CN111496172A - 薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，包括以下步骤：S1、制备半成品：坯料经过加热、镦粗成形出半成品；S2、半成品定位：将半成品加热至成形温度范围内，然后置于模芯上，模芯对加热后的半成品进行定位；S3、半成品在双锥辊辗压下成形：双锥辊绕主轴中轴线公转，凹模带动坯料向上进给运动，当工件与双锥辊接触时，双锥辊在坯料摩擦力的作用下开始自转，坯料被双锥辊轴向碾压，随着凹模继续向上进给运动；S4、成品制备完成：坯料在被双锥辊碾压到目标高度后，凹模停止向上进给，双锥辊继续公转2～3圈。本发明方法具有成形载荷关于中心对称、成形载荷较小、设备寿命长、材料利用率高、安全等级高等优点。

Description

薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法

技术领域

本发明涉及薄壁金属圆盘制造领域，更具体地说，涉及一种薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法。

背景技术

随着工业水平的提高和国防事业的发展，在石油化工、煤液化、航空航天、深海探测等领域，直径/厚度比大的薄壁金属圆盘的应用越来越广泛。目前，金属圆盘件主要使用开式模锻锻造成形，但成形金属圆盘件的直径达到500mm时，开式模锻工艺无法成形直径/厚度比大的薄壁金属圆盘。利用摆辗机进行成形整体直径/厚度比大的薄壁金属圆盘所需设备吨位仅为普通压力机的10％～20％，该方法为金属圆盘件锻造成形提供了一个新的塑性成形工艺方法。但普通摆辗成形过程中锥辊和工件只是单侧部分接触，在成形过程中，工件时时刻刻受力不均匀也不对称，容易导致工件中心减薄甚至是开裂或者发生翘曲等缺陷，因此，其能成形金属圆盘件的最大直径仅为500mm，且摆动球形链寿命较低，设备生产和维修保养费用贵；

目前对于直径大于500mm、直径/厚度为100的薄壁金属圆盘件，还没有较好的成形方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，该方法能成形直径大于500mm、直径/厚度比为100的薄壁金属圆盘。同时该方法具有成形载荷关于中心对称、成形载荷较小、设备寿命长、材料利用率高、安全等级高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，包括以下步骤：

S1、制备半成品：坯料经过加热、镦粗成形出半成品；

S2、半成品定位：将半成品加热至成形温度范围内，然后置于模芯上，模芯对加热后的半成品进行定位，防止半成品在成形时产生中心偏移；

S3、半成品在双锥辊辗压下成形：双锥辊绕主轴中轴线公转，凹模带动坯料向上进给运动，当工件与双锥辊接触时，双锥辊在坯料摩擦力的作用下开始自转，坯料被双锥辊轴向碾压，随着凹模继续向上进给运动，坯料直径逐渐增大，高度逐渐减小；

S4、成品制备完成：坯料在被双锥辊碾压到目标高度后，凹模停止向上进给，双锥辊继续公转2～3圈，使得成形工件表面被双锥辊碾压成一个平面，成品制备完成。

上述方法中，半成品高度H的具体的计算公式为：

式中，D₀和H₀为目标工件的直径和高度，D₁为半成品的直径，模芯高度比凹模低h₁，3mm≤h₁≤8mm；坯料成形前后高度的减少量H₂＝H-H₀，H₂＝20～40mm。

上述方法中，模芯的直径为D₂，D₁×α+2≤D₂≤D₁×α+4，α为金属的线膨胀系数，α＝1.5×10^-5/℃。

上述方法中，当目标工件的直径D₀≤700mm时，凹模的进给速度为0.8mm/s≤υ₁≤1.2mm/s，上模具的转速n₁为60～75r/min。

上述方法中，当目标工件的直径700＜D₀≤1500mm时，凹模的进给速度为1mm/s≤υ₁≤1.4mm/s，上模具的转速n₁为60～75r/min。

上述方法中，当目标工件的直径1500＜D₀≤2000mm时，凹模的进给速度为1.2mm/s≤υ₁≤1.6mm/s，上模具的转速n₁为60～75r/min。

上述方法中，所述半成品在模具中的成形时间t≤1min。

实施本发明的薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，具有以下有益效果：

本发明能根据目标薄壁金属圆盘的直径和高度，选取最佳的上模具的转速和最佳凹模的进给速度，通过工件心部局部加厚避免工件在成形过程中出现中心减薄等缺陷，能成形出直径大于500mm、直径/厚度比大的薄壁金属圆盘件，且成形载荷小、成形载荷关于中心对称、模具使用寿命长、材料利用率高、成形件安全等级高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的目标工件尺寸示意图。

图2是本发明的半成品的尺寸示意图。

图3为本发明的模具打开示意图。

图4为本发明的工件成形时上、凹模的运动示意图。

图5为本发明的工件成形完成后成品的示意图。

其中：1为双锥辊、2为半成品、3为模芯、4为凹模、5为模座、6为成品。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，包括如下步骤：

S1、制备半成品2：坯料经过加热、镦粗成形出半成品2。

S2、半成品2定位：将半成品2放在高温加热炉加热至成形温度范围内，取出半成品2，快速置于模芯3上，模芯3位于凹模4内，凹模4置于模座5上。模芯3对加热后的半成品2进行定位，同时防止半成品2在成形时产生中心偏移。

S3、半成品2在双锥辊1辗压下成形：双锥辊1绕主轴中轴线公转，凹模4带动坯料向上进给运动，当工件与双锥辊1接触时，双锥辊1在坯料摩擦力的作用下开始自转，坯料被双锥辊1轴向碾压，随着凹模4继续向上进给运动，坯料直径逐渐增大，高度逐渐减少。

S4、成品制备完成：由于双锥辊1与坯料的接触面积是螺旋面，因此，坯料在被双锥辊1碾压到目标高度后，凹模4停止向上进给，双锥辊1继续公转2～3圈，使得成形工件表面被双锥辊1碾压成一个平面，成品6制备完成。

经过上述步骤，完成对直径/厚度比大的薄壁金属圆盘件的成形。

进一步的，坯料在模具中成形的时间t≤1min，若t＞1min，则坯料温度会因为与周围环境的热交换作用，使得坯料温度低于成形温度，导致所需辗压力极大，可能会超过设备额定吨位，同时易损坏模具，无法成形出所需目标尺寸下的薄壁金属圆盘件。

进一步的，根据坯料成形时的几何关系，推导出坯料稳定碾压条件：

式中υ₁为凹模4的进给速度(mm/s)，n为上模具的转速(r/min)，S为上模具单个锥辊1公转一圈坯料的进给量(mm)。根据ABAQUS有限元软件的模拟分析计算结果表明，上模具的转速n在60～75r/min的范围内最合适。凹模4的最佳进给速度υ₁与坯料成形目标尺寸的直径D₀有关；当D₀≤700mm时，0.8mm≤υ₁≤1.2mm；当700＜D₀≤1500mm时，1mm≤υ₁≤1.4mm；当1500＜D₀≤2000mm时，1.2mm≤υ₁≤1.6mm，因此可以根据目标金属圆盘件的直径D₀来确定凹模4的进给速度。

进一步的，假设坯料成形前后高度的减少量为H₂：当目标圆盘件直径D₀确定时，最佳进给速度υ₁也可以对应确定，坯料在模具中的成形时间t≤1min，那么，由t和υ₁可确定坯料成形前后高度的减少量H₂，此H₂是一个可变量，可通过控制坯料成形时间和凹模4的进给速度来对H₂进行控制。

进一步的，对于任意给定的目标工件的直径为D₀，高度为H₀及成形高度减少量H₂，可以根据等体积原则，确定出半成品2的直径。同理，使用相同的半成品2直径D₁，通过控制H₂在合适的范围内，则可成形出所需要的目标工件尺寸，可通过控制坯料在模具中的成形时间和下模的进给速度来对H₂进行控制。该方法可实现同一套模具用于生产一定范围内的不同直径和高度的目标金属圆盘件。

进一步的，模芯3的直径根据半成品2的直径D₁来确定。当目标尺寸的直径D₀在一定范围内时，可以共用一个半成品2的直径D₁，通过控制H₂来成形目标工件。结合目标尺寸的直径D₀与凹模4速度间的关系，可以通过设计三套凹模4，分别用来成形目标圆盘件的D₀≤700mm，700＜D₀≤1500mm，1500＜D₀≤2000mm。就能实现对直径2m以下的金属圆盘件实现全直径尺寸成形。因此，当目标尺寸的直径在一定范围内时，会有确定的半成品2的直径D₁，设计模芯3的直径为D₂，使得2mm≤D₂-D₁≤4mm，即可成形目标工件。该设计尺寸下模芯3的作用有两个：其一，模芯3对加热后的半成品2进行定位。其二，模芯3可以防止半成品2在成形时产生中心偏移。

进一步的，由于半成品2在成形时，工件心部受到切向与径向拉应力、轴向压应力，由于摆辗过程中每一时刻工件上表面仅有局部与上模接触，工件外周不同部分摆头的摆动交替地发生塑性变形，而近工件心部则由于受力状态比较稳定，发生持续的双向伸长，单向缩短变形，因此随着变形的累积，工件心部将比其他部位更薄，会使得坯料发生中心减薄甚至是开裂等缺陷。通过设计模芯3的高度比凹模4低h₁，使得工件心部局部加厚，在下模和工件心部局部加厚的共同作用下，工件心部所受拉应力会减小，成为较难变形区域，可避免辗压过程中工件心部变薄等缺陷的产生。设计3mm≤h₁≤8mm的原因是：h₁过小，不足以避免中心减薄现象的产生，h₁过大会造成材料的浪费。

进一步的，目标工件的直径为D₀，高度为H₀，当D₀在一定范围内时，半成品2的直径可以使用相同的D₁，根据成形前后体积相等原则，可推导出半成品2高度H的计算公式：

式中，D₀和H₀为目标工件的直径和高度，D₁为半成品2的直径，h₁为模芯3高度比凹模4低的尺寸。

本发明与现有技术相比，主要有以下几种优点：

其一，本发明可以根据目标圆盘件的直径范围来确定上模具的最佳转速和凹模4的最佳进给速度。

其二，本发明可以设计三套凹模4，成形任意薄壁圆盘件直径小于2m、直径/厚度比大的薄壁金属圆盘件。

其三，本发明所使用的模芯3的直径比工件的直径大2～4mm，模芯3能对加热后的半成品2进行定位，也可以防止半成品2在成形时产生中心偏移。

其四，本发明使用的模芯3为圆柱体，模芯3的高度比凹模4低3～8mm，该尺寸使得工件在成形时局部加厚，在凹模4的共同作用下，可以改善工件心部的受力状态，使得工件心部所受拉应力减少，成为较难变形的区域，避免了摆辗过程中工件出现中心减薄或者开裂等缺陷。

其五，本发明能成形出工件的直径大于500mm、直径/厚度比大的薄壁金属圆盘件，且材料利用率高、成形件安全等级高。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备半成品：坯料经过加热、镦粗成形出半成品；

S2、半成品定位：将半成品加热至成形温度范围内，然后置于模芯上，模芯对加热后的半成品进行定位，防止半成品在成形时产生中心偏移；

S3、半成品在双锥辊辗压下成形：双锥辊绕主轴中轴线公转，凹模带动坯料向上进给运动，当工件与双锥辊接触时，双锥辊在坯料摩擦力的作用下开始自转，坯料被双锥辊轴向碾压，随着凹模继续向上进给运动，坯料直径逐渐增大，高度逐渐减小；

S4、成品制备完成：坯料在被双锥辊碾压到目标高度后，凹模停止向上进给，双锥辊继续公转2～3圈，使得成形工件表面被双锥辊碾压成一个平面，成品制备完成。

2.根据权利要求1所述的薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，其特征在于，半成品高度H的具体的计算公式为：

式中，D₀和H₀为目标工件的直径和高度，D₁为半成品的直径，模芯高度比凹模低h₁，3mm≤h₁≤8mm；坯料成形前后高度的减少量H₂＝H-H₀，H₂＝20～40mm。

3.根据权利要求1所述的薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，其特征在于，模芯的直径为D₂，D₁×α+2≤D₂≤D1×α+4，α为金属的线膨胀系数，α＝1.5×10^-5/℃。

4.根据权利要求1所述的薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，其特征在于，当目标工件的直径D₀≤700mm时，凹模的进给速度为0.8mm/s≤υ₁≤1.2mm/s，上模具的转速n₁为60～75r/min。

5.根据权利要求1所述的薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，其特征在于，当目标工件的直径700＜D₀≤1500mm时，凹模的进给速度为1mm/s≤υ₁≤1.4mm/s，上模具的转速n₁为60～75r/min。

6.根据权利要求1所述的薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，其特征在于，当目标工件的直径1500＜D₀≤2000mm时，凹模的进给速度为1.2mm/s≤υ₁≤1.6mm/s，上模具的转速n₁为60～75r/min。

7.根据权利要求1所述的薄壁金属圆盘的双辊摆辗成形方法，其特征在于，所述半成品在模具中的成形时间t≤1min。

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