一种法兰盘热挤压成形模具及成形方法与流程

本发明属于金属塑性成形技术中的热挤压成形领域，尤其涉及一种法兰盘热挤压成形模具及成形方法。

背景技术：

随着航空航天领域轻量化结构产品的不断推广应用，原先传统的锻造或铸造结合机加工的制造手段越来越无法满足轻量化构件在尺寸精度与力学性能等方面的严苛要求。且传统工艺存在较多的弊端，如产品内部质量差，材料利用率低，整体加工周期长等。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足之处，给出了一种法兰盘热挤压成形模具，同时还给出了一种法兰盘热挤压成形方法。

本发明的技术解决方案是：一种法兰盘热挤压成形模具，包括：

上模，其具有冲头；

下模，其具有型腔；其中，所述上模以可沿竖直方向移动的方式设置在所述下模的上方，在所述上模和所述下模处于闭合状态的情况下，所述上模的冲头和所述下模的型腔彼此配合形成一个用于成形所述法兰盘的模腔；

一对基准槽，位于所述型腔内部，所述一对基准槽相对于所述模腔的纵向对称面对称分布，所述基准槽的上槽口位于所述成形模具的分模面上；

其中，所述成形模具的分模面对应于所述法兰盘的水平上表面。

优选的是，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述基准槽为矩形基准槽，所述矩形基准槽的长度为10～15mm，宽度为5～10mm，深度为12～15mm。

优选的是，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述下模在所述型腔的周围设有飞边槽以及一对钳口，所述一对钳口分别位于所述型腔的两侧，相对于所述模腔的纵向对称面对称分布，所述钳口的一端与所述飞边槽连通，另一端形成在所述下模的外侧端面上。

优选的是，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述一对基准槽以及所述一对钳口均分布在经过所述模腔中心的一条中心线上。

优选的是，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述上模具有第一水平端面，所述下模具有第二水平端面，在所述上模和所述下模处于闭合状态的情况下，所述第一水平端面与所述第二水平端面彼此接触形成所述成形模具的分模面。

优选的是，所述的法兰盘热挤压成形模具，还包括导向机构，所述导向机构包括第一导柱、第二导柱、与所述第一导柱相匹配的且套设于所述第一导柱的第一导套、以及与第二导柱相匹配的且套设于所述第二导柱的第二导套，其中，所述第一导柱设置于所述上模和所述下模中的其中一个，所述第一导套设置于所述上模和所述下模中的另一个，所述第二导柱设置于所述上模和所述下模中的其中一个，所述第二导套设置在所述上模和所述下模中的另一个，所述第一导柱和所述第二导柱的直径不相同，并且在所述上模和所述下模处于闭合状态的情况下所述第一导柱和所述第二导柱之间间隔所述模腔。

优选的是，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述上模和所述下模的内部分别设有多个加热孔，多个电加热棒可插拔地设置于所述多个加热孔内，用于对所述上模和所述下模加热。

一种法兰盘热挤压成形方法，采用所述的成形模具进行法兰盘的热挤压成形，包括以下步骤：

步骤一、分别对坯料和所述成形模具进行预热，所述坯料为中空环形坯料；

步骤二、将所述坯料放置于所述下模的型腔内；

步骤三、利用锻压设备驱动所述上模向下运动，对所述坯料进行热挤压；

步骤四、待所述上模与所述下模彼此接触，所述上模达到所述锻压设备所设定的位置，进行保压；直至所述坯料充满所述模腔并流入所述飞边槽内，将所述锻压设备停止运行；

步骤五、热挤压完成后，将所述上模与所述下模分离，从所述下模上取出法兰盘挤压件。

优选的是，所述的法兰盘热挤压成形方法中，所述步骤一中，所述坯料为铝合金坯料。

优选的是，所述的法兰盘热挤压成形方法中，所述步骤三中，热挤压成形速度为1～5mm/s，热挤压成形温度为350～460℃；所述步骤四中，保压时间为10～90s。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提供的成形模具可以在加工出法兰盘挤压件时，同步加工出后续机械加工所需的基准凸台，便于在后续机械加工中对法兰盘进行基准定位和找正，从而可以有效缩短法兰盘的机加工周期，提高法兰盘的生产效率。

(2)与传统的锻造或铸造加工手段相比，本发明热挤压成形方法能够明显减小加工余量，提高产品内部尺寸精度。另外，本发明还可以改善构件的强度、塑性等力学性能，所成形出的中空结构法兰盘挤压产品经热处理后，力学性能明显提升，平均抗拉强度达430mpa以上，延伸率达13％。此外应用此方法制造加工该法兰盘构件，材料利用率可提升40％，生产制造成本降低35％～45％，有利于实现批量生产。

附图说明

图1(a)为在一个实施例中法兰盘的水平上表面朝下的立体结构示意图；

图1(b)为在一个实施例中法兰盘的水平上表面朝上的立体结构示意图

图2为在一个实施例中上模的立体结构示意图；

图3为在一个实施例中下模的立体结构示意图；

图4为在一个实施例中坯料未放入成形模具的状态示意图；

图5为在一个实施例中坯料放入成形模具后充填模腔的状态示意图；

图6(a)为在一个实施例中第一导柱的结构示意图；

图6(b)为在一个实施例中第一导套的结构示意图；

图6(c)为在一个实施例中第二导柱的结构示意图；

图6(d)为在一个实施例中第二导套的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1(a)、图1(b)至图5所示，本发明提供了一种法兰盘热挤压成形模具，包括：上模8，其具有冲头3；下模10，其具有型腔19；其中，所述上模8以可沿竖直方向移动的方式设置在所述下模10的上方，在所述上模8和所述下模10处于闭合状态的情况下，所述上模的冲头3和所述下模的型腔19彼此配合形成一个用于成形所述法兰盘的模腔；一对基准槽5，位于所述型腔19内部，所述一对基准槽5相对于所述模腔的纵向对称面对称分布，所述基准槽5的上槽口位于所述成形模具的分模面上；其中，所述成形模具的分模面对应于所述法兰盘的水平上表面15。

进行法兰盘的热挤压成形时，上模向下模垂直运动，对预先放置在下模的型腔坯料进行挤压，挤压完成后形成法兰盘9。成形模具的分模面对应于法兰盘9的水平上表面15，可以提高脱模效率，改善脱模效果。

由于一对基准槽5相对于模腔的纵向对称面对称分布，基准槽5的上槽口位于成形模具的分模面上，在基准槽的作用下，会在法兰盘9上形成一对基准凸台2，该对基准凸台2相对于法兰盘9的纵向对称面对称分布，而且基准凸台的一侧端面与法兰盘的水平上表面衔接在一起。上述一对基准凸台2可以作为法兰盘后续机械加工中的定位基准面，从而可以有效缩短法兰盘的机加工周期，提高法兰盘的生产效率。

在一个优选的实施例中，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述基准槽5为矩形基准槽，所述矩形基准槽的长度为10～15mm，宽度为5～10mm，深度为12～15mm。基准槽的尺寸不宜过小，过小则不利用观察，不方便作为后续机械加工的定位基准。

在一个优选的实施例中，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述下模10在所述型腔19的周围设有飞边槽18以及一对钳口6，所述一对钳口6分别位于所述型腔的两侧，相对于所述模腔的纵向对称面对称分布，所述钳口6的一端与所述飞边槽18连通，另一端形成在所述下模10的外侧端面上。

飞边槽可以增加坯料从模腔中流出的阻力，促使坯料充满模腔，同时容纳多余的坯料。

当下模的润滑程度不够，挤压件脱模不顺利的情况下，需要借助钳口和撬具进行脱模。即，人工将一对撬具分别插入至一对钳口内，保证撬具插入到钳口的最内一端，向上撬动挤压件飞边，将挤压件坯料取出。由于钳口的最内一端连通至飞边槽，撬具向上撬动时，只与飞边接触，法兰盘主体部分无破坏性缺陷。

当下模润滑程度较好，挤压件脱模顺利的情况下，则可以不借助撬具进行脱模。即，直接待锻压设备驱动上模向上回程后，利用夹钳工具插入至一对钳口内，夹持挤压件飞边，将挤压件坯料取出，即可以实现脱模。

在一个优选的实施例中，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述一对基准槽5以及所述一对钳口6均分布在经过所述模腔中心的一条中心线上。

一对基准槽分布在经过模腔中心的一条中心线上，即所形成的一对基准凸台分布在经过法兰盘中心的一条中心线上，更有利于在后续机械加工中对法兰盘进行定位和找正。

一对钳口相对于所述模腔的纵向对称面对称分布，分布在经过模腔中心的一条中心线上，即以法兰盘的内圆周而言，一对钳口分布在其直径上。该设计可以保证整个挤压件坯料两侧受到向上的力，有助于提高挤压件脱模的效率。

在一个优选的实施例中，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述上模8具有第一水平端面16，所述下模10具有第二水平端面17，在所述上模和所述下模处于闭合状态的情况下，所述第一水平端面16与所述第二水平端面17彼此接触形成所述成形模具的分模面。

如图6(a)至图6(d)，在一个优选的实施例中，所述的法兰盘热挤压成形模具，还包括导向机构，所述导向机构包括第一导柱11、第二导柱13、与所述第一导柱相匹配的且套设于所述第一导柱的所述第一导套12、以及与第二导柱相匹配的且套设于所述第二导柱的第二导套14，其中，所述第一导柱11设置于所述上模和所述下模中的其中一个，所述第一导套12设置于所述上模和所述下模中的另一个，所述第二导柱13设置于所述上模和所述下模中的其中一个，所述第二导套14设置在所述上模和所述下模中的另一个，所述第一导柱11和所述第二导柱13的直径不相同，并且在所述上模和所述下模处于闭合状态的情况下所述第一导柱和所述第二导柱之间间隔所述模腔。

第一导柱和第二导柱安装在上模时，第一导套和第二导套则相应地安装在下模；相反，第一导柱和第二导柱安装在下模时，则第一导套和第二导套相应地安装在上模。导柱和导套可以限定上模上下运动的路径，保证准确合模。

在该实施例中，第一导柱和第二导柱的直径不相同，并且第一导柱和第二导柱之间间隔模腔(位于对角线的位置)，限定了上模和下模的装配方向，便于模具的快速找正。成形结束后，需要将成形模具分离进行表面清理。清理之后，再将上模和下模组装起来。组装时，可以根据第一导柱和第二导柱快速确定上模和下模的装配方向，避免装配错误带来的加工风险。

第一导柱和第二导柱直径范围为100～110mm。

在一个优选的实施例中，所述的法兰盘热挤压成形模具中，所述上模8和所述下模10的内部分别设有多个加热孔，多个电加热棒可插拔地设置于所述多个加热孔内，用于对所述上模和所述下模加热。上模内设置有上模加热孔4，下模内设置有下模加热孔7，将电加热棒插入上模加热孔和下模加热孔，即可实现对成形模具的加热和保温操作。

如图4和图5，本发明还提供一种法兰盘热挤压成形方法，采用所述的成形模具进行法兰盘的热挤压成形，包括以下步骤：

步骤一、分别对坯料和所述成形模具进行预热，所述坯料为中空环形坯料；

步骤二、将所述坯料放置于所述下模的型腔内；

步骤三、利用锻压设备驱动所述上模向下运动，对所述坯料进行热挤压；

步骤四、待所述上模与所述下模彼此接触，所述上模达到所述锻压设备所设定的位置，进行保压；直至所述坯料充满所述模腔并流入所述飞边槽内，将所述锻压设备停止运行；

步骤五、热挤压完成后，将所述上模与所述下模分离，从所述下模上取出法兰盘挤压件。

上述坯料为经过镦粗和冲孔后制成的中空环形坯料。

步骤四中，可以通过肉眼观察坯料是否流入飞边槽，来确定是否停止锻压设备的运行。也可以通过限位机构对上模的运动行程进行限制，当上模抵达限位机构，即证明坯料已经充满模腔并流入至飞边槽内。

步骤五中，待热挤压完成，使用锻压设备驱动上模向上回程，可以直接利用夹钳工具取出法兰盘挤压件，也可利用撬具从下模型腔中撬出法兰盘挤压件。

在一个优选的实施例中，所述的法兰盘热挤压成形方法中，所述步骤一中，所述坯料为铝合金坯料。

在一个优选的实施例中，所述的法兰盘热挤压成形方法中，所述步骤三中，热挤压成形速度为1～5mm/s，热挤压成形温度为350～460℃；所述步骤四中，保压时间为10～90s。

与传统的锻造或铸造加工手段相比，本发明热挤压成形方法能够明显减小加工余量，提高产品内部尺寸精度。另外，本发明还可以改善构件的强度、塑性等力学性能，所成形出的中空结构法兰盘挤压产品经热处理后，力学性能明显提升，平均抗拉强度达430mpa以上，延伸率达13％。此外应用此方法制造加工该法兰盘构件，材料利用率可提升40％，生产制造成本降低35％～45％，有利于实现批量生产。

实施例1

本发明以法兰盘挤压件为例，其外形结构如图1所示。材料为2a50铝合金。法兰盘大致呈圆环形，外周具有均匀分布的三个支耳1。

如图1至图6(d)所示，本实施例所述的法兰盘热挤压成形模具，包括上模8、下模10、第一导柱11与第二导柱13、第一导套12与第二导套14。其中，所述第一导柱11、第一导套12的尺寸分别为100mm和101mm，所述第二导柱13、第二导套14的尺寸分别为102mm和103mm。

成形模具的分模面为法兰盘9上表面，上模8下表面及下模10上表面为水平面，即为分模面，上模8和下模10平面的对接采用凸凹配合结构形式，下模10上表面设有飞边槽和钳口，下模10的成形模腔设有矩形基准槽5，基准槽5位于与飞边槽、钳口相同中心线上并呈对称分布，基准槽5用于成形出基准凸台，便于法兰盘挤压件后续的夹持和加工定位。基准槽5呈径向对称分布，设计尺寸为10mm*6mm*13mm。

上模1、下模9所选用的材料为低耐热高韧性钢5crmnmo。第一导柱11、第二导柱13、第一导套12和第二导套14所选用的材料为碳素工具钢t7。上模1、下模9、第一导柱11、第二导柱13、第一导套12与第二导套14经过热处理，上下模表面硬度达42-48hrc，导柱导套表面硬度达55-60hrc。

法兰盘热挤压成形方法中，预制坯料预热，预制坯料预热温度为420℃，保温时间为2h；热挤压成形模具预热，预热温度为420℃；到温后将预制坯料放入热挤压模具中，以3mm/s的挤压速度进行挤压变形，模具达到设定位置后，保压30s，上模随上平台回程，取出法兰盘热挤压件，热挤压成形过程结束。

该实施例所成形出的中空结构法兰盘挤压产品经热处理后，力学性能明显提升，抗拉强度达430mpa以上，延伸率达13％，材料利用率提高40％以上。

实施例2：

本发明以法兰盘挤压件为例，其外形结构如图1所示。材料为2a50铝合金。

如图1至图6(d)所示，本实施例所述的法兰盘热挤压成形模具，包括上模8、下模10、第一导柱11与第二导柱13、第一导套12与第二导套14。其中，所述第一导柱11、第一导套12的尺寸分别为101mm和102mm，所述第二导柱13、第二导套14的尺寸分别为103mm和104mm；

成形模具的分模面为法兰盘9上表面，上模8下表面及下模10上表面为水平面，即为分模面，上模8和下模10平面的对接采用凸凹配合结构形式，下模10上表面设有飞边槽和钳口，下模10的成形模腔设有矩形基准槽5，基准槽5位于与飞边槽、钳口相同中心线上并呈对称分布，基准槽5用于成形出基准凸台，便于法兰盘挤压件后续的夹持和加工定位。基准槽5呈径向对称分布，设计尺寸为12mm*8mm*15mm。

上模1、下模9所选用的材料为热作模具钢h13，第一导柱11、第二导柱13、第一导套12和第二导套14所选用的材料为低耐热高韧性钢5crmnmo；上模1、下模9、第一导柱11、第二导柱13、第一导套12与第二导套14经过热处理，上下模表面硬度达45-50hrc，导柱导套表面硬度达44-48hrc。

法兰盘热挤压成形方法中，预制坯料预热，预制坯料预热温度为440℃，保温时间为2h；热挤压成形模具预热，预热温度为440℃；到温后将预制坯料放入热挤压模具中，以1mm/s的挤压速度进行挤压变形，模具达到设定位置后，保压15s，上模随上平台回程，取出法兰盘热挤压件，热挤压成形过程结束。

该实施例所成形出的中空结构法兰盘挤压产品经热处理后，力学性能明显提升，抗拉强度达430mpa以上，延伸率达13％，材料利用率提高40％以上。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。