高颈法兰的液锻成形方法及成形模具、成形装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高颈法兰的液锻成形方法及成形模具、成形装置。液锻成形方法包括以下步骤：步骤一，将金属液注入成形模具的上、下模之间的模腔中；步骤二，上模相对于下模下行而压缩模腔的盘成形部分，且挤压环在凹槽中滑动而压缩模腔的颈成形部分；步骤三，待液锻件冷却后，取出液锻件。本发明中模腔在压缩过程中，除了上模相对于下模下行的盘成形部分主压缩动作外，挤压环会在凹槽中相对于槽壁滑动，实现颈成形部分的附加压缩动作，这实际上是通过挤压环进一步加强了颈成形部分中金属液的受压，使得液锻件的颈部得到与盘部一样的致密度，改善了成形模具在高颈法兰颈部的施压效果。
【专利说明】
高颈法兰的液锻成形方法及成形模具、成形装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种高颈法兰的液锻成形方法及成形模具、成形装置。
【背景技术】
[0002]目前，法兰类零件一般是采用某种成形方法成形，然后对其制件进行机械加工以获得最终产品。普通法兰零件由环形的盘部和其上端同轴设置的颈部组成，其盘部和颈部的高度相近。高颈法兰的颈部高度(即颈部的顶面到盘部的底面之间的距离)远大于盘部高度(即盘部的顶面和底面之间的距离)。在传统工艺中，高颈法兰通常采用热压模锻的方法进行成形，如中国专利文献CN 104785706 A公开的高颈法兰模锻成型加工方法，即将加热后的棒料用自由锻液锤墩粗，再用模锻电液锤进行模锻，但该成形方法在实际使用中存在加工余量大、材料利用率低、工成本高等缺点。
[0003]法兰零件非常适合采用液态模锻的方法成形，液态模锻具有省力节能和材料利用率高的特点，其制件的力学性能可以接近或达到同种合金的锻件水平。法兰类零件的液态模锻工艺是对浇入由凸模和凹模组成的模腔内的液态金属施以较高的机械压力，使其凝固时消除铸造缺陷并产生一定塑性变形，从而获得高质量制件的一种方法。具有省力节能和材料利用率高的特点，其制件的力学性能可以接近或达到同种合金的锻件水平。但是，常用的液态模锻模具只适合普通法兰零件的成形，而对于高颈法兰，特别是薄壁高颈法兰，则容易出现质量问题。在液态模锻过程中，液态金属向固态转变及后面的降温过程中，金属的体积有较大的收缩。因为法兰的颈部高度远大于盘部高度，其颈部高度的收缩量也远大于盘部高度的收缩量，对于普通的液态模锻，具有施压功能的凸模的各部分是同步下行的。这样，凸模对法兰颈部和盘部的施压效果会出现差异，造成法兰颈部的组织和性能低于盘部，引起法兰性能的不均匀。另一方面，目前普通的液态模锻浇注方法的定量精度不高，造成制件的精度降低，影响制件质量。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种加强模具在对高颈法兰的颈部施压效果的高颈法兰的液锻成形方法，同时还提供了一种专用于实施该高颈法兰的液锻成形方法的成形模具和使用该成形模具的成形装置。
[0005]为了实现以上目的，本发明中高颈法兰的液锻成形方法的技术方案如下:
高颈法兰的液锻成形方法，包括以下步骤:
步骤一，将金属液注入成形模具的上、下模之间的模腔中，模腔具有用于成形液锻件的盘部的盘成形部分和用于成形液锻件的颈部的颈成形部分，颈成形部分为处于盘成形部分上方或下方的圆环形的凹槽，凹槽的槽底设有上下滑动装配在凹槽中的挤压环；
步骤二，上模相对于下模下行而压缩模腔的盘成形部分，且挤压环在凹槽中相对于槽壁向槽口方向滑动而压缩模腔的颈成形部分，直至将模腔压缩到与液锻件形状匹配的最终位置，模腔中金属液在压力下发生流动、结晶和凝固收缩成形为液锻件； 步骤三，待模腔中液锻件冷却后，上模相对于下模上行而打开模腔，取出液锻件。
[0006]步骤一中，模腔为上、下模相对闭合后的闭合模腔，且在金属液充满该闭合模腔后，停止金属液的注入。
[0007]步骤二中，上模和挤压环相对于下模移动距离的比值等于液锻件的盘部和颈部的高度之比。
[0008]本发明的成形模具的技术方案如下:
成形模具，包括上下相对的上、下模，上、下模之间具有用于容纳金属液的模腔，模腔具有用于成形液锻件的盘部的盘成形部分和用于成形液锻件的颈部的颈成形部分，盘成形部分为处于上模的底面和下模的顶面之间的环形空腔，颈成形部分为处于上模的底面或下模的顶面上的圆环形的凹槽，凹槽的槽底设有上下滑动装配在凹槽中的挤压环。
[0009]颈成形部分为处于上模的底面上的凹槽，且挤压环的上方顶装有从上模的上方伸出的压杆，压杆的顶端用于连接与上模连接的液压机的活动横梁相对独立设置的液压机构。
[0010]挤压环与凹槽的内圈壁面和外圈壁面中至少一个间隙配合，配合间隙为供颈成形部分中气体排出的排气间隙。
[0011]上模包括用于连接在液压机的活动横梁上的上模座，上模座的下方固定有竖向延伸的环形压头，环形压头内沿上下方向滑动密封装配有下端可从环形压头的下端伸出的型芯，且上模座的处于环形压头的上端口之内的部分挡止在型芯的上方，所述上模的底面为环形压头的下环端面。
[0012]上模座和型芯之间设有用于向下压动型芯的型芯弹簧;下模包括供环形压头的插入的顶部开口的凹模，凹模的底面为用于成形液锻件的盘部背向颈部一端的环端面的平面，凹模的内壁面用于与环形压头的外周面滑动密封配合。
[0013]下模上设有供金属液自模腔下方的熔炉注满闭合后的模腔的模具流道，模具流道连通在模腔的下方，并在上模和/或下模上设有用于在金属液向模腔中注入时打开、在金属液停止向模腔注入时关闭的控制阀。
[0014]本发明的成形装置的技术方案如下:
成形装置，包括熔炉及其上通过输送管连接的成形模具，成形模具的模腔通过输送管连通熔炉的炉腔，成形模具的模腔处于上、下模之间，模腔具有用于成形液锻件的盘部的盘成形部分和用于成形液锻件的颈部的颈成形部分，盘成形部分为处于上模的底面和下模的顶面之间的环形空腔，颈成形部分为处于上模的底面或下模的顶面上的圆环形的凹槽，凹槽的槽底设有上下滑动装配在凹槽中的挤压环。
[0015]本发明中模腔在压缩过程中，除了上模相对于下模下行的盘成形部分主压缩动作夕卜，挤压环会在凹槽中相对于槽壁滑动，实现颈成形部分的附加压缩动作，这实际上是通过挤压环进一步加强了颈成形部分中金属液的受压，使得液锻件的颈部得到与盘部一样的致密度，改善了成形模具在高颈法兰颈部的施压效果，提高了液锻件的成品质量。
[0016]进一步的，金属液是在注满闭合模腔时停止注入的，即通过低压铸造的方式向闭合模腔中注入金属液，再通过液态模锻的方式使金属液在一定压力下发生流动、结晶和凝固收缩成形为液锻件，这样可通过闭合模腔的容积控制金属液的进液量，从而实现定量浇注，无需额外设置定量浇注装置，从而缩短了工艺步骤、简化了成形装置的结构。与开模状态进行定量浇注方法相比，闭模注入可以缩短上模下行时间，对高颈薄壁零件的成形非常有利。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的成形装置的实施例的结构示意图；
图2是图1中液锻件的结构示意图。
[0018]附图中，液锻件1、挤压环2、型芯3、阀杆4、阀杆弹簧5、型芯弹簧6、内压头7、外压头8、压杆9、固定套10、上模座11、铸液12、导管13、凹模底板14、凹模15、水冷套16、下模座17、输送管18、注气管19、金属液20、熔炉21、筒体颈部22、盘部23、横流道a。
【具体实施方式】
[0019]本发明中成形装置的实施例:如图1所示，该成形装置是一种带有内法兰的铝合金高颈法兰零件的成形装置，主要由成形模具和低压浇注系统两部分组成。待制备的液锻件的结构如图2所示，该液锻件由环形的盘部23及其上端同轴设置的筒体颈部22组成。
[0020]成形模具主要由上下相对设置的上模和下模组成，其中上模用于连接在液压机的活动横梁上，下模用于连接在液压机的工作台上，挤压环2通过压杆与液压机构连接，液压机构和活动横梁相对独立设置。通过上模的往复开合及挤压环2的上下移动的方式制备如图2所示的液锻件。
[0021]上模包括用于与液压机的活动横梁连接的上模座11，上模座11的下端通过螺钉连接有用于固定压头的固定套10;通过固定套10上的沉孔和外压头8上的外法兰结构将外压头8轴向顶压固定在上模座11上，用同样方法由外压头8将内压头7固定在上模座11上;外压头8和内压头7合称环形压头，用于对法兰的盘部施压；外压头8和内压头7之间的圆环形凹槽中滑动配合安放有处于槽底的挤压环2，用于对法兰的颈部施压，外压头8与挤压环2之间采用间隙配合，其间隙为排气间隙，可以在闭合模腔注入金属液时只能供气体通过而不会流入金属液。挤压环2上部具有外法兰结构，该外法兰的高度小于外压头8上端沉孔的深度，且两者之间的差值等于挤压环2从闭合位置到最终位置的压下量h2和将液锻件顶出脱模所需的行程(即筒体颈部22的高度)之和。挤压环2的下压量h2(相对于下模)与外压头8的下压量hi(相对于下模)之比等于颈部高度(即盘部底面到颈部顶面的零件总高)与盘部高度(SP盘部的顶面和底面之间的高度)之比。
[0022]型芯3与内压头7内表面滑动密封配合，型芯3具有外法兰结构，该外法兰的高度小于内压头7上端沉孔的深度，且两者之间的差值大于上模自闭合位置到最终位置的移动距离hi。型芯3的上端设有盲孔，盲孔中安装有型芯弹簧6，可以在上模下行到闭合位置时使型芯3压触下模的凹模底板14并产生预压力。上模座11的处于环形压头的上端口以内的部分挡止在型芯3的上方，且型芯弹簧6的上端顶装在上模座11上。
[0023]下模包括用于与液压机的工作台连接的下模座17，下模座17上通过螺钉固定连接有凹模15，凹模15内同轴固定安装有与下模座17触接的凹模底板14，凹模底板14的顶面为用于成形液锻件的盘部底部环端面的平面，凹模14的内壁面和环形压头的外周免上下滑动密封配合。上模下行到闭合位置时，上模部分的外压头8、挤压环2、内压头7和型芯3与下模部分的凹模15、凹模底板14共同围成闭合模腔，该闭合模腔分为两部分，一部分为环形压头的下环端面和凹模底板14的顶面之间的盘成形部分，另一部分为内压头7和外压头8之间的圆环形凹槽和挤压环2围成的颈成形部分。
[0024]凹模15的外周上套装有水冷套11，用于在模具温度过高时通水冷却，导出模具中的热量，使其在较适宜的温度下工作。凹模底板14和型芯3上同样可以设置水冷装置。
[0025]凹模底板14上同轴密封固装有导管13;下模座17的中心设有与导管13内孔相通的模具流道，模具流道下部固定安装有输送管18。模具流道和输送管18均沿凹模的轴向竖直延伸。在凹模底板14的顶面上按辐射状开设有上宽下窄呈梯形截面的横流道a，横流道a的一端可与导管13相通、另一端和模腔相通。导管13上方同轴设置有阀杆4，阀杆4与型芯3中的小孔滑动密封配合，阀杆4上部法兰与型芯3中的小孔上面的沉孔配合，防止阀杆向下滑出，阀杆4的上面顶装有阀杆弹簧5，使阀杆4具有向下的力。阀杆弹簧5、阀杆4与导管13在合模状态下构成控制阀，控制阀为控制金属液单向流动至闭合模腔中的单向阀。阀杆4的下端具有锥销结构，导管13的上端管口具有锥孔结构，锥销与锥孔在插套配合时相互形成锥面配合;注射过程中，金属液的注射压力可以克服阀杆弹簧5的弹力而顶开阀杆4，实现低压浇注;浇注完成后，注射压力撤销，阀杆4在弹簧力的作用下将导管13关闭，实现对闭合模腔的封闭。
[0026]浇注系统处于闭合模腔的下方，浇注系统是一种低压浇注系统，包括熔炉21，熔炉21用于加热和储存金属液20，熔炉21的上盖上密封安装有输送管18，输送管18的下端插入金属液20的下部，输送管18与下模座17上的输液孔、导管13和横流道a依次相通而形成输液通道。熔炉21上还设有注液装置，注液装置包括密封插装在熔炉21的炉盖上的注气管18和压缩空气气源，注气管18的下端管口处于金属液20的液面上方；当注液装置向熔炉的中注入压缩空气时，由空气压力将金属液20通过输液通道注入成形模具的闭合模腔中。
[0027]本发明中高颈法兰的液锻成形方法的实施例:该成形方法是一种铝合金法兰零件的高质量的液态模锻成形方法，主要用于成形如图2所示的带有内外盘部的高颈法兰的液锻件。
[0028]成形方法包括如下步骤:
1)将成形装置的成形模具安装在压力机上；
2)按成分配方对铝合金进行熔炼并置于低压浇注系统的熔炉21中；
3)将上模和下模之间的模腔预热至一定温度；
4)在模腔各表面喷涂润滑涂料；
5)液压机带动上模下行到闭合位置，此时上模和下模闭合而将模腔闭合，如图1中成形模具的右半部分；
6)将压缩空气通入熔炉21中，使炉中金属液20通过输液通道注入闭合模腔中，此时阀杆4会在金属液的压力作用下上行使通道打开，闭合模腔中的气体经上模内的排气间隙排出；
7)闭合模腔充满金属液12后，去除压缩空气，阀杆4在阀杆弹簧5的作用下将导管13关闭，使闭合模腔完全处于封闭状态，导管13及以下输液通道中的金属液回流到熔炉21中；
8)金属液注满闭合模腔一定时间后，上模再次加压下行至最终位置，使金属液在一定压力下发生流动、结晶和凝固成形为液锻件，同时液压机构通过压杆9和挤压环2对其下部环槽中的金属液进行施压，压强大小和压头产生的压强一致； 9)保压结束，上模带动液锻件一起回程，液压机构带动挤压环2向下顶出，使液锻件脱模，而后液压机构回程；
10)重复上述4)?9)，完成下一个零件的成形。
[0029]在后序工艺中，将步骤9)得到的零件进行少量后续切削加工和热处理即得法兰产品。当模具温度太高时，可在水冷套14和凹模底板14和型芯3的水冷装置中通入水对模具进行冷却。
[0030]由于控制阀处于横流道a的入口处，控制阀关闭后，横浇道a中的金属液会滞留其中，凝固后与液锻件连为一体，在步骤9)中与液锻件一同脱模。
[0031]完成步骤9)后，挤压环2处于上模的下部，在重复步骤6)时由金属液的压力使挤压环2复位。
[0032]在上述实施例中，成形方法和成形模具是专用于成形带有内外盘部的高颈法兰零件的，在其他实施例中，该成形方法和成形装置也适用于其他法兰零件及类似形状零件的成形，对应的成形模具的上模和下模需要根据对应成形零件的具体形状适应调整。
[0033]本发明的成形装置的其他实施例:圆环形凹槽也可以设置在下模上，如圆环形凹槽处于凹模的底部时，对应的挤压环也将滑动装配在下模上，这样挤压环将需要通过向上顶起的方式进行颈成形部分的压缩，而且挤压环的驱动方式也可以采用在对应模体上安装的动力装置实现，如在挤压环处于上模时，可在上模的环形压头内自带液压缸来完成挤压环的驱动;在挤压环处于下模时，液压机的下液压缸驱动挤压环升降。与成形模具配套的浇注系统除采用低压浇注系统外，还可以采用定量浇注系统，如在下模的凹模上设置处于侧壁上的斜流道，当然斜流道最好高于铸液的液面高度，这样既可以在模腔闭合后注液;也可以将型芯设置在下模上，在模腔闭合前注液;至于定量浇注系统中具体采用体积定量的方式，还是流量计数的方式，可视具体情况决定。
[0034]本发明的高颈法兰的液锻成形方法的实施例:该成形方法包括如下步骤:步骤一，将金属液注入成形模具的上、下模之间的模腔中，模腔具有用于成形液锻件的盘部的盘成形部分和用于成形液锻件的颈部的颈成形部分，颈成形部分为处于盘成形部分上方或下方的圆环形的凹槽，凹槽的槽底设有上下滑动装配在凹槽中的挤压环；
步骤二，上模相对于下模下行而压缩模腔的盘成形部分，且挤压环在凹槽中相对于槽壁向槽口方向滑动而压缩模腔的颈成形部分，直至将模腔压缩到与液锻件形状匹配的最终位置；
步骤三，待模腔中液锻件冷却后，上模相对于下模上行而打开模腔，取出液锻件。
[0035]另外，在成形模具的配套的浇注系统采用低压浇注系统时，模腔为上、下模相对闭合后的闭合模腔，且在步骤一中，金属液充满该闭合模腔后，停止金属液的注入;而当浇注系统采用定量浇注系统时，模腔的是否闭合与浇注是否启停没有关系，当然要是为了保证模腔在浇注阶段隔绝大气和减少上模下行时间的话，应在模腔闭合状态下进行浇注。为与液锻件的盘部和颈部的收缩量适配，步骤二中，上模和挤压环相对于下模移动距离的比值等于液锻件的盘部高度和液锻件的总高度之比。
【主权项】
1.高颈法兰的液锻成形方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，将金属液注入成形模具的上、下模之间的模腔中，模腔具有用于成形液锻件的盘部的盘成形部分和用于成形液锻件的颈部的颈成形部分，颈成形部分为处于盘成形部分上方或下方的圆环形的凹槽，凹槽的槽底设有上下滑动装配在凹槽中的挤压环； 步骤二，上模相对于下模下行而压缩模腔的盘成形部分，且挤压环在凹槽中相对于槽壁向槽口方向滑动而压缩模腔的颈成形部分，直至将模腔压缩到与液锻件形状匹配的最终位置，模腔中金属液在压力下发生流动、结晶和凝固收缩成形为液锻件； 步骤三，待模腔中液锻件冷却后，上模相对于下模上行而打开模腔，取出液锻件。2.根据权利要求1所述的高颈法兰的液锻成形方法，其特征在于，步骤一中，模腔为上、下模相对闭合后的闭合模腔，且在金属液充满该闭合模腔后，停止金属液的注入。3.根据权利要求1或2所述的高颈法兰的液锻成形方法，其特征在于，步骤二中，上模和挤压环相对于下模移动距离的比值等于液锻件的盘部和颈部的高度之比。4.成形模具，包括上下相对的上、下模，上、下模之间具有用于容纳金属液的模腔，其特征在于，模腔具有用于成形液锻件的盘部的盘成形部分和用于成形液锻件的颈部的颈成形部分，盘成形部分为处于上模的底面和下模的顶面之间的环形空腔，颈成形部分为处于上模的底面或下模的顶面上的圆环形的凹槽，凹槽的槽底设有上下滑动装配在凹槽中的挤压环。5.根据权利要求4所述的成形模具，其特征在于，颈成形部分为处于上模的底面上的凹槽，且挤压环的上方顶装有从上模的上方伸出的压杆，压杆的顶端用于连接与上模连接的液压机的活动横梁相对独立设置的液压机构。6.根据权利要求4或5所述的成形模具，其特征在于，挤压环与凹槽的内圈壁面和外圈壁面中至少一个间隙配合，配合间隙为供颈成形部分中气体排出的排气间隙。7.根据权利要求4或5所述的成形模具，其特征在于，上模包括用于连接在液压机的活动横梁上的上模座，上模座的下方固定有竖向延伸的环形压头，环形压头内沿上下方向滑动密封装配有下端可从环形压头的下端伸出的型芯，且上模座的处于环形压头的上端口之内的部分挡止在型芯的上方，所述上模的底面为环形压头的下环端面。8.根据权利要求7所述的成形模具，其特征在于，上模座和型芯之间设有用于向下压动型芯的型芯弹簧;下模包括供环形压头的插入的顶部开口的凹模，凹模的底面为用于成形液锻件的盘部背向颈部一端的环端面的平面，凹模的内壁面用于与环形压头的外周面滑动密封配合。9.根据权利要求4或5所述的成形模具，其特征在于，下模上设有供金属液自模腔下方的熔炉注满闭合后的模腔的模具流道，模具流道连通在模腔的下方，并在上模和/或下模上设有用于在金属液向模腔中注入时打开、在金属液停止向模腔注入时关闭的控制阀。10.成形装置，包括熔炉及其上通过输送管连接的成形模具，成形模具的模腔通过输送管连通熔炉的炉腔，成形模具的模腔处于上、下模之间，其特征在于，模腔具有用于成形液锻件的盘部的盘成形部分和用于成形液锻件的颈部的颈成形部分，盘成形部分为处于上模的底面和下模的顶面之间的环形空腔，颈成形部分为处于上模的底面或下模的顶面上的圆环形的凹槽，凹槽的槽底设有上下滑动装配在凹槽中的挤压环。
【文档编号】B22D18/02GK105834398SQ201610325055
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】杨茜, 杨永顺, 虞跨海
【申请人】河南科技大学