大型镶拼式热锻模具设计制造方法及大型镶拼式热锻模具

摘要

本发明提供一种大型镶拼式热锻模具设计制造方法，所述模具包括模套和模芯；模套为通用工装且采用低成本特种铸钢铸造成形，所述模芯由数个镶块镶拼而成。设计出模套和镶块后，首先对模套基准面和定位平面、镶块的定位平面和定位键槽进行精加工，并精确安装定位键实现镶块之间的定位，然后通过沉头螺钉实现镶块和模套垂直方向固定，再通过一级或多级标准化垫板和楔形压板辅助机构实现镶块与模套之间的紧固，最终得到大型镶拼式热锻模具。本发明采用低成本铸钢模套和多镶块组合镶拼式的模具结构，在降低制造周期和制造成本的同时，满足大投影面积构件的一体化热模锻成形要求，较小的镶块尺寸也具有更好的加工精度、热处理硬度、替换性等优势，可以有效提高大型热锻模具寿命。

说明书

技术领域

本发明属于模具设计与制造技术领域，具体涉及大型镶拼式热锻模具设计制造方法及大型镶拼式热锻模具。

背景技术

随着我国航空领域的飞速发展和飞机关键构件的大型化、整体化、精密化要求提高，大型热锻模具的设计制造技术面临着新的挑战。例如，钛合金机身整体框是飞机结构件中投影面积最大、成形难度最高、制造周期最长同时制造成本最高的关键构件，对飞机承载能力乃至性能寿命至关重要。在800MN模锻压机投入使用之前，只能将其拆分成数个框段，分段成形后再用电子束焊接工艺连接成一个整体。这不仅大大增加了制造周期和加工成本，还对焊后变形的控制，组织性能的稳定性等提出了极高的要求。

800MN模锻压机的投产使用为一次整体成形钛合金机身整体框创造了可能。然而，该整体框成形用的大型热锻模具单个模块重量高达65吨（一套重量130吨），采用现行的整体式模具制造工艺存在锻造工序周期长、难度大、锻透性差、锻后热处理硬度低且易出现热处理裂纹等问题，无法满足该类大型锻模服役过程中的力学性能要求。

因此提出一种采用低成本模套（铸钢）和组合镶块的大型镶拼式热锻模具设计制造方法，不仅有效降低了整体式大型锻模的制造成本和难度，还提高了小尺寸镶块的加工质量和精度，具有广阔的市场前景。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提出一种大型镶拼式热锻模具设计制造方法，将原有的大型整体式热锻模具结构调整为低成本铸钢模套和多镶块组合镶拼式的模具结构，模套可配合不同规格模芯循环使用，在降低制造周期和制造成本的同时，满足大投影面积关键构件的一体化热模锻成形要求。

本发明还提供按上述方法设计的大型镶拼式热锻模具，不仅大幅降低模具制造成本，较小的镶块尺寸也具有更好的加工精度、热处理硬度、替换性等优势，可以有效提高大型热锻模具寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种大型镶拼式热锻模具设计制造方法，所述大型镶拼式热锻模具包括模套和模芯；模套采用低成本特种铸钢铸造成形，模芯由数个镶块镶拼而成；

其设计制造方法包括如下步骤：

A.模套规格以现有飞机整体框类构件最大外形尺寸为依据制作；

B.以模套尺寸为基础设计整体模具，采用Deform-3D或Forge平台进行数值模拟，得到整体模具在预设工况下的温度场、应力场和载荷分布；

C.根据B步骤得到结果，将模芯区域划分成合适数量的镶块和确定镶块连接缝的位置，并采用热作模具钢制作镶拼式模芯，使模具满足预设工况条件下的设计强度要求；

所述应力场为三向应力分布，用于确定拼接缝位置，拼接缝位置在应力均匀区域，避免出现应力集中；

D.选取模套内两相邻侧壁为基准面，模套其余两相邻侧壁预留用于安装楔形压板辅助机构的安装空间；

E.模套内底平面和镶块下表面为定位平面，模套内底平面上阵列式分布设有螺钉孔；镶块底部设有螺纹孔，并与模套上阵列式分布的螺纹孔对应；

F.设计出模套和镶块后，首先对模套基准面和定位平面，以及镶块的定位平面和定位键槽进行精加工，并精确安装定位键，实现镶块之间的定位，然后通过沉头螺钉实现镶块和模套垂直方向固定，再通过一级或多级标准化垫板和楔形压板辅助机构实现镶块与模套之间的紧固，最终得到大型镶拼式热锻模具。

本发明还公开了一种大型镶拼式热锻模具，包括模套和模芯；模套为通用工装且采用低成本特种铸钢铸造成形，模套内底平面为安装模芯的定位平面并阵列式分布螺钉孔；模套内两相邻侧壁为安装模芯的基准面，其余两相邻侧壁与模芯侧壁之间预留有设置楔形压板辅助机构的安装空间；由沉头螺钉和楔形压板辅助机构将模芯紧固于模套之中；

所述模芯由数个镶块镶拼而成，镶块之间通过定位键槽和定位键定位；镶块底部设有螺纹孔，并与模套上阵列式分布的螺钉对应。

优选地，所述楔形压板辅助机构由压板、上下楔形块、螺栓和垫块构成，所述上楔形块和下楔形块偶合设置在镶块和模套之间的安装空间内，通过锤击固定楔形块后由垫板平衡压板并紧固螺栓，实现镶块之间和镶块与模套之间的紧固。

优选地，所述上楔块的上端面设置有限位台阶。

优选地，所述压板的厚度的取值范围为60-90mm

优选地，所述螺栓的公称直径为φ42mm。

优选地，所述大型镶拼式热锻模具的长度大于4米，型腔投影面积大于2.5㎡，适合于飞机整体框具有超大投影面积构件热模锻成形用锻模的设计制造

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明将原有的大型整体式热锻模具结构调整为低成本铸钢模套和多镶块组合镶拼式的模具结构，模套可配合不同规格模芯循环使用，在降低制造周期和制造成本的同时，满足大投影面积关键构件的一体化热模锻成形要求。

2、本发明采用较小的镶块尺寸具有更好的加工精度、热处理硬度、替换性等优势，不仅大幅降低模具制造成本，还可以有效提高大型热锻模具寿命。

3、本发明大型镶拼式热锻模设计结构合理，具有使用灵活方便等特点。

附图说明

图1为本发明大型镶拼式热锻模具的结构示意图；

图2为本发明中楔形压板辅助机构的结构示意图。

图中，1-模芯（镶块）， 2-下楔形块，3-上楔形块，4-压板，5-螺栓，6-垫块，7-模套。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，一种大型镶拼式热锻模具设计制造方法，所述大型镶拼式热锻模具包括模套7和设有产品型腔的模芯1；模套7为通用工装且采用低成本特种铸钢铸造成形，模套7内底平面为安装模芯的定位平面并阵列式分布螺钉孔；模套7内两相邻侧壁为安装模芯1的基准面，其余两相邻侧壁与模芯侧壁之间预留安装空间；模芯1由沉头螺钉和楔形压板辅助机构将其紧固于模套7之中。

所述模芯1由数个镶块镶拼而成，镶块之间通过定位键槽和定位键定位；镶块底部设有螺纹孔，并与模套7上阵列式分布的螺螺钉对应，由沉头螺钉连接镶块和模套7。

模套7采用G35CrNiMo铸造成形，轮廓尺寸依照现有飞机整体框类构件最大外形尺寸制作为6400*3600*450mm。零件锻造成形前，先制定工艺卡，然后以模套7尺寸为基础设计整体模具，采用Deform-3D（或Forge等其他类似软件）平台进行数值模拟，得到整体模具在工况下的温度场、应力场和载荷分布；

将模芯1区域划分成多块镶块并确定镶块连接缝的位置，并采用热作模具钢制作镶拼式模芯，使模具能够满足工况条件下的设计强度要求；

制造具有超大投影面积构件（例如飞机整体框）的镶拼式热锻模具，采用本发明方法，模套7为通用工装且采用低成本特种铸钢铸造成形，模套7内底平面为安装模芯的定位平面并阵列式分布螺钉孔；模套7内两相邻侧壁为安装模芯的基准面，其余两相邻侧壁与模芯侧壁之间预留安装空间；由沉头螺钉和楔形压板辅助机构将模芯紧固于模套7之中。

本实施例中将整体模芯1区域划分成6个镶块进行拼接，每个镶块尺寸为11800*1300*300mm，镶块之间通过定位键槽和定位键定位；镶块底部设有螺纹孔，并与模套7上阵列式分布的螺钉孔对应。

参见图2，所述楔形压板辅助机构由下楔形块2、上楔形块3、压板4、螺栓5和垫块6构成，所述上楔形块3和下楔形块2偶合设置在镶块和模套7之间的安装空间内，通过锤击固定楔形块后由垫块6平衡压板4并紧固螺栓5，实现镶块之间和镶块与模套7之间的紧固。

进一步优化，所述上楔块的上端面设置有限位台阶用于对压板4进行限位。所述压板4的厚度可以为60-90mm，所述螺栓5的公称直径为φ42mm。

其中，各镶块（1）、压板4、上下楔形块2等均采用H13模具钢制作；定位键外形尺寸为270*60*30mm，共4个；阵列式螺钉孔公称直径φ30，共171个，所用沉头螺钉公称直径φ28；压板4厚度60mm；楔形块斜度10°；压板4上螺栓5公称直径φ42。

制作出模套7、镶块1、垫块6和楔形压板辅助机构等之后，进行相应的粗加工、热处理、精加工工序，按照图示位置进行安装和紧固，获得最终的大型镶拼式热锻模具。

在本发明中，预设工况为锻造模具在进行锻造时的工况。低成本特种铸钢包括G35CrNiMo、ZG29MnMoNi、ZG35MnSi等。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。