钛合金热成形模的设计优化

1.设计原则

1）模具外廓尺寸及其安装尺寸应符合热成形机的设备参数。

2）计算压力中心，避免产生侧向力，凸、凹模之间应有可靠灵活的定位装置。

3）凸、凹模之间的间隙应均匀，一般取（料厚+0.2～0.5mm）。

4）采用导向销进行凸、凹模的定位时，销孔应比导向销直径大0.5mm，以免模具热膨胀后将导向销卡死。同时，两销钉位置尽可能地远。

5）高温下钛合金材料很软，贴胎性很好，模具上细小的缺陷很容易反映在零件上，故模具型面质量要求较高，一般表面粗糙度值不大于Ra1.6μm。直径大于ϕ1mm的铸造砂眼均需补焊或铆合（常用不锈钢1Cr18Ni9Ti），且修光。

6）为减少模具重量和加热时间，降低能量消耗，铸件宜制成空心结构。

7）热电偶孔应尽量靠近模具的工作表面，上、下模均要开孔，且至少开一个。

8）由于加热后模具与零件坯料受热膨胀，零件坯料在模具上的定位宜采用单边定位结构。

2.热膨胀差值修正

对于热校形模或热成形兼校形模，其外形尺寸与零件外形完全一致。但是，由于钛合金材料与模具材料在零件成形温度下的热膨胀量存在差异，钛合金材料的热膨胀系数一般比模具材料（钢）小，因此需对模具尺寸进行修正，保证所成形后的零件冷却至室温后符合要求的尺寸。热成形常用材料的线膨胀系数见表9-7。

表9-7 热成形常用材料的线膨胀系数 （单位：10^-6/℃）

因此，在设计模具时，需要计算模具的热膨胀修正量。热膨胀修正量是模具尺寸和零件尺寸的热膨胀差值，可按下式计算ΔL_s=L_cm-L_cj=K_sL_cj

式中 ΔL_s——热膨胀修正量（mm）；

L_cm——模具常温下的名义尺寸（mm）；

L_cj——零件常温下的名义尺寸（mm）；

K_s——热膨胀修正系数。

常用热成形模具材料的热膨胀修正系数（一般取负值），见表9-8。

表9-8 常用热成形模具材料的热膨胀修正系数

3.模具结构要素

钛合金热成形模的结构要素见表9-9。

表9-9 钛合金热成形模的结构要素 （单位：mm）

4.钛合金热成形模的结构

（1）结构形式 钛合金热成形模按加压方式分为垂直热成形结构和侧压热成形结构。

1）垂直热成形结构如图9-13所示。成形时机床垂直向下加压，下模为凸形或凹形，这是大多数弯曲类零件热成形所采用的模具结构。下模为凸形时，生产效率高，清除脏物方便；下模为凹形时，坯料放置及定位方便。(www.xing528.com)

2）侧压热成形结构如图9-14所示。成形时机床水平方向加压，比固定下模低5～10mm的活动侧压块向右开启，向左闭合。这是型材类零件热成形所采用的模具结构。

图9-13 垂直热成形结构

图9-14 垂直热成形结构

（2）模具的定位 为保证模具工作时上、下模位置的准确性，常采用定位销或导向块进行模具定位。常用模具定位元件见表9-10。

表9-10 常用模具定位元件

（3）钛合金零件的预成形 当钛合金零件形状复杂，很难一次成形或坯料不易定位时，需要对零件进行预成形。常用钛合金零件预成形方法见表9-11。

表9-11 常用钛合金零件预成形方法

（4）零件在模具上的定位 在热校形时，对于经过常规方法预成形并修剪到最终尺寸的钛合金零件，要求在模具上准确定位。钛合金零件热校形时的定位方式见表9-12。

表9-12 钛合金零件热校形时在模具上的定位方式 （单位：mm）

（5）钛合金热成形模的典型结构 钛合金热成形模的典型结构见表9-13。

表9-13 钛合金热成形模典型结构

（6）模具材料 高硅球墨铸铁和中硅钼球墨铸铁是热成形性能良好的模具材料，常用于制造钛合金热成形模具。高硅球墨铸铁、中硅钼球墨铸铁在常温和高温下的力学性能见表9-14。

表9-14 高硅球墨铸铁、中硅钼球墨铸铁在常温和高温下的力学性能

作为热成形性能良好的模具材料，高硅球墨铸铁和中硅钼球墨铸铁具有以下优点：

1）热膨胀系数与钛合金TC1相接近。

2）有良好的抗氧化性能和较高的热硬性，其高温抗氧化性能极佳。

3）有良好的铸造性能，钼元素固溶于铁素体内，能起到固溶强化的作用，也能促进石墨球化和细化基体组织，提高材料的高温力学性能。

4）切削性能比耐热钢和不锈钢好。

5）中硅钼球墨铸铁与高硅球墨铸铁相比，具有成本低、加工性能好的特点，在飞机零件的钛合金热成形模具中应用最为广泛。