一种马鞍型横梁构件热挤压成形模具及构件成形方法

摘要

一种马鞍型横梁构件热挤压成形模具及构件成形方法，马鞍型横梁构件热挤压近净成形方法，包括步骤如下：初步确定坯料尺寸，加工坯料；将所述模具和坯料分别加热到指定温度并将坯料保温相应的时间，进行马鞍型横梁构件热挤压预成形；将马鞍型横梁构件热挤压预成形件进行酸洗，酸洗后去除表面折叠缺陷以及工艺飞边并将非光滑过渡处打磨光滑；进行马鞍型横梁构件热挤压近净成形，取出最终的成形件。本发明热挤压近净成形方法成形出的铝合金马鞍型横梁构件尺寸精度以及型面精度高，仅需少量装配部位精加工便可满足要求，可大大节约后续加工时间，提高生产效率。

说明书

技术领域

本发明属于热加工成形领域，涉及到一种成形模具及构件成形方法。

背景技术

当前，航空航天产品零件正向轻量化、低成本及整体化方向发展，马鞍型横梁构件的应用也越来越多，该类型零件结构多为马鞍型截面内部带筋薄壁长条结构，该种结构既满足高强度要求又能实现零件轻量化。同时铝合金材料因具有优异的使用性能，在航空航天、轨道交通、武器装备等领域广泛应用。

由于该类马鞍型横梁构件强度要求高，采用铸造工艺成形难以满足强度要求，以往常常采用厚板机加制造，但加工成本高、材料利用率低且加工效率低。采用等温精确热挤压近净成形技术成形的该类型构件满足强度要求，同时可减少机加加工量、大大提高材料利用率、缩短制造周期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明提供了一种马鞍型横梁构件热挤压成形模具及构件成形方法，能有效地保证铝合金马鞍型横梁构件热挤压近净成形。该热挤压近净成形模具可实现一般冷压力机上在线加热，且成形件无变形，易脱模，生产效率高。该热挤压近净成形方法成形出的铝合金马鞍型横梁构件，产品一致性好，力学性能高，尺寸精度、型面精度以及表面质量较高，后续仅需对少量配合面进行精加工便可满足使用要求。

本发明所采用的技术方案为：一种马鞍型横梁构件热挤压成形模具，包括：上模、下模、下模板、上顶杆、顶块、下顶杆；

所述上模包括用于挤压坯料的凸模、用于导向定位的第一凸台；凸模位于上摸与下模接触面的中部，第一凸台分布在上摸与下模接触面的边缘；

所述下模包括凹模型腔、若干个与相同数量上顶杆配合的上顶杆配合型腔、用于导向的第一凹槽；凹模型腔位于下模与上摸接触面的中部，上顶杆配合型腔沿纵向分布在凹模型腔底部平面上，第一凹槽分布在下模与上摸接触面的边缘；

所述下模板包括用于同顶块配合的顶块型腔、用于顶块滑动导向的第二凸台、用于放置下顶杆的通孔；顶块型腔位于下模板与下模接触面的中部，第二凸台位于顶块型腔内，通孔位于顶块型腔底面中部；

所述上模通过第一凸台与第一凹槽同下模实现相对位置确定和导向，上顶杆上端安装在上顶杆配合型腔内，凹模型腔和上顶杆装配组成热挤压成形模腔，上模与下模合模后，热挤压成型模腔与第一凸台共同配合形成与待加工零件外形一致的成形槽；下顶杆安装在通孔内，顶块安装在顶块型腔内，第二凸台穿过顶块上的安装孔，上顶杆下端与顶块上表面接触，下顶杆端面与顶块下表面接触，下模安装在下模板上。

所述上模还包括用于同压力机上平台连接的第一U型槽、第一加热管放置孔、第一测温电偶孔；第一U型槽分布在上摸侧边处，第一加热管放置孔设有若干个，均匀分布于上模中部且从上摸短边侧面沿纵向贯通上摸，各第一加热管放置孔之间孔中心距相等；所述第一测温电偶孔设有若干个，为位于上模短边一侧两相邻第一加热管放置孔圆心连线中间位置的圆孔，第一测温电偶孔方向同第一加热管放置孔方向一致。

所述凸模外形同马鞍槽横梁构件内型面缩放后尺寸一致；所述第一凸台尺寸为长方形凸台，分布于上模与下模接触面的四个角处；第一U型槽尺寸以及相对位置根据所用压力机上平台尺寸确定；所述第一加热管放置孔数量为3～5个，直径为30～40mm，孔中心距不小于80mm，孔中心距离模具边缘距离不小于60mm；所述第一测温电偶孔直径为6～10mm，深度为80～120mm。

所述下模还包括用于同下模板连接的第二U型槽、第二加热管放置孔、第二测温电偶孔、飞边槽；第二U型槽分布在下模侧边处，第二加热管放置孔设有若干个，对称分布于上顶杆配合型腔两侧，为孔中心距相等且方向同下模长边方向一致的圆形通孔；第二测温电偶孔设有若干个，位于相邻两个或三个第二加热管放置孔之间的中心位置，第二测温电偶孔方向同第一加热管放置孔方向一致；所述飞边槽位于凹模型腔的两侧。

所述第二加热管放置孔数量为6或8个，直径30～40mm，孔中心距不小于80mm，孔中心距离模具边缘距离不小于60mm；第二测温电偶孔直径为6～10mm，深度为80～120mm。

所述下模板还包括用于同下模连接的T型槽和用于同压力机下平台连接的固定边；所述顶块型腔为位于下模板居中位置的长方形腔体；所述第二凸台为位于顶块型腔内在长度方向对称分布的圆形凸台；所述通孔为位于顶块型腔内中心的圆形带台阶通孔；T型槽分布在下模板与下模接触面的边缘，固定边分别位于下模板平行的两长边侧面。

所述顶块型腔长度比马鞍型横梁构件长度大50～70mm,宽度比马鞍型横梁构件宽度大20～30mm，高度为100～120mm；所述第二凸台直径为50～60mm，上表面同下模板上表面同面；所述中心带台阶通孔大圆直径比顶块型腔宽度小5～10mm，小圆直径比大圆直径小10～15mm，大圆孔高度为10～15mm，小圆孔高10～15mm；所述固定边厚度一般为40～60mm，宽度一般为40～60mm。

所述上顶杆数量为4～6个，包括带拔模斜度部位和直杆部位，带拔模斜度部位和直杆部位相连并通过台阶过渡，过渡部位截面尺寸相差6～10mm；所述拔模斜度部位高度为15～25mm，拔模斜度为3～7°，上表面同马鞍型横梁构件对应部位缩放尺寸一致；所述直杆部位高度为130～140mm，上顶杆与下模配合到位后，上顶杆的直杆部位在下模露出部分长50～60mm。

一种使用所述的模具成形马鞍型横梁构件的成形方法，包括步骤如下：

S1、根据体积不变原理、热挤压模具尺寸以及工艺余量初步确定坯料尺寸，加工坯料；

S2、将所述模具和坯料分别加热到指定温度并将坯料保温相应的时间，取出坯料，将坯料放入所述模具的下模内，控制上下模合模，进行马鞍型横梁构件热挤压预成形；

S3、通过压力机的下顶缸推动下顶杆，下定杆推动顶块，顶块通过推动上顶杆将步骤S2中获得的预成形件推出；

S4、将马鞍型横梁构件热挤压预成形件进行酸洗，酸洗后去除表面折叠缺陷以及工艺飞边并将非光滑过渡处打磨光滑；

S5、将所述模具和处理后的马鞍型横梁构件热挤压预成形件分别加热到指定温度并将马鞍型横梁构件热挤压预成形件保温相应的时间，进行马鞍型横梁构件热挤压近净成形，取出最终的成形件。

所述步骤S2中，将模具加热到的指定温度为410～420℃，将坯料加热到的指定温度为430～450℃，坯料的保温时间为45～60min；所述步骤S5中，将模具加热到的指定温度为410～420℃，将坯料加热到的指定温度为430～450℃，马鞍型横梁构件热挤压预成形件保温时间30～45min。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明的模具凸凹模具有自导向凸台和凹槽导向设计，在无导柱导套导向装置条件下保证模具闭合状态时型面完整无错位；顶杆过渡台阶以及拔模设计，既能增加顶杆同凹模配合强度又能减小挤压飞边便于零件脱模；采用多个上顶杆均匀分布于成形件长度范围内，从而避免成形件成形后局部顶出造成变形；

(2)本发明的模具采用多个上顶杆、顶块以及下顶杆配合顶出方式，且在下模垫板中加工有顶块导向圆柱凸台，可同平台中心单个顶缸压力机完美配合使用成形较长尺寸构件；

(3)本发明的模具保温隔板固定螺栓孔的设计，便于固定保温隔板，减少模具加热过程中热量损失，节约能源。

(4)本发明的模具具有加热管放置孔和测温孔设计，可实现在一般普通压力机上加热管连续控温加热的等温热挤压成形；采用热挤压近净成形方法，成形件强度高，后续只需装配面少量精加工，大大减少了机加加工量提高了生产效率，且材料利用率大幅提高。

附图说明

图1为一种马鞍型横梁构件热挤压成形模具切剖示意图；

图2为上模示意图；

图3为下模示意图；

图4为下模板示意图；

图5为上顶杆示意图；

图6为顶块示意图；

图7为下顶杆示意图；

图8为铝合金马鞍型横梁构件热挤压件示意图；

图9为铝合金马鞍型横梁构件热挤压预成形件示意图；

图10为去除飞边及缺陷后的铝合金马鞍型横梁构件热挤压预成形件意图；

图11为铝合金马鞍型横梁构件热挤压预成形示意图；

图12为铝合金马鞍型横梁构件热挤压成形件出模示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种马鞍型横梁构件热挤压成形模具，包括：上模1、下模2、下模板3、上顶杆4、顶块5、下顶杆6；

所述上模1为方形模具，整体对称；包括用于挤压坯料的凸模11、用于导向定位的第一凸台12；凸模11位于上摸1与下模2接触面的中部且沿对称轴对称，第一凸台12分布在上摸1与下模2接触面的边缘；

所述下模2为方形模具，整体对称；包括凹模型腔21、若干个与相同数量上顶杆4配合的上顶杆配合型腔22、用于导向的第一凹槽23；凹模型腔21位于下模2与上摸1接触面的中部且沿对称轴对称，上顶杆配合型腔22沿纵向分布在凹模型腔21底部平面上，第一凹槽23分布在下模2与上摸1接触面的边缘；

所述下模板3整体对称；包括用于同顶块5配合的顶块型腔31、用于顶块5滑动导向的第二凸台32、用于放置下顶杆6的通孔33；顶块型腔31位于下模板3与下模2接触面的中部且沿对称轴对称，第二凸台32位于顶块型腔31内，通孔33位于顶块型腔31底面中部；

所述上模1通过第一凸台12与第一凹槽23同下模2实现相对位置确定和导向，上顶杆4上端安装在上顶杆配合型腔22内，凹模型腔21和上顶杆4装配组成热挤压成形模腔，上模1与下模2合模后，热挤压成型模腔与第一凸台12共同配合形成与待加工零件外形一致的成形槽；下顶杆6安装在通孔33内，顶块5安装在顶块型腔31内，第二凸台32穿过顶块5上的安装孔，上顶杆4下端与顶块5上表面接触，下顶杆6端面与顶块5下表面接触，下模2安装在下模板3上。

所述上模1还包括用于同压力机上平台连接的第一U型槽13、第一加热管放置孔14、第一测温电偶孔15；第一U型槽13分布在上摸1侧边处，第一加热管放置孔14设有若干个，均匀分布于上模1中部且从上摸1短边侧面沿纵向贯通上摸1，各第一加热管放置孔14之间孔中心距相等；所述第一测温电偶孔15设有若干个，为位于上模1短边一侧两相邻第一加热管放置孔14圆心连线中间位置的圆孔，第一测温电偶孔15方向同第一加热管放置孔14方向一致。

所述凸模11外形同马鞍槽横梁构件内型面缩放后尺寸一致；所述第一凸台12尺寸为长方形凸台，分布于上模1与下模2接触面的四个角处；第一U型槽13尺寸以及相对位置根据所用压力机上平台尺寸确定；所述第一加热管放置孔14数量为3～5个，直径为30～40mm，孔中心距不小于80mm，孔中心距离模具边缘距离不小于60mm；所述第一测温电偶孔15直径为6～10mm，深度为80～120mm。

所述下模2还包括用于同下模板3连接的第二U型槽24、第二加热管放置孔25、第二测温电偶孔26、飞边槽27；第二U型槽24分布在下模2侧边处，第二加热管放置孔25设有若干个，对称分布于上顶杆配合型腔22两侧，为孔中心距相等且方向同下模2长边方向一致的圆形通孔；第二测温电偶孔26设有若干个，位于相邻两个或三个第二加热管放置孔25之间的中心位置，第二测温电偶孔26方向同第一加热管放置孔13方向一致；所述飞边槽27位于凹模型腔21的两侧。

所述第二加热管放置孔25数量为6或8个，直径30～40mm，孔中心距不小于80mm，孔中心距离模具边缘距离不小于60mm；第二测温电偶孔26直径为6～10mm，深度为80～120mm。

所述下模板3还包括用于同下模2连接的T型槽34和用于同压力机下平台连接的固定边35；所述顶块型腔31为位于下模板居中位置的长方形腔体；所述第二凸台32为位于顶块型腔31内在长度方向对称分布的圆形凸台；所述通孔33为位于顶块型腔31内中心的圆形带台阶通孔；T型槽34分布在下模板3与下模2接触面的边缘，固定边35分别位于下模板3平行的两长边侧面。

所述顶块型腔31长度比马鞍型横梁构件长度大50～70mm,宽度比马鞍型横梁构件宽度大20～30mm，高度为100～120mm；所述第二凸台32直径为50～60mm，上表面同下模板3上表面同面；所述中心带台阶通孔33大圆直径比顶块型腔31宽度小5～10mm，小圆直径比大圆直径小10～15mm，大圆孔高度为10～15mm，小圆孔高10～15mm；所述固定边35厚度一般为40～60mm，宽度一般为40～60mm。

所述上顶杆4数量为4～6个，包括带拔模斜度部位41和直杆部位42，带拔模斜度部位41和直杆部位42相连并通过台阶过渡，过渡部位截面尺寸相差6～10mm；所述拔模斜度部位41高度为15～25mm，拔模斜度为3～7°，上表面同马鞍型横梁构件对应部位缩放尺寸一致；所述直杆部位42高度为130～140mm，上顶杆4与下模2配合到位后，上顶杆4的直杆部位42在下模2露出部分长50～60mm。

一种使用所述的模具成形马鞍型横梁构件的方法，包括步骤如下：

S1、根据体积不变原理、热挤压模具尺寸以及工艺余量初步确定坯料尺寸，加工坯料；

S2、将所述模具和坯料分别加热到指定温度并将坯料保温相应的时间，取出坯料，将坯料放入所述模具的下模2内，控制上下模合模，进行马鞍型横梁构件热挤压预成形；

S3、通过压力机的下顶缸推动下顶杆6，下定杆6推动顶块5，顶块5通过推动上顶杆4将步骤S2中获得的预成形件推出；

S4、将马鞍型横梁构件热挤压预成形件进行酸洗，酸洗后去除表面折叠缺陷以及工艺飞边并将非光滑过渡处打磨光滑；

S5、将所述模具和处理后的马鞍型横梁构件热挤压预成形件分别加热到指定温度并将马鞍型横梁构件热挤压预成形件保温相应的时间，进行马鞍型横梁构件热挤压近净成形，取出最终的成形件。

步骤S2中，将模具加热到的指定温度为410～420℃，将坯料加热到的指定温度为430～450℃，坯料的保温时间为45～60min；所述步骤S5中，将模具加热到的指定温度为410～420℃，将坯料加热到的指定温度为430～450℃，马鞍型横梁构件热挤压预成形件保温时间30～45min。

实施例：

铝合金马鞍型横梁构件热挤压成形模具，如图1所示，包括：上模1、下模2、下模板3、上顶杆4、顶块5、下顶杆6、T型螺栓7、吊装吊环8；上顶杆4、顶块5、下顶杆6为出料装置；上模1、下模2、上顶杆4的模具材料为5CrNiMo，下模板3、顶块5、下顶杆6的模具材料为45^#钢，5CrNiMo热处理硬度为HRC45～50，45^#钢热处理硬度为HRC28～32。上模1通过第一凸台12和第一凹槽23同下模2实现相对位置确定和导向；下模2的凹模型腔21和上顶杆4装配组成热挤压成形模腔，热挤压成形模腔同马鞍型横梁构件热挤压件外形一致；下顶杆6放入下模板3后，顶块5放入下模板3，下模2通过T型螺栓7同下模板3连接固定。

上模1如图2所示，设计有凸模11、第一凸台12、第一U型槽13、加热管放置孔14、测温电偶孔15、吊耳螺栓孔16和保温隔板固定螺栓孔17；型面凸模11同马鞍型横梁构件热挤压件缩放后内型面一致；第一凸台12尺寸约为55×55×40mm；加热管放置孔14数量为一般为3～5个，直径30～40mm，相互孔中心距不小于80mm，孔中心距离模具边缘距离不小于60mm，本实施例中直径为40mm，孔中心距为80mm，孔中心据模具边缘距离为60mm；测温电偶孔15一般位于两个加热管放置孔14之间的中心位置，直径一般为6～10mm，深度一般为80～120mm，本实施例中直径为8mm，深度为100mm；吊耳螺栓孔16位于上模1长边侧面的对称分布于两侧4个M24螺栓孔；保温隔板固定螺栓孔17为分布于上模1四周型面的四个角M6或M8标准螺栓孔，数量为16个，深度为10～20mm，本实施例中M8标准螺栓孔，深度为20mm。

下模2如图3所示，设计了凹模型腔21、配合型腔22、第一凹槽23、第二U型槽24、加热管放置孔25、测温电偶孔26、沉头螺栓通孔26、飞边槽27、第二保温隔板固定螺栓孔28和第二吊耳螺栓孔29；凹模型腔21外形及尺寸同同马鞍型横梁构件热挤压件缩放后外型面一致；配合型腔22为均布于配合型腔22长度方向的4个阶梯过渡通透型腔，用于放置上顶杆4；第一凹槽23为与第一凸台12配合加工的凹槽；第二U型槽24为用于同下模板3连接的均布于下模2长度方向两侧的U型通槽；加热管放置孔25对称分布于下模2中上顶杆配合型腔22两侧，为孔中心距相等且方向同下模2长边方向一致的圆形通孔，数量为一般为6或8个，直径30～40mm，孔中心距不小于80mm，孔中心距离模具边缘距离不小于60mm，本实施例中数量为6、直径40mm、孔中心距80mm、孔中心距离模具边缘距离60mm；第二测温电偶孔26位于所述两个或三个第二加热管放置孔25之间的中心位置，圆孔方向同圆孔方向同第一加热管放置孔13方向一致，直径为6～10mm，深度为80～120mm，本实施例中直径为8mm，深度为100mm；所述第二保温隔板固定螺栓孔28分布于下模2四周型面的四个角，为M6或M8标准螺栓孔，数量为16个，深度为10～20mm，本实施例中M8标准螺栓孔，深度为20mm；第二吊耳螺栓孔29设有4个M24螺栓孔，对称分布于于下模2长边所在侧面底部两侧。

下模板3如图4所示，设计有顶块型腔31、第二凸台32、中心带台阶通孔33、T型槽34、固定边35、第三保温隔板固定螺栓孔36和第三吊耳螺栓孔37；顶块型腔31长度比马鞍型横梁构件长度大50～70mm,宽度比马鞍型横梁构件宽度大20～30mm，高度为100～120mm，本实施例中顶块型腔31三维尺寸为650×120×100mm；第二凸台32直径为50～60mm，上表面同下模板3上表面同面，本实施例中直径为50mm；中心带台阶通孔33大圆直径比顶块型腔31宽度小5～10mm，小圆直径比大圆直径小10～15mm，大圆孔高度为10～15mm，小圆孔高10～15mm，本实施例中大圆直径112mm、小圆直径102mm、大圆空高度10mm、小圆孔高10mm；固定边35厚度一般为40～60mm、宽度一般为40～60mm，本实施例中厚度为50mm、宽度为40mm。第三保温隔板固定螺栓孔36分布于下模板3短边侧面的四个角，为M6或M8标准螺栓孔，数量为8个，深度为10～20mm，本实施例中M8标准螺栓孔，深度为20mm；第三吊耳螺栓孔37设有4个M24螺栓孔，对称分布于于下模板3短边侧面底部两侧。

上顶杆4如图5所示，设计为台阶过渡形式，数量为4～6个，本实施例中数量为4个，包括带拔模斜度部位41和直杆部位42，带拔模斜度部位41和直杆部位42为相连台阶过渡，过渡部位截面尺寸相差6～10mm，本实施例中过渡部位截面尺寸相差6mm；拔模斜度部位41高度为15～25mm、拔模斜度为3～7°，上表面同马鞍型横梁构件对应部位缩放尺寸一致，本实施例中高度为20mm、拔模斜度为3°；直杆部位42高度为130～140mm，本实施例中高度为130mm，上顶杆4与下模2配合到位后，上顶杆4的直杆部位42在下模2露出部分长50mm。

顶块5如图6所示，外形为常见的长方体，顶块5上开有圆形通孔51；顶块5的长度和宽度尺寸同下模板3的顶块型腔31长度尺寸和宽度尺寸一致，厚度为50mm；圆形通孔51直径同第二凸台32直径一致，配合加工后顶块5在顶块型腔31中上下运动无卡涩现象。

下顶杆6如图7所示，设计为常见的圆柱台阶过渡形式，配合部位尺寸同下模板3的中心带台阶通孔33一致，配合加工后可放置于中心带台阶通孔33且相对运动无卡涩现象。

一种借助上述一种马鞍型横梁构件热挤压成形模具成形铝合金马鞍型横梁构件的方法，包括步骤如下：

S1、根据原马鞍型横梁构件零件图设计马鞍型横梁构件热挤压件图，热挤压件图如图8所示，在原有马鞍型横梁构件零件图基础上装配位置添加工艺余量，非装配位置在不影响使用前提下更改为适合挤压结构，不利于后续机加装卡位置添加工艺余量，其三维尺寸约为585×90×58mm；

S2、设计马鞍型横梁构件热挤压近净成形模具，热挤压近净成形模具工作型面尺寸按马鞍型横梁构件热挤压件图尺寸放大，放大系数η为5‰～8‰，本实施例中放大系数η为6‰；

S3、根据体积不变原理、热挤压模具尺寸以及工艺余量初步确定坯料尺寸，初步确定坯料尺寸为584×48×28mm；

S4、进行马鞍型横梁构件热挤压近净成形过程有限元分析，并根据分析结果优化模具和坯料尺寸并分别加工，优化后模具如图1所示，优化后坯料尺寸为584×50×30mm；

S5、将模具和坯料分别加热到指定温度并将坯料保温相应的时间，进行马鞍型横梁构件热挤压预成形，模具温度为410～420℃，坯料温度为430～450℃，坯料保温时间45～60min，获得的马鞍型横梁构件热挤压预成形件如图9所示，预成形过程中坯料放置于下模后如图11所示，完成预成形后预成形件顶出如图12所示；模具温度为410～420℃，坯料温度为430～450℃，马鞍型横梁构件热挤压预成形件保温时间30～45min；

S6、将马鞍型横梁构件热挤压预成形件进行酸洗，酸洗后去除表面折叠缺陷以及工艺飞边并将非光滑过渡处打磨光滑，经过处理后的马鞍型横梁构件热挤压预成形件如图10所示；

S7、将模具和处理后的马鞍型横梁构件热挤压预成形件分别加热到指定温度并将马鞍型横梁构件热挤压预成形件保温相应的时间，进行马鞍型横梁构件热挤压近净成形，模具温度为410～420℃，坯料温度为430～450℃，马鞍型横梁构件热挤压预成形件保温时间30～45min，成形过程同预成形类似。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。