液壓機的活動橫梁上，下模用于連接在液壓機的工作臺上，擠壓環2通過壓桿與液壓機構連接，液壓機構和活動橫梁相對獨立設置。通過上模的往復開合及擠壓環2的上下移動的方式制備如圖2所示的液鍛件。
[0021]上模包括用于與液壓機的活動橫梁連接的上模座11，上模座11的下端通過螺釘連接有用于固定壓頭的固定套10;通過固定套10上的沉孔和外壓頭8上的外法蘭結構將外壓頭8軸向頂壓固定在上模座11上，用同樣方法由外壓頭8將內壓頭7固定在上模座11上;外壓頭8和內壓頭7合稱環形壓頭，用于對法蘭的盤部施壓；外壓頭8和內壓頭7之間的圓環形凹槽中滑動配合安放有處于槽底的擠壓環2，用于對法蘭的頸部施壓，外壓頭8與擠壓環2之間采用間隙配合，其間隙為排氣間隙，可以在閉合模腔注入金屬液時只能供氣體通過而不會流入金屬液。擠壓環2上部具有外法蘭結構，該外法蘭的高度小于外壓頭8上端沉孔的深度，且兩者之間的差值等于擠壓環2從閉合位置到最終位置的壓下量h2和將液鍛件頂出脫模所需的行程(即筒體頸部22的高度)之和。擠壓環2的下壓量h2(相對于下模)與外壓頭8的下壓量hi(相對于下模)之比等于頸部高度(即盤部底面到頸部頂面的零件總高)與盤部高度(SP盤部的頂面和底面之間的高度)之比。
[0022]型芯3與內壓頭7內表面滑動密封配合，型芯3具有外法蘭結構，該外法蘭的高度小于內壓頭7上端沉孔的深度，且兩者之間的差值大于上模自閉合位置到最終位置的移動距離hi。型芯3的上端設有盲孔，盲孔中安裝有型芯彈簧6，可以在上模下行到閉合位置時使型芯3壓觸下模的凹模底板14并產生預壓力。上模座11的處于環形壓頭的上端口以內的部分擋止在型芯3的上方，且型芯彈簧6的上端頂裝在上模座11上。
[0023]下模包括用于與液壓機的工作臺連接的下模座17，下模座17上通過螺釘固定連接有凹模15，凹模15內同軸固定安裝有與下模座17觸接的凹模底板14，凹模底板14的頂面為用于成形液鍛件的盤部底部環端面的平面，凹模14的內壁面和環形壓頭的外周免上下滑動密封配合。上模下行到閉合位置時，上模部分的外壓頭8、擠壓環2、內壓頭7和型芯3與下模部分的凹模15、凹模底板14共同圍成閉合模腔，該閉合模腔分為兩部分，一部分為環形壓頭的下環端面和凹模底板14的頂面之間的盤成形部分，另一部分為內壓頭7和外壓頭8之間的圓環形凹槽和擠壓環2圍成的頸成形部分。
[0024]凹模15的外周上套裝有水冷套11，用于在模具溫度過高時通水冷卻，導出模具中的熱量，使其在較適宜的溫度下工作。凹模底板14和型芯3上同樣可以設置水冷裝置。
[0025]凹模底板14上同軸密封固裝有導管13;下模座17的中心設有與導管13內孔相通的模具流道，模具流道下部固定安裝有輸送管18。模具流道和輸送管18均沿凹模的軸向豎直延伸。在凹模底板14的頂面上按輻射狀開設有上寬下窄呈梯形截面的橫流道a，橫流道a的一端可與導管13相通、另一端和模腔相通。導管13上方同軸設置有閥桿4，閥桿4與型芯3中的小孔滑動密封配合，閥桿4上部法蘭與型芯3中的小孔上面的沉孔配合，防止閥桿向下滑出，閥桿4的上面頂裝有閥桿彈簧5，使閥桿4具有向下的力。閥桿彈簧5、閥桿4與導管13在合模狀態下構成控制閥，控制閥為控制金屬液單向流動至閉合模腔中的單向閥。閥桿4的下端具有錐銷結構，導管13的上端管口具有錐孔結構，錐銷與錐孔在插套配合時相互形成錐面配合;注射過程中，金屬液的注射壓力可以克服閥桿彈簧5的彈力而頂開閥桿4，實現低壓澆注;澆注完成后，注射壓力撤銷，閥桿4在彈簧力的作用下將導管13關閉，實現對閉合模腔的封閉。
[0026]澆注系統處于閉合模腔的下方，澆注系統是一種低壓澆注系統，包括熔爐21，熔爐21用于加熱和儲存金屬液20，熔爐21的上蓋上密封安裝有輸送管18，輸送管18的下端插入金屬液20的下部，輸送管18與下模座17上的輸液孔、導管13和橫流道a依次相通而形成輸液通道。熔爐21上還設有注液裝置，注液裝置包括密封插裝在熔爐21的爐蓋上的注氣管18和壓縮空氣氣源，注氣管18的下端管口處于金屬液20的液面上方；當注液裝置向熔爐的中注入壓縮空氣時，由空氣壓力將金屬液20通過輸液通道注入成形模具的閉合模腔中。
[0027]本發明中高頸法蘭的液鍛成形方法的實施例:該成形方法是一種鋁合金法蘭零件的高質量的液態模鍛成形方法，主要用于成形如圖2所示的帶有內外盤部的高頸法蘭的液鍛件。
[0028]成形方法包括如下步驟:
1)將成形裝置的成形模具安裝在壓力機上；
2)按成分配方對鋁合金進行熔煉并置于低壓澆注系統的熔爐21中；
3)將上模和下模之間的模腔預熱至一定溫度；
4)在模腔各表面噴涂潤滑涂料；
5)液壓機帶動上模下行到閉合位置，此時上模和下模閉合而將模腔閉合，如圖1中成形模具的右半部分；
6)將壓縮空氣通入熔爐21中，使爐中金屬液20通過輸液通道注入閉合模腔中，此時閥桿4會在金屬液的壓力作用下上行使通道打開，閉合模腔中的氣體經上模內的排氣間隙排出；
7)閉合模腔充滿金屬液12后，去除壓縮空氣，閥桿4在閥桿彈簧5的作用下將導管13關閉，使閉合模腔完全處于封閉狀態，導管13及以下輸液通道中的金屬液回流到熔爐21中；
8)金屬液注滿閉合模腔一定時間后，上模再次加壓下行至最終位置，使金屬液在一定壓力下發生流動、結晶和凝固成形為液鍛件，同時液壓機構通過壓桿9和擠壓環2對其下部環槽中的金屬液進行施壓，壓強大小和壓頭產生的壓強一致； 9)保壓結束，上模帶動液鍛件一起回程，液壓機構帶動擠壓環2向下頂出，使液鍛件脫模，而后液壓機構回程；
10)重復上述4)?9)，完成下一個零件的成形。
[0029]在后序工藝中，將步驟9)得到的零件進行少量后續切削加工和熱處理即得法蘭產品。當模具溫度太高時，可在水冷套14和凹模底板14和型芯3的水冷裝置中通入水對模具進行冷卻。
[0030]由于控制閥處于橫流道a的入口處，控制閥關閉后，橫澆道a中的金屬液會滯留其中，凝固后與液鍛件連為一體，在步驟9)中與液鍛件一同脫模。
[0031]完成步驟9)后，擠壓環2處于上模的下部，在重復步驟6)時由金屬液的壓力使擠壓環2復位。
[0032]在上述實施例中，成形方法和成形模具是專用于成形帶有內外盤部的高頸法蘭零件的，在其他實施例中，該成形方法和成形裝置也適用于其他法蘭零件及類似形狀零件的成形，對應的成形模具的上模和下模需要根據對應成形零件的具體形狀適應調整。
[0033]本發明的成形裝置的其他實施例:圓環形凹槽也可以設置在下模上，如圓環形凹槽處于凹模的底部時，對應的擠壓環也將滑動裝配在下模上，這樣擠壓環將需要通過向上頂起的方式進行頸成形部分的壓縮，而且擠壓環的驅動方式也可以采用在對應模體上安裝的動力裝置實現，如在擠壓環處于上模時，可在上模的環形壓頭內自帶液壓缸來完成擠壓環的驅動;在擠壓環處于下模時，液壓機的下液壓缸驅動擠壓環升降。與成形模具配套的澆注系統除采用低壓澆注系統外，還可以采用定量澆注系統，如在下模的凹模上設置處于側壁上的斜流道，當然斜流道最好高于鑄液的液面高度，這樣既可以在模腔閉合后注液;也可以將型芯設置在下模上，在模腔閉合前注液;至于定量澆注系統中具體采用體積定量的方式，還是流量計數的方式，可視具體情況決定。
[0034]本發明的高頸法蘭的液鍛成形方法的實施例:該成形方法包括如下步驟:步驟一，將金屬液注入成形模具的上、下模之間的模腔中，模腔具有用于成形液鍛件的盤部的盤成形部分和用于成形液鍛件的頸部的頸成形部分，頸成形部分為處于盤成形部分上方或下方的圓環形的凹槽，凹槽的槽底設有上下滑動裝配在凹槽中的擠壓環；
步驟二，上模相對于下模下行而壓縮模腔的盤成形部分，且擠壓環在凹槽中相對于槽壁向槽口方向滑動而壓縮模腔的頸成形部分，直至將模腔壓縮到與液鍛件形狀匹配的最終位置；
步驟三，待模腔中液鍛件冷卻后，上模相對于下模上行而打開模腔，取出液鍛件。
[0035]另外，在成形模具的配套的澆注系統采用低壓澆注系統時，模腔為上、下模相對閉合后的閉合模腔，且在步驟一中，金屬液充滿該閉合模腔后，停止金屬液的注入;而當澆注系統采用定量澆注系統時，模腔的是否閉合與澆注是否啟停沒有關系，當然要是為了保證模腔在澆注階段隔絕大氣和減少上模下行時間的話，應在模腔閉合狀態下進行澆注。為與液鍛件的盤部和頸部的收縮量適配，步驟二中，上模和擠壓環相對于下模移動距離的比值等于液鍛件的盤部高度和液鍛件的總高度之比。
【主權項】
1.高頸法蘭的液鍛成形方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，將金屬液注入成形模具的上、下模之間的模腔中，模腔具有用于成形液鍛件的盤部的盤成形部分和用于成形液鍛件的頸部的頸成形部分，頸成形部分為處于盤成形部分上方或下方的圓環形的凹槽，凹槽的槽底設有上下滑動裝配在凹槽中的擠壓環； 步驟二，上模相對于下模下行而壓縮模腔的盤成形部分，且擠壓環在凹槽中相對于槽壁向槽口方向滑動而壓縮模腔的頸成形部分，直至將模腔壓縮到與液鍛件形狀匹配的最終位置，模腔中金屬液在壓力下發生流動、結晶和凝固收縮成形為液鍛件； 步驟三，待模腔中液鍛件冷卻后，上模相對于下模上行而打開模腔，取出液鍛件。2.根據權利要求1所述的高頸法蘭的液鍛成形方法，其特征在于，步驟一中，模腔為上、下模相對閉合后的閉合模腔，且在金屬液充滿該閉合模腔后，停止金屬液的注入。3.根據權利要求1或2所述的高頸法蘭的液鍛成形方法，其特征在于，步驟二中，上模和擠壓環相對于下模移動距離的比值等于液鍛件的盤部和頸部的高度之比。4.成形模具，包括上下相對的上、下模，上、下模之間具有用于容納金屬液的模腔，其特征在于，模腔具有用于成形液鍛件的盤部的盤成形部分和用于成形液鍛件的頸部的頸成形部分，盤成形部分為處于上模的底面和下模的頂面之間的環形空腔，頸成形部分為處于上模的底面或下模的頂面上的圓環形的凹槽，凹槽的槽底設有上下滑動裝配在凹槽中的擠壓環。5.根據權利要求4所述的成形模具，其特征在于，頸成形部分為處于上模的底面上的凹槽，且擠壓環的上方頂裝有從上模的上方伸出的壓桿，壓桿的頂端用于連接與上模連接的液壓機的活動橫梁相對獨立設置的液壓機構。6.根據權利要求4或5所述的成形模具，其特征在于，擠壓環與凹槽的內圈壁面和外圈壁面中至少一個間隙配合，配合間隙為供頸成形部分中氣體排出的排氣間隙。7.根據權利要求4或5所述的成形模具，其特征在于，上模包括用于連接在液壓機的活動橫梁上的上模座，上模座的下方固定有豎向延伸的環形壓頭，環形壓頭內沿上下方向滑動密封裝配有下端可從環形壓頭的下端伸出的型芯，且上模座的處于環形壓頭的上端口之內的部分擋止在型芯的上方，所述上模的底面為環形壓頭的下環端面。8.根據權利要求7所述的成形模具，其特征在于，上模座和型芯之間設有用于向下壓動型芯的型芯彈簧;下模包括供環形壓頭的插入的頂部開口的凹模，凹模的底面為用于成形液鍛件的盤部背向頸部一端的環端面的平面，凹模的內壁面用于與環形壓頭的外周面滑動密封配合。9.根據權利要求4或5所述的成形模具，其特征在于，下模上設有供金屬液自模腔下方的熔爐注滿閉合后的模腔的模具流道，模具流道連通在模腔的下方，并在上模和/或下模上設有用于在金屬液向模腔中注入時打開、在金屬液停止向模腔注入時關閉的控制閥。10.成形裝置，包括熔爐及其上通過輸送管連接的成形模具，成形模具的模腔通過輸送管連通熔爐的爐腔，成形模具的模腔處于上、下模之間，其特征在于，模腔具有用于成形液鍛件的盤部的盤成形部分和用于成形液鍛件的頸部的頸成形部分，盤成形部分為處于上模的底面和下模的頂面之間的環形空腔，頸成形部分為處于上模的底面或下模的頂面上的圓環形的凹槽，凹槽的槽底設有上下滑動裝配在凹槽中的擠壓環。
【文檔編號】B22D18/02GK105834398SQ201610325055
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】楊茜, 楊永順, 虞跨海
【申請人】河南科技大學