CN110270619A - 一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置 - Google Patents

Abstract

一种大型环件超高压胀缩强化装置，属于环状工件液压胀缩复合强化技术领域，解决大型厚壁筒件采用胀形或扩孔工艺加载路径单一、冷变形量有限的技术问题，解决方案为：本装置包括减立柱、筒腔模具、缩径模具与胀形模具，减立柱安装于工作台的上方，胀形下冲头活套在减立柱的下部，缩径下冲头活套在胀形下冲头和减立柱下端部的外部，缩径上冲头活套在减立柱的上部并与缩径下冲头相对设置，胀形上冲头活套在缩径上冲头的外部并与胀形下冲头相对设置；超高压液体胀形通道入口与超高压液体缩径通道通过管道分别与超高压液体控制泵站连通。本发明能够成形出较大尺寸的护环件，使护环产生较高的累积塑性应变，同时强度提高170%以上。

Description

一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置

技术领域

本发明属于环状工件液压胀形缩径复合技术领域，具体涉及的是一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置。

背景技术

护环工况环境特殊、服役条件严刻，这就为护环的服役寿命、安全可靠性以及制造的技术经济指标提出了更高的要求，对材料品质、工艺技术、技术成本提出了更高的目标。当前国内外对变形强化这个重要环节依然沿用传统液压胀形和机械扩孔的强化工艺使材料强度大幅度提高。然而上述强化工艺，存在加载路径单一、变形不均匀、材料屈强比趋近于1等缺陷，另外，因为单一拉应力的作用会使材料内部微缺陷扩展甚至报废，而采用胀缩复合工艺对护环冷变形强化时，突破了传统单向拉应力强化机理，强化过程增加了压缩成形，使环坯进行缩径和胀形反复变形，增大了累积塑性应变，充分挖掘了材料冷变形强化潜能，有效地提高了护环强化效率。

目前，针对环状工件胀形和缩径装置较多。胀形装置方面，1981年第九届国际锻造会议（May 1981. Düsseldorf）公布了一种“发电机护环液压胀形冷变形强化的新工艺”（转载“大型铸锻件”82年增刊2），首次提出采用“减压法”液压扩胀护环的方法与装置。由于该方法增设了省力导柱，较全液压法所需压机的吨位小。ZL200620128035.4公开了“采用超高压***液压胀形大型护环的省力装置”这种“超高压***液压胀形大型护环的装置”只用锻造压机压在上冲头上构成封闭形腔，然后向其中注入超高压液体实现胀形工艺。CN1015328B公开了“外补液式护环液压胀形强化装置”，这种“外补液法”制造了一个专用护环压机框架，并设置两个加压***和专用密封，利用吨位较大的专用压机生产大规格护环。CN1022386C公开了“环状工件的液压胀形装置”。该装置采用“内增压法”，其特点是不用专用压机和超高压泵，只用锻造水压机和普通高压泵（25～35MPa），水压机加压密封使锥形上冲头、下冲头与环坯构成密闭型腔，然后由护环内的增压器增压为超高压水并使护环胀形强化。而针对环状工件缩径所发明的设备装置更是层出不穷。例如在挤压缩径工艺方面，CN201389572公开了“圆管冷挤压缩径装置”，该装置包括工作台、油缸、模具，所述模具与油缸同轴线地分别固定连接在工作台的上、下平面，模具包括模瓣、 模套及法兰，该装置适用于圆管端头或圆管中段的冷挤压缩径。针对粘性介质与固体颗粒物质外压缩径工艺，CN102554023A公开了“一种管材局部缩径的方法”，它是将待成形管材内部装入芯杆，该芯杆沿轴向或径向分成多瓣，将上述装配好芯杆的管材放入固定模块的成形孔中，向由固定模块、压头所构成的料腔中装入固体颗粒介质，管材两端施加合适轴向力，同时压头下压，压缩固体颗粒介质，使管材实现径向变形，管材逐渐缩径并向芯杆贴拢，直至管材与芯杆紧密贴合后成形结束；压头回程，将成形后的工件从固定模块的成形孔中抽出，然后从管材两端分别取出芯杆，得到加工好的管材。在电磁缩径方面，CN105013960A公开了“基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法”，该装置和方法采用电磁缩径技术对管材进行缩径成形。而在旋压缩径方面，CN102601199A公开了“一种固定芯模式薄壁管精密旋压缩径装置”，该装置是一种固定芯模式薄壁管精密旋压缩径新装置，包括定位夹紧部分、管坯、旋压缩径成形及芯模整形部分，它可装在普通车床或专用旋压机完成薄壁管精密旋压缩径成形，主要适于中小批量生产的场合。

然而，上述这些胀形和缩径装置只能完成单一路径冷变形强化工艺，而单一路径下护环冷变形极限变形量较小，无法充分被强化，而采用胀缩复合变形工艺，突破了传统单向拉应力强化机理，强化过程增加了压缩成形，使环坯受压应力作用材料发生加工硬化而提高强度，相当于提高材料的初始强度，减少拉应力的变形量而达到护环要求的强度。因此需要一种大型环件超高压胀缩强化装置来实现护环毛坯液压胀缩复合强化工艺，体现护环反复变形的应变叠加强化效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，解决现有技术中大型厚壁筒件采用胀形或扩孔工艺单一变形路径强化效果有限的技术问题，实现以液压为外载荷对大型厚壁环件均匀胀缩变形的目的，本发明提供一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置，它包括减立柱、筒腔模具、缩径模具与胀形模具，所述缩径模具包括缩径上冲头和缩径下冲头，所述胀形模具包括胀形上冲头和胀形下冲头；

所述减立柱竖直向上安装于工作台的上方，胀形下冲头活套在减立柱的下部，缩径下冲头活套在胀形下冲头和减立柱下端部的外部，缩径下冲头沿胀形下冲头的内侧壁上下滑动，胀形下冲头内侧壁的上部设置有用于限制缩径下冲头滑动的限位块，筒腔模具活套在胀形下冲头的外部，环形坯料的初始位置设置于缩径上冲头和缩径下冲头之间，并且环形坯料的轴线方向与减立柱的轴线方向同轴；所述缩径上冲头活套在减立柱的上部并与缩径下冲头相对设置，所述胀形上冲头活套在缩径上冲头的外部并与胀形下冲头相对设置；环形坯料的内壁、减立柱的外壁和胀形上冲头、胀形下冲头之间形成用于环形坯料胀形的胀形环形空腔，环形坯料的外壁、筒腔模具的内壁和缩径上冲头、缩径下冲头之间形成用于环形坯料缩径的缩径环形空腔；

所述减立柱的下部设置有超高压液体胀形通道，超高压液体胀形通道的下端部设置有堵头，由外之内依次贯穿筒腔模具、缩径下冲头和减立柱的根部设置有超高压液体胀形通道入口，减立柱的中部设置有超高压液体胀形通道出口，超高压液体胀形通道出口与所述胀形环形空腔连通，超高压液体胀形通道入口、超高压液体胀形通道和超高压液体胀形通道出口按照超高压液体流动方向依次连通；筒腔模具侧壁的中部设置有超高压液体缩径通道，超高压液体缩径通道与所述缩径环形空腔连通，超高压液体胀形通道入口与超高压液体缩径通道通过管道分别与超高压液体控制泵站连通。

进一步地，所述减立柱的上部与胀形上冲头的接触面之间、胀形上冲头与缩径上冲头的接触面之间、缩径上冲头与筒腔模具的内侧壁之间分别设置有第一密封圈；所述减立柱的下部以及胀形下冲头的外侧壁与缩径下冲头的内壁之间分别设置有第二密封圈，缩径下冲头的外侧壁与筒腔模具的内侧壁之间亦设置有第二密封圈。

进一步地，环形坯料胀形过程中，所述胀形上冲头的上方设置有压块，压机上横梁设置于压块的上方，压机上横梁通过压块驱动胀形上冲头向下运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种大型环件超高压胀缩强化装置：

1、能够在毛坯的外表面和内表面依次施加足够大的载荷，可以使护环发生缩径变形和胀形变形，成形出较大尺寸的零件，同时能够起到冷变形强化作用。

2、由于液体所施加的外力是均匀的，所以可以很好得适应由于毛坯缩径和胀形而产生的几何形状变化，便于成形压力的加载与控制。并且因为采用了缩径和胀形复合成形，解决了传统冷变形强化变形路径单一、变形量有限的技术问题，能够使护环材料得到充分的冷变形强化，从而获得很高的强度。

附图说明

图1为本发明液压缩径步骤时整体结构剖视示意图；

图2为本发明液压胀形步骤时整体结构剖视示意图。

图中，1为液压机横梁，2为胀形上冲头，3为缩径上冲头，4为套筒模具，5为超高压液体缩径通道，6为缩径下冲头，7为超高压液体控制泵站，8为压块，9为密封圈，10为环形坯料，11为高压液体，12为减立柱，13为胀形下冲头，14为超高压液体胀形通道，15为堵头，16为工作台；图中K表示施加压力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置，它包括减立柱12、筒腔模具4、缩径模具与胀形模具，所述缩径模具包括缩径上冲头3和缩径下冲头6，所述胀形模具包括胀形上冲头2和胀形下冲头13；

所述减立柱12竖直向上安装于工作台16的上方，胀形下冲头13活套在减立柱12的下部，缩径下冲头6活套在胀形下冲头13和减立柱12下端部的外部，缩径下冲头6沿胀形下冲头13的内侧壁上下滑动，胀形下冲头13内侧壁的上部设置有用于限制缩径下冲头6滑动的限位块，筒腔模具4活套在胀形下冲头13的外部，环形坯料10的初始位置设置于缩径上冲头3和缩径下冲头6之间，并且环形坯料10的轴线方向与减立柱12的轴线方向同轴；所述缩径上冲头3活套在减立柱12的上部并与缩径下冲头6相对设置，所述胀形上冲头2活套在缩径上冲头3的外部并与胀形下冲头13相对设置；环形坯料10的内壁、减立柱12的外壁和胀形上冲头2、胀形下冲头13之间形成用于环形坯料10胀形的胀形环形空腔，环形坯料10的外壁、筒腔模具4的内壁和缩径上冲头3、缩径下冲头6之间形成用于环形坯料10缩径的缩径环形空腔；

所述减立柱16的下部设置有超高压液体胀形通道14，超高压液体胀形通道14的下端部设置有堵头15，由外之内依次贯穿筒腔模具4、缩径下冲头6和减立柱16的根部设置有超高压液体胀形通道入口，减立柱16的中部设置有超高压液体胀形通道出口，超高压液体胀形通道出口与所述胀形环形空腔连通，超高压液体胀形通道入口、超高压液体胀形通道14和超高压液体胀形通道出口按照超高压液体流动方向依次连通；筒腔模具4侧壁的中部设置有超高压液体缩径通道5，超高压液体缩径通道5与所述缩径环形空腔连通，超高压液体胀形通道入口与超高压液体缩径通道5通过管道分别与超高压液体控制泵站7连通。

进一步地，所述减立柱12的上部与胀形上冲头2的接触面之间、胀形上冲头2与缩径上冲头3的接触面之间、缩径上冲头3与筒腔模具4的内侧壁之间分别设置有第一密封圈；所述减立柱12的下部以及胀形下冲头13的外侧壁与缩径下冲头6的内壁之间分别设置有第二密封圈，缩径下冲头6的外侧壁与筒腔模具4的内侧壁之间亦设置有第二密封圈。

进一步地，环形坯料10胀形过程中，所述胀形上冲头2的上方设置有压块8，压机上横梁1设置于压块8的上方，压机上横梁1通过压块8驱动胀形上冲头2向下运动。

本发明的使用过程如下：

以成型外径D为：900 mm、内径d为700 mm、高度H为800 mm的护环毛坯为例。护环毛坯材料为锻态Mn18Cr18N钢，初始屈服强度为400 MPa。

在进行缩径步骤时，如图1所示：

首先，将减立柱12吊装于液压机液压工作台16之上；

其次，将胀形下冲头13活套在减立柱12上，缩径下冲头6活套在胀形下冲头13和减立柱12上，将筒腔模具4套在缩径下冲头6上，将环形坯料10同轴放置于缩径下冲头6上。在放置的过程中，要不断地调整环形坯料10的位置，尽量确保环形坯料10轴线与筒腔模具4的轴线重合，依次同轴安装缩径上冲头3和胀形上冲头2；

再次，启动液压机，压机上横梁1下行作用于缩径上冲头3上对缩径模具进行合模操作，使得环形坯料10外端头与缩径上冲头3、缩径下冲头6密切接触，从而确保上下两个模具锥面与环形坯料10之间形成一个密闭的超高压型腔用于环形坯料10缩径；

最后，启动超高压液体控制泵站7，超高压液体11通过超高压液体缩径通道5进入封闭的超高压缩径环形空腔，直到超高压液体11注满超高压缩径环形空腔；向超高压缩径环形空腔中继续注入超高压液体11。整个缩径过程通过采用位移传感器对护环变形实时尺寸进行数据采集。在超高压液体控制泵站7的持续高压作用下，超高压液体11压力会持续的增大，当压强达到96.6 MPa时，环形坯料10进入完全塑性变形状态；继续增大超高压液体11的压力，环形坯料10开始均匀缩径；当超高压液体11的压力到达279.6 MPa时，护环尺寸为D800 mm×d588.8 mm×H870.5 mm，达到预设尺寸要求，停止加压，关闭超高压液体控制泵站7，卸载液压机的载荷，整个缩径步骤结束。

进行胀形步骤时，如图2所示：

首先，在上述缩径步骤的基础上将缩径上冲头3抬高一定距离，避免胀形过程与环形坯料10发生干涉，将压块8置于胀形上冲头2的上方；

再次，启动液压机，压机上横梁1下行作用于压块8上对胀形模具进行合模操作，使得环形坯料10内端头与胀形上冲头2、胀形下冲头13密切接触，从而确保上下两个模具锥面与环形坯料10之间形成一个密闭的超高压胀形环形空腔；

最后，启动超高压液体控制泵站7，超高压液体11由超高压液体胀形通道入口进入，超高压液体11推挤胀形下冲头13沿缩径下冲头6的内壁向上运动，然后超高压液体11通过超高压液体胀形通道14进入封闭的超高压胀形环形空腔，直到超高压液体11注满超高压胀形环形空腔；向超高压胀形环形空腔中继续注入超高压液体11。在超高压液体的过程中，由于液压的作用，胀形下冲头13会不断升高，从而避免与环形坯料10在胀形步骤中干涉，整个胀形过程通过采用位移传感器对护环变形实时尺寸进行数据采集。在超高压液体控制泵站7的持续高压作用下，超高压液体11的压力会持续的增大，环形坯料10开始均匀胀形；当液压到达276.4 MPa时，护环尺寸为D900 mm×d705.2 mm×H822.3 mm，达到预设尺寸要求，停止加压，关闭超高压液体控制泵站7，卸载液压机的载荷，将变形环形坯料10从筒腔模具4中取出，整个胀形步骤结束。

在此实施例中，护环毛坯外径由900mm先缩径至800 mm，随后又胀形至900 mm，累积塑性应变为0.227；内径由700mm缩径至588.8 mm，随后又胀形至705.2 mm，累积塑性应变为0.342；将液压胀缩复合变形后的护环毛坯进行解剖取样，测得护环毛坯中径处的屈服强度为1094.7 MPa。较提高了初始屈服强度提高了694.7 MPa。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置，其特征在于：它包括减立柱（12）、筒腔模具（4）、缩径模具与胀形模具，所述缩径模具包括缩径上冲头（3）和缩径下冲头（6），所述胀形模具包括胀形上冲头（2）和胀形下冲头（13）；

所述减立柱（12）竖直向上安装于工作台（16）的上方，胀形下冲头（13）活套在减立柱（12）的下部，缩径下冲头（6）活套在胀形下冲头（13）和减立柱（12）下端部的外部，缩径下冲头（6）沿胀形下冲头（13）的内侧壁上下滑动，胀形下冲头（13）内侧壁的上部设置有用于限制缩径下冲头（6）滑动的限位块，筒腔模具（4）活套在胀形下冲头（13）的外部，环形坯料（10）的初始位置设置于缩径上冲头（3）和缩径下冲头（6）之间，并且环形坯料（10）的轴线方向与减立柱（12）的轴线方向同轴；所述缩径上冲头（3）活套在减立柱（12）的上部并与缩径下冲头（6）相对设置，所述胀形上冲头（2）活套在缩径上冲头（3）的外部并与胀形下冲头（13）相对设置；环形坯料（10）的内壁、减立柱（12）的外壁和胀形上冲头（2）、胀形下冲头（13）之间形成用于环形坯料（10）胀形的胀形环形空腔，环形坯料（10）的外壁、筒腔模具（4）的内壁和缩径上冲头（3）、缩径下冲头（6）之间形成用于环形坯料（10）缩径的缩径环形空腔；

所述减立柱（16）的下部设置有超高压液体胀形通道（14），超高压液体胀形通道（14）的下端部设置有堵头（15），由外之内依次贯穿筒腔模具（4）、缩径下冲头（6）和减立柱（16）的根部设置有超高压液体胀形通道入口，减立柱（16）的中部设置有超高压液体胀形通道出口，超高压液体胀形通道出口与所述胀形环形空腔连通，超高压液体胀形通道入口、超高压液体胀形通道（14）和超高压液体胀形通道出口按照超高压液体流动方向依次连通；筒腔模具（4）侧壁的中部设置有超高压液体缩径通道（5），超高压液体缩径通道（5）与所述缩径环形空腔连通，超高压液体胀形通道入口与超高压液体缩径通道（5）通过管道分别与超高压液体控制泵站（7）连通。

2.根据权利要求1所述的一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置，其特征在于：所述减立柱（12）的上部与胀形上冲头（2）的接触面之间、胀形上冲头（2）与缩径上冲头（3）的接触面之间、缩径上冲头（3）与筒腔模具（4）的内侧壁之间分别设置有第一密封圈；所述减立柱（12）的下部以及胀形下冲头（13）的外侧壁与缩径下冲头（6）的内壁之间分别设置有第二密封圈，缩径下冲头（6）的外侧壁与筒腔模具（4）的内侧壁之间亦设置有第二密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种环形坯料超高压液压胀缩强化装置，其特征在于：环形坯料（10）胀形过程中，所述胀形上冲头（2）的上方设置有压块（8），压机上横梁（1）设置于压块（8）的上方，压机上横梁（1）通过压块（8）驱动胀形上冲头（2）向下运动。