CN103658476A - 一种异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法，包括：1）获取锻件零件图，包含形状和尺寸、2）根据锻件形状和尺寸，采用模拟模锻过程优化锻坯形状，并结合体积不变原理计算锻坯的尺寸值、3）根据锻件和锻坯设计组合模、4）模锻，这样几个步骤。本发明通过预制锻坯和制作组合模具进行一次性模锻，成形效果好，锻透性好，锻件流线完整。

Description

一种异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法

技术领域

本发明属于锻造技术领域，主要是关于带有异形端面、同时在外圆有凸台的厚壁空心锻件的整体近终成形锻造方法。

背景技术

生产中将两端带有空间曲面，且外圆带有凸台的厚壁空心锻件，往往按最大轮廓在两端面和外圆增加工艺余块后将其作为厚壁筒体锻件进行锻造。厚壁筒体锻件在传统的自由锻造生产中一般采用的工艺路线是：镦粗、冲孔、芯棒拔长（马杠扩孔）。由于锻件的壁厚和长度尺寸大幅增加，对锻造操作和锻件质量的影响很大，尤其是壁厚的增加对于锻件机械性能影响最大。由于壁厚的大幅增加，锻件的锻透性差，同时端部在芯棒拔长过程中拉应力的提高使得端面开裂倾向增大，这对于使用性能和安全等级要求高的Ⅲ类压力容器锻件，是很难满足UT探伤、T/4取样性能以及冲击性能要求，在生产中返修率和报废率都很高(一次合格率仅为60%左右)。为彻底改变这种高消耗，低产出的状况，急需开发用于带有异形端面、同时在外圆有凸台的厚壁空心锻件的整体近终成形锻造工艺技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法。利用空心锻坯，在成形模具中采用逐步渐次模锻成形的工艺方法，以小成形力模锻出外形饱满，应力、应变状态分布良好、内部质量优异的复杂结构厚壁空心锻件。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法，包括如下步骤：

1）获取锻件零件图，包含形状和尺寸；

2）根据锻件形状和尺寸，采用模拟模锻过程优化锻坯形状，并结合体积不变原理计算锻坯的尺寸值；

3）根据锻件和锻坯设计组合模，包括上环体、成形模、芯模、异形端面环体、下环体；

4）模锻。

其中，模锻具体包括如下步骤：

①将锻坯在加热炉内加热至材料的始锻温度、保温一定时间后，出炉吊入所述的组合模中；

②组合模置于压力机工作台上，组合模组装关系为：异形端面环***于最底，外部套设成形模，芯部穿设芯模，异形端面环体之上的成形模与芯模之间部位夹设锻坯，锻坯之上压设上环体；

③用压力机活动横梁对上环体施加压力，直至上环体上端面与成形模及芯模的上端面平齐后停止压下；

④将模具组件和锻件一起起吊，将下环体垫在异形端面环体下面，活动横梁再次压下，观察下环体完全压入成形模后，模锻成形结束，脱模获得成品锻件。

所述锻件可以划分为如下部分：

1）直段台阶部，包含特征尺寸：内径D₃，外径D₂，直段台阶长度L₇；

2）一侧的锥形台阶部，紧接于直段台阶部之后，包含特征尺寸：大端外缘D₁，小端外缘D₂，锥形张角θ₂，锥形台阶长度L₈，锥形小端距离直段台阶部端面L₇；

3）与锥形台阶部同侧的中间直段台阶部，紧接于锥形台阶部之后，包含特征尺寸：最大外缘D₁，长度为：L₀-（L₁+L₈+L₇），其中L₁为马鞍形环带轴向长度；

4）与锥形台阶部和中间直段台阶部相对侧的外圆凸台部，包含特征尺寸：凸台长L₃，凸台宽L₅，凸台外缘距中心线距离L₆，凸台近端距直段台阶部11外端面为L₄。

5）马鞍形环带部，紧接于中间直段台阶部之后，包含特征尺寸：环带外缘D₀，环带外端是以半径为R₀的圆弧构成的马鞍形曲面，环带内侧是以半径为R₁的圆弧构成的马鞍形曲面，两段圆弧的圆心都位于锻件轴线上，环带轴向长度为L₁，环带内侧与中间直段台阶部交线倒圆角；

6）芯部，自直段台阶部开始，先是一段等径段，长度L₂、内径D₃；然后是接续性锥形变径段，变径张角为θ₁；锥形变径延伸至与半径R₀的马鞍形曲面相交为止，其交线位置倒圆角。

对应于所述锻件，锻坯设计的具体方法是：

首先根据锻件的零件图，利用三维造型软件造型后测得锻件体积V₀，锻坯的体积V选取为K V₀(K=1.05～1.1)；同时设计锻坯为筒形结构，尺寸如下：

D₄=D₁+△t

T₀=D₁-D₃+30mm

$L_9=\frac{1.1V}{0.785\[D_4^2-{(D_4-{2T}_0)}^2\]}$

其中D₄为锻坯的外径，T₀为锻坯的壁厚，L₉为锻坯长度，△t锻造余量，取值为20～30mm，折合为单侧壁厚余量为10～15mm。

对应于所述锻件和锻坯，模具各部分结构尺寸如下：

对于上环体，有：

外径D₅=D₁+△t-10

内径D₆=D₄+10mm=D₁+△t+10mm

内径张角θ₃=θ₂

总长L₁₀=L₇+L₈+5△t

台阶高L₁₁=L₁₀-L₄-△t

台阶宽L₁₂=L₅+△t

台阶外侧面距中心线距离L₁₃=L₆+△t

对于成形模，有：

内小径D₇=D₁+△t

内大径D₈=D₀+△t

总长L₁₄=L₀+10△t

内大径长L₁₅=R₀-R₁+5△t

台阶部高L₁₆=L₃+L₄+6△t

台阶部宽L₁₇=L₁₂+10mm=L₅+△t+10mm

台阶部外侧距中心线距离L₁₈=L₁₃+5mm=L₆+△t+5mm

内圆弧半径R₂=R₁-△t

对于芯模，有：

小端外径D₉=D₃-△t

大端外径D₁₀=D₉+2（L₁₉-L₂₀-L₂₁）*cos（θ₄/2）

总长L₁₉=L₁₄=L₀+10△t

大端长L₂₀=L₁₄-L₀-5△t=5△t

小端长L₂₁=L₂+5△t

大小端之间的锥形过渡张角θ₄=θ₁

对于异形端面环体，有：

内径D₁₁=D₁₀+10mm=D₃-△t+10mm

外径D₁₂=D₈-10mm=D₀+△t-10mm

高L₂₂=L₁+5△t

对于下环体，有：

内径D₁₃=D₁₁+20mm=D₃-△t+30mm

外径D₁₄=D₁₂-20mm=D₈-30mm

高L₂₃=5△t

本发明由于采取以上技术方案而具有以下优点：1.本发明通过预制锻坯，和制作组合模具，进行一次性模锻成形，操作过程简便易行，成形质量稳定；2.成形效果好，减少切削加工量，节省金属材料；3.锻透性好，锻件流线完整，可以提高锻件的性能等级（机械和理化性能）；4.制造周期缩短，一次成形，无需多道工序；5.模具结构简单，成品合格率高，锻件制造成本低。

附图说明

图1-1是锻件的主剖视图；

图1-2是图1-1的轴心剖视图；

图1-3是图1-1中沿A向的视图；

图2是锻坯图；

图3是锻前模具与锻坯组合关系图；

图4是锻后模具与成型件组合关系图；

图5-1是模具中上环体的主剖视图；

图5-2是模具中上环体的仰视图；

图5-3是图5-1中的A向视图；

图6-1模具中成形模的主剖视图；

图6-2是模具中成形模的俯视图；

图7是模具中芯模的主视图；

图8是模具中异形端面环体的主剖视图。

具体实施方式

本发明通过以下工艺步骤得以成形异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件：

1）首先通过图纸获得锻件的具体结构尺寸，如图1-1、1-2、1-3所示，锻件按外形可以分为几部分：

直段台阶部11，包含特征尺寸：内径D₃，外径D₂，直段台阶长度L₇

一侧的锥形台阶部12，紧接于直段台阶部11之后，包含特征尺寸：大端外缘D₁，小端外缘D₂，锥形张角θ₂，锥形台阶长度L₈，锥形小端距离直段台阶部端面L₇。

与锥形台阶部12同侧的中间直段台阶部13，紧接于锥形台阶部12之后，包含特征尺寸：最大外缘D₁，长度为：L₀-（L₁+L₈+L₇），其中L₁为马鞍形环带轴向长度，见下文关于马鞍形环带部15的介绍。

与锥形台阶部12和中间直段台阶部13相对侧的外圆凸台部14，包含特征尺寸：凸台长L₃，凸台宽L₅，凸台外缘距中心线距离L₆，凸台近端距直段台阶部11外端面为L₄。

马鞍形环带部15，紧接于中间直段台阶部13之后，包含特征尺寸：环带外缘D₀，环带外端是以半径为R₀的圆弧构成的马鞍形曲面，环带内侧是以半径为R₁的圆弧构成的马鞍形曲面，环带轴向长度为L₁，环带内侧与中间直段台阶部13交线倒圆角R₄。

整个锻件的芯部16，自直段台阶部11开始，先是一段等径段，长度L₂、内径D₃；然后是接续性锥形变径段，变径张角为θ₁；锥形变径延伸至与R₀半径的圆弧构成的马鞍形曲面相交为止，其交线位置倒圆角R₃。

2）根据数值模拟模锻过程中的金属流动状态，优化选择预制锻坯形状，结合体积不变原理计算获得锻坯的尺寸值，具体方法是：

首先根据锻件的零件图，利用三维造型软件造型后测得锻件体积为V₀，为了保证模锻件的充型饱满，锻件需要有模锻飞边的产生，这样预制锻坯的体积V选取为K V₀(K=1.05～1.1)；同时结合模具结构设计及模锻工艺，设计预制锻坯为筒形结构，如图2，外形尺寸如下：

D₄=D₁+△t

T₀=D₁-D₃+30mm

$L_9=\frac{1.1V}{0.785\[D_4^2-{(D_4-{2T}_0)}^2\]}$

其中D₄为锻坯的外径，T₀为锻坯的壁厚，L₉为锻坯长度，△t锻造余量，取值为20～30mm，折合为单侧壁厚余量为10～15mm。

3）根据上述锻件和锻坯形状、尺寸，设计模锻模具，模具组合结构如图3、4所示，其中图3为始锻状态，图4为终锻状态。

对应于锻件的几个特征部分，本发明采用局部渐次模锻的方式，模具由上环体1、成形模3、芯模4、异形端面环体5、下环体6组成组合模具。预制锻坯2放置在由这些件组成的组合模具中。

各部分模具结构尺寸如下：

上环体1，见图5-1、5-2、5-3，对应于锻件的直段台阶部11和锥形台阶部12，有：

D₅=D₁+△t-10

D₆=D₄+10mm=D₁+△t+10mm

L₁₀=L₇+L₈+5△t

L₁₁=L₁₀-L₄-△t

L₁₂=L₅+△t

L₁₃=L₆+△t

θ₃=θ₂

对于成形模3，见图6-1、6-2，对应于锻件的各部分外形，有：

D₇=D₁+△t

D₈=D₀+△t

L₁₄=L₀+10△t

L₁₅=R₀-R₁+5△t

L₁₆=L₃+L₄+6△t

L₁₇=L₁₂+10mm=L₅+△t+10mm

L₁₈=L₁₃+5mm=L₆+△t+5mm

R₂=R₁-△t

对于芯模4，见图7，对应于锻件芯部：

D₉=D₃-△t

D₁₀=D₉+2（L₁₉-L₂₀-L₂₁）*cos（θ₄/2）

L₁₉=L₁₄=L₀+10△t

L₂₀=L₁₄-L₀-5△t=5△t

L₂₁=L₂+5△t

θ₄=θ₁

对于异形端面环体5，见图8，对应于马鞍形环带部15，有：

D₁₁=D₁₀+10mm=D₃-△t+10mm

D₁₂=D₈-10mm=D₀+△t-10mm

L₂₂=L₁+5△t

对于下环体6，见图4，衔接于模具的最底部：

D₁₃=D₁₁+20mm=D₃-△t+30mm

D₁₄=D₁₂-20mm=D₈-30mm

L₂₃=5△t

4）将按上述设计的锻坯和模具准备好后，进行模锻，过程为：

①将锻坯2在加热炉内加热至材料的始锻温度、保温一定时间后，出炉吊入组合模中如图3所示。

②将锻坯和模具按图3所示组装在压力机工作台上，组装关系为：异形端面环体5外套设成形模3，异形端面环体5里穿设芯模4，在异形端面环体5之上的成形模3与芯模4之间夹设锻坯2，锻坯2之上压设上环体1。

③用压力机活动横梁对上环体1施加压力，直至上环体1上端面与成形模3及芯模4的上端面平齐后停止压下。

④将模具组件和锻件一起起吊，将下环体6垫在异形端面环体5下面，活动横梁再次压下，观察下环体6完全压入成形模3后，模锻成形结束，脱模获得成品锻件。

Claims (5)

1.一种异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法，包括如下步骤： 

1）获取锻件零件图，包含形状和尺寸； 

2）根据锻件形状和尺寸，采用模拟模锻过程优化锻坯形状，并结合体积不变原理计算锻坯的尺寸值； 

3）根据锻件和锻坯设计组合模，包括上环体、成形模、芯模、异形端面环体、下环体； 

4）模锻。 

2.根据权利要求1所述异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法，其特征在于，模锻包括如下步骤： 

①将锻坯在加热炉内加热至材料的始锻温度、保温一定时间后，出炉吊入所述的组合模中； 

②组合模置于压力机工作台上，组合模组装关系为：异形端面环***于最底，外部套设成形模，芯部穿设芯模，异形端面环体之上的成形模与芯模之间部位夹设锻坯，锻坯之上压设上环体； 

③用压力机活动横梁对上环体施加压力，直至上环体上端面与成形模及芯模的上端面平齐后停止压下； 

④将模具组件和锻件一起起吊，将下环体垫在异形端面环体下面，活动横梁再次压下，观察下环体完全压入成形模后，模锻成形结束，脱模获得成品锻件。 

3.根据权利要求1或2所述的异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法，其特征在于，所述锻件包括： 

1）直段台阶部，包含特征尺寸：内径D₃，外径D₂，直段台阶长度L₇； 

2）一侧的锥形台阶部，紧接于直段台阶部之后，包含特征尺寸：大端外缘D₁，小端外缘D₂，锥形张角θ₂，锥形台阶长度L₈，锥形小端距离直段台阶部端面L₇； 

3）与锥形台阶部同侧的中间直段台阶部，紧接于锥形台阶部之后，包含特征尺寸：最大外缘D₁，长度为：L₀-（L₁+L₈+L₇），其中L₁为马鞍形环带轴向长度； 

4）与锥形台阶部和中间直段台阶部相对侧的外圆凸台部，包含特征尺寸：凸台长L₃，凸台宽L₅，凸台外缘距中心线距离L₆，凸台近端距直段台阶部11外端面为L₄。 

5）马鞍形环带部，紧接于中间直段台阶部之后，包含特征尺寸：环带外缘D₀，环带外端是以半径为R₀的圆弧构成的马鞍形曲面，环带内侧是以半径为R₁的圆弧构成的马鞍形曲面，两段圆弧的圆心都位于锻件轴线上，环带轴向长度为L₁，环带内侧与中间直段台阶部交线倒圆角； 

6）芯部，自直段台阶部开始，先是一段等径段，长度L₂、内径D₃；然后是接续性锥形变径段，变径张角为θ₁；锥形变径延伸至与半径R₀的马鞍形曲面相交为止，其交线位置倒圆角。 

4.根据权利要求3所述的异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法，其特征在于，对应于所述锻件，所述锻坯设计的具体方法是： 

首先根据锻件的零件图，利用三维造型软件造型后测得锻件体积V₀，锻坯的体积V选取为K V₀(K=1.05～1.1)；同时设计锻坯为筒形结构，尺寸如下： 

D₄=D₁+△t 

T₀=D₁-D₃+30mm 

其中D₄为锻坯的外径，T₀为锻坯的壁厚，L₉为锻坯长度，△t锻造余量，取值为20～30mm，折合为单侧壁厚余量为10～15mm。 

5.根据权利要求3或4所述的异形端面外圆带凸台的厚壁空心锻件整体成形方法，其特征在于，对应于所述锻件和锻坯，模具各部分结构尺寸如下： 

对于上环体，有： 

外径D₅=D₁+△t-10 

内径D₆=D₄+10mm=D₁+△t+10mm 

内径张角θ₃=θ₂

总长L₁₀=L₇+L₈+5△t 

台阶高L₁₁=L₁₀-L₄-△t 

台阶宽L₁₂=L₅+△t 

台阶外侧面距中心线距离L₁₃=L₆+△t 

对于成形模，有： 

内小径D₇=D₁+△t 

内大径D₈=D₀+△t 

总长L₁₄=L₀+10△t 

内大径长L₁₅=R₀-R₁+5△t 

台阶部高L₁₆=L₃+L₄+6△t 

台阶部宽L₁₇=L₁₂+10mm=L₅+△t+10mm 

台阶部外侧距中心线距离L₁₈=L₁₃+5mm=L₆+△t+5mm 

内圆弧半径R₂=R₁-△t 

对于芯模，有： 

小端外径D₉=D₃-△t 

大端外径D₁₀=D₉+2（L₁₉-L₂₀-L₂₁）*cos（θ₄/2） 

总长L₁₉=L₁₄=L₀+10△t 

大端长L₂₀=L₁₄-L₀-5△t=5△t 

小端长L₂₁=L₂+5△t 

大小端之间的锥形过渡张角θ₄=θ₁

对于异形端面环体，有： 

内径D₁₁=D₁₀+10mm=D₃-△t+10mm 

外径D₁₂=D₈-10mm=D₀+△t-10mm 

高L₂₂=L₁+5△t 

对于下环体，有： 

内径D₁₃=D₁₁+20mm=D₃-△t+30mm 

外径D₁₄=D₁₂-20mm=D₈-30mm 

高L₂₃=5△t 。

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