CN113059100A - 大型壁厚突变环件近净复合成形方法 - Google Patents

大型壁厚突变环件近净复合成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型壁厚突变环件近净复合成形方法，将锻造冲孔后的小直径矩形截面环坯加热保温后取出并放到热轧环机上轧制，待外径长大至目标尺寸时停止轧制获得大直径矩形截面环坯，取出并加热保温；将大直径矩形截面环坯放到成形模具中热成形，获得所需形状的异形截面环坯后取出并加热保温；精环轧近净成形—将异形截面环坯放到轧环机上精环轧，通过异形轧辊近净成形出环件截面轮廓，待外径长大到目标尺寸时停止轧制获得壁厚突变环件；将壁厚突变环件快速放到胀形机上，利用余热进行热胀形来提高尺寸精度和圆度并改善残余应力分布，待胀形至目标尺寸后继续保压，冷却至室温后取出，获得目标环件。该方法成形精度高。

Description

大型壁厚突变环件近净复合成形方法
技术领域
本发明属于塑性加工技术领域，具体涉及一种大型壁厚突变环件近净复合成形方法。
背景技术
大型壁厚突变环件是指直径1米以上的截面轮廓形状急剧变化的环形件，如机匣环件，这类复杂结构环件通常采用环件轧制的方法成形出矩形截面环件，然后进行大量切削加工得到所需形状的异形截面环件，该方法不仅材料利用率低，加工效率低，而且大量切削破坏了金属流线分布，削弱了环件的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型壁厚突变环件近净复合成形方法，该方法整体形变均匀，成形精度高，材料利用率高，能改善环件内部组织状态、提高产品力学性能。
本发明所采用的技术方案是：
一种大型壁厚突变环件近净复合成形方法，包括步骤：S1、预环轧成形—将锻造冲孔后的小直径矩形截面环坯加热保温后取出并放到热轧环机上轧制，待外径长大至目标尺寸时停止轧制获得大直径矩形截面环坯，取出并加热保温；S2、模锻成形—将大直径矩形截面环坯放到成形模具中热成形，获得所需形状的异形截面环坯后取出并加热保温；S3、精环轧近净成形—将异形截面环坯放到轧环机上精环轧，通过异形轧辊近净成形出环件截面轮廓，待外径长大到目标尺寸时停止轧制获得壁厚突变环件；S4、热胀形精准定径—将壁厚突变环件快速放到胀形机上，利用余热进行热胀形来提高尺寸精度和圆度并改善残余应力分布，待胀形至目标尺寸后继续保压，冷却至室温后取出，获得目标环件。
在步骤S1中，成形的大直径矩形截面环坯内径d2＝成形的异形截面环坯小端内孔直径ds3，成形的大直径矩形截面环坯外径D2＝成形的异形截面环坯小端外表面直径Ds3，成形的大直径矩形截面环坯高度
Figure BDA0002992505360000011
其中V为目标环件体积；初始的小直径矩形截面环坯内径d1＝冲孔所用冲头直径dc，初始的小直径矩形截面环坯高度B1＝B2，初始的小直径矩形截面环坯外径
Figure BDA0002992505360000012
在步骤S1中，进行轧制前，小直径矩形截面环坯的加热温度控制在0.9～1倍的材料始锻温度以保证成形后的环坯具有细小晶粒；进行轧制时，热轧环机在允许范围内采用较快的进给速度以保证成形后的环坯晶粒更加细小，同时监控环坯温度，若低于材料终锻温度则立刻停止轧制并在加热后继续轧制。
在步骤S2中，成形模具包括凸模、凹模、镶块、导柱、底板和环形压块，凸模和凹模的工作面分别与成形的异形截面环坯的内外表面相匹配；热成形前，先将底板安装在凹模内孔下方，然后将镶块沿凹模内表面安装于底板上，然后将导柱通过底板上中心孔***凹模，然后将大直径矩形截面环坯放入凹模内并放在镶块上，利用大直径矩形截面环坯预热成形模具；热成形时，先将凸模插到导柱上，然后压力设备下压凸模至目标位完成异形截面环坯的小端成形，然后压力设备上行并将环形压块套在凸模上方，然后压力设备下压环形压块至目标位，完成异形截面环坯的大端台阶成形；热成形结束后，先取下环形压块，然后通过底板将镶块、凸模和异形截面环坯顶出，然后将异形截面环坯从凸模上取出。
在步骤S2中，进行热成形时，压力设备在允许范围内采用较快的下压速度以防止环坯与模具长时间接触温降过快，同时监控环坯温度，若温度过低则立刻停止热成形并在加热后继续热成形。
在步骤S3中，成形的异形截面环坯大端内径
Figure BDA0002992505360000021
倍的成形的壁厚突变环件大端内径db4，其中kr为精环轧时大端内径的变形量且控制在10％以上从而提高成形的壁厚突变环件晶粒细化程度，成形的异形截面环坯大端高度B3＝成形的壁厚突变环件高度B4，成形的异形截面环坯的外表面尺寸和壁厚根据成形的壁厚突变环件的轴向体积分配情况和体积不变原则确定，保证成形的异形截面环坯与成形的壁厚突变环件在同一高度上截面积近似相等。
在步骤S3中，轧环机采用闭式孔型，包括均为异形轧辊的主轧辊和芯辊，芯辊和主轧辊的工作面尺寸分别与成形的壁厚突变环件的内外表面尺寸相匹配；进行精环轧时，轧环机前期在允许范围内采用尽量大的进给速度以保证成形后的环件晶粒更加细小，轧环机后期采用较小的进给速度以精确控制环件尺寸。
在步骤S3中，进行精环轧时，控制在一火内轧制成形，为防止环坯温降过快，夹持环坯的操作手应包覆一层保温棉，主轧辊和芯辊预热至200～300℃。
在步骤S4中，成形的壁厚突变环件的内外表面形状分别与目标环件的内外表面形状相同，成形的壁厚突变环件高度B4＝目标环件高度B5，成形的壁厚突变环件大端内径
Figure BDA0002992505360000022
倍的目标环件大端内径db5，其中kz为胀形变形量且控制在1～5％，根据体积不变原则确定成形的壁厚突变环件壁厚。
在步骤S4中，胀形机包括异形瓣模、胀形块、楔形块和底座，异形瓣模的工作面形状与目标环件的内表面相匹配，胀形块与异形瓣模数量相同；热胀形前，先将异形瓣模安装在胀形块外侧，然后将成形的壁厚突变环件套在异形瓣模外侧；热胀形时，压力设备下压楔形块至目标位，通过胀形块带动异形瓣模沿径向向外运动，楔形块的下移动距离为0.5(db5-db4)cotθ，其中db5为目标环件大端内径，θ为楔形块倾角。
本发明的有益效果是：
在本方法中，通过预环轧成形大直径矩形截面环坯，环坯壁厚减薄，有利于降低模内锻造成形力，通过模锻成形异形截面环坯，提高环坯形状尺寸精度，有利于保证精环轧异形环件的截面充填效果，通过精环轧近净成形壁厚突变环件，提高材料利用率和金属流线分布完整性，通过热胀形进一步提高成形环件尺寸精度和圆度，并改善环件内部残余应力分布状态；该方法可近净复合成形大型壁厚突变环件，相比传统成形方式，成形全过程合理控制各阶段变形量，整体形变更均匀，成形精度更高，可大大提高材料利用率、改善环件内部组织状态、并提高产品力学性能。
附图说明
图1是本发明实施例中大型壁厚突变环件近净复合成形的流程图。
图2是本发明实施例中预环轧成形的示意图，其中(a)是开始时刻，(b)是结束时刻。
图3是本发明实施例中模锻成形的示意图，其中(a)是异形截面环坯的小端成形前时刻，(b)是异形截面环坯的小端成形时刻，(c)是异形截面环坯的大端台阶成形时刻。
图4是本发明实施例中精环轧近净成形的示意图，其中(a)是开始时刻，(b)是结束时刻。
图5是本发明实施例中热胀形精准定径的示意图，其中(a)是开始时刻，(b)是结束时刻。
图中：1-热轧环机的主轧辊；2-热轧环机的芯辊；3-小直径矩形截面环坯；4-大直径矩形截面环坯；5-凸模；6-凹模；7-镶块；8-底板；9-导柱；10-第一阶段成形的异形截面环坯；11-环形压块；12-异形截面环坯；13-轧环机的主轧辊；14-轧环机的芯辊；15-壁厚突变环件；16-异形瓣模；17-胀形块；18-楔形块；19-底座；20-目标环件。
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说明。
一种大型壁厚突变环件近净复合成形方法，包括步骤：
S1、预环轧成形—将锻造冲孔后的小直径矩形截面环坯3通过加热炉加热保温后取出并放到热轧环机上轧制，待外径长大至目标尺寸时停止轧制获得大直径矩形截面环坯4，取出并通过加热炉加热保温。
成形的大直径矩形截面环坯4内径d2＝成形的异形截面环坯12小端内孔直径ds3，成形的大直径矩形截面环坯4外径D2＝成形的异形截面环坯12小端外表面直径Ds3，成形的大直径矩形截面环坯4高度
Figure BDA0002992505360000031
其中V为目标环件20体积；初始的小直径矩形截面环坯3内径d1＝冲孔所用冲头直径dc，初始的小直径矩形截面环坯3高度B1＝B2，初始的小直径矩形截面环坯3外径
Figure BDA0002992505360000032
进行轧制前，小直径矩形截面环坯3的加热温度控制在0.9～1倍的材料始锻温度以保证成形后的环坯具有细小晶粒，加热温度不宜过高，越低越容易获得细小晶粒；进行轧制时，热轧环机在允许范围内采用较快的进给速度以保证成形后的环坯晶粒更加细小，同时监控环坯温度，若低于材料终锻温度则立刻停止轧制并在加热后继续轧制。
S2、模锻成形—将大直径矩形截面环坯4放到成形模具中热成形，获得所需形状的异形截面环坯12后取出并通过加热炉加热保温。
成形模具包括凸模5、凹模6、镶块7、导柱9、底板8和环形压块11，凸模5和凹模6的工作面分别与成形的异形截面环坯12的内外表面相匹配；热成形前，先将底板8安装在凹模6内孔下方，然后将镶块7沿凹模6内表面安装于底板8上，然后将导柱9通过底板8上中心孔***凹模6，然后将大直径矩形截面环坯4放入凹模6内并放在镶块7上，利用大直径矩形截面环坯4预热成形模具；热成形时，先将凸模5插到导柱9上，然后压力设备下压凸模5至目标位完成异形截面环坯12的小端成形，然后压力设备上行并将环形压块11套在凸模5上方，然后压力设备下压环形压块11至目标位，完成异形截面环坯12的大端台阶成形；热成形结束后，先取下环形压块11，然后通过底板8将镶块7、凸模5和异形截面环坯12顶出，然后将异形截面环坯12从凸模5上取出。
进行热成形时，压力设备在允许范围内采用较快的下压速度以防止环坯与模具长时间接触温降过快，同时监控环坯温度，若温度过低则立刻停止热成形并在加热后继续热成形。
S3、精环轧近净成形—将异形截面环坯12放到轧环机上精环轧，通过异形轧辊近净成形出环件截面轮廓，待外径长大到目标尺寸时停止轧制获得壁厚突变环件15。
成形的异形截面环坯12大端内径
Figure BDA0002992505360000033
倍的成形的壁厚突变环件15大端内径db4，其中kr为精环轧时大端内径的变形量且控制在10％以上从而提高成形的壁厚突变环件15晶粒细化程度，成形的异形截面环坯12大端高度B3＝成形的壁厚突变环件15高度B4，成形的异形截面环坯12的外表面尺寸和壁厚根据成形的壁厚突变环件15的轴向体积分配情况和体积不变原则确定，保证成形的异形截面环坯12与成形的壁厚突变环件15在同一高度上截面积近似相等。
轧环机采用闭式孔型，包括均为异形轧辊的主轧辊13和芯辊14，芯辊14和主轧辊13的工作面尺寸分别与成形的壁厚突变环件15的内外表面尺寸相匹配；进行精环轧时，轧环机前期在允许范围内采用尽量大的进给速度以保证成形后的环件晶粒更加细小，轧环机后期采用较小的进给速度以精确控制环件尺寸。
进行精环轧时，控制在一火内轧制成形，为防止环坯温降过快，夹持环坯的操作手应包覆一层保温棉，主轧辊13和芯辊14预热至200～300℃。
S4、热胀形精准定径—将壁厚突变环件15快速放到胀形机上，利用余热进行热胀形来提高尺寸精度和圆度并改善残余应力分布，待胀形至目标尺寸后继续保压，冷却至室温后取出，获得目标环件20。
成形的壁厚突变环件15的内外表面形状分别与目标环件20的内外表面形状相同，成形的壁厚突变环件15高度B4＝目标环件20高度B5，成形的壁厚突变环件15大端内径
Figure BDA0002992505360000041
Figure BDA0002992505360000042
倍的目标环件20大端内径db5，其中kz为胀形变形量且控制在1～5％，根据体积不变原则确定成形的壁厚突变环件15壁厚。
胀形机包括异形瓣模16、胀形块17、楔形块18和底座19，异形瓣模16的工作面形状与目标环件20的内表面相匹配，胀形块17与异形瓣模16数量相同；热胀形前，先将异形瓣模16安装在胀形块17外侧，然后将成形的壁厚突变环件15套在异形瓣模16外侧；热胀形时，压力设备下压楔形块18至目标位，通过胀形块17带动异形瓣模16沿径向向外运动，楔形块18的下移动距离为0.5(db5-db4)cotθ，其中db5为目标环件20大端内径，θ为楔形块18倾角。
实施例
所需得到的目标环件20大端外径Db5＝1116mm、内径db5＝1000mm，小端外径Ds5＝870mm、内径ds5＝760mm，整体高度B5＝500mm，材料GH4169，重量588.5kg。
在步骤S1中：锻造冲孔得到小直径矩形截面环坯3，其外径D1＝506mm、内径d1＝280mm，高度B1＝513mm，将其放入加热炉中加热保温一段时间，加热温度控制在1010～1040℃范围内，加热时间3～6h；1主轧辊和芯辊2预热至200～300℃，夹持环坯的操作手包覆一层保温棉，快速取出环坯放到热轧环机上进行轧制，轧制过程中采用较大的进给速度，待外径长大至712mm后停止轧制，所成形大直径矩形截面环坯4外径D2＝712mm、内径d2＝574mm，高度B2＝513mm，取出环坯放回加热炉中加热保温。
在步骤S2中：所成形异形截面环坯12大端外径Db3＝952mm、内径db3＝814mm，小端外径Ds3＝712mm、内径ds3＝574mm，整体高度B3＝500mm。
在步骤S3中：精环轧时大端内径的变形量kr为20.4％，所成形壁厚突变环件15大端外径Db4＝1098mm、内径db4＝980mm，小端外径Ds4＝852mm、内径ds4＝740mm，整体高度B4＝500mm，待环件大端外径长大到1098mm时停止轧制，取出环件。
在步骤S4中：胀形变形量kz为2％，胀形后目标环件20大端外径Db5＝1116mm、内径db5＝1000mm，小端外径Ds5＝870mm、内径ds5＝760mm，整体高度B5＝500mm，楔形块18倾角为7°，异形瓣模16与胀形块17相同均为12块，楔形块工作阶段向下移动距离为81.5mm。
在本方法中，通过预环轧成形大直径矩形截面环坯4，环坯壁厚减薄，有利于降低模内锻造成形力，通过模锻成形异形截面环坯12，提高环坯形状尺寸精度，有利于保证精环轧异形环件的截面充填效果，通过精环轧近净成形壁厚突变环件15，提高材料利用率和金属流线分布完整性，通过热胀形进一步提高成形环件尺寸精度和圆度，并改善环件内部残余应力分布状态；该方法可近净复合成形大型壁厚突变环件15，相比传统成形方式，成形全过程合理控制各阶段变形量，整体形变更均匀，成形精度更高，可大大提高材料利用率、改善环件内部组织状态、并提高产品力学性能。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：包括步骤，S1、预环轧成形—将锻造冲孔后的小直径矩形截面环坯加热保温后取出并放到热轧环机上轧制，待外径长大至目标尺寸时停止轧制获得大直径矩形截面环坯，取出并加热保温；S2、模锻成形—将大直径矩形截面环坯放到成形模具中热成形，获得所需形状的异形截面环坯后取出并加热保温；S3、精环轧近净成形—将异形截面环坯放到轧环机上精环轧，通过异形轧辊近净成形出环件截面轮廓，待外径长大到目标尺寸时停止轧制获得壁厚突变环件；S4、热胀形精准定径—将壁厚突变环件快速放到胀形机上，利用余热进行热胀形来提高尺寸精度和圆度并改善残余应力分布，待胀形至目标尺寸后继续保压，冷却至室温后取出，获得目标环件。
2.如权利要求1所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S1中，成形的大直径矩形截面环坯内径d2＝成形的异形截面环坯小端内孔直径ds3，成形的大直径矩形截面环坯外径D2＝成形的异形截面环坯小端外表面直径Ds3，成形的大直径矩形截面环坯高度
Figure FDA0002992505350000011
其中V为目标环件体积；初始的小直径矩形截面环坯内径d1＝冲孔所用冲头直径dc，初始的小直径矩形截面环坯高度B1＝B2，初始的小直径矩形截面环坯外径
Figure FDA0002992505350000012
3.如权利要求1所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S1中，进行轧制前，小直径矩形截面环坯的加热温度控制在0.9～1倍的材料始锻温度以保证成形后的环坯具有细小晶粒；进行轧制时，热轧环机在允许范围内采用较快的进给速度以保证成形后的环坯晶粒更加细小，同时监控环坯温度，若低于材料终锻温度则立刻停止轧制并在加热后继续轧制。
4.如权利要求1所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S2中，成形模具包括凸模、凹模、镶块、导柱、底板和环形压块，凸模和凹模的工作面分别与成形的异形截面环坯的内外表面相匹配；热成形前，先将底板安装在凹模内孔下方，然后将镶块沿凹模内表面安装于底板上，然后将导柱通过底板上中心孔***凹模，然后将大直径矩形截面环坯放入凹模内并放在镶块上，利用大直径矩形截面环坯预热成形模具；热成形时，先将凸模插到导柱上，然后压力设备下压凸模至目标位完成异形截面环坯的小端成形，然后压力设备上行并将环形压块套在凸模上方，然后压力设备下压环形压块至目标位，完成异形截面环坯的大端台阶成形；热成形结束后，先取下环形压块，然后通过底板将镶块、凸模和异形截面环坯顶出，然后将异形截面环坯从凸模上取出。
5.如权利要求1所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S2中，进行热成形时，压力设备在允许范围内采用较快的下压速度以防止环坯与模具长时间接触温降过快，同时监控环坯温度，若温度过低则立刻停止热成形并在加热后继续热成形。
6.如权利要求1所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S3中，成形的异形截面环坯大端内径
Figure FDA0002992505350000013
倍的成形的壁厚突变环件大端内径db4，其中kr为精环轧时大端内径的变形量且控制在10％以上从而提高成形的壁厚突变环件晶粒细化程度，成形的异形截面环坯大端高度B3＝成形的壁厚突变环件高度B4，成形的异形截面环坯的外表面尺寸和壁厚根据成形的壁厚突变环件的轴向体积分配情况和体积不变原则确定，保证成形的异形截面环坯与成形的壁厚突变环件在同一高度上截面积近似相等。
7.如权利要求1所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S3中，轧环机采用闭式孔型，包括均为异形轧辊的主轧辊和芯辊，芯辊和主轧辊的工作面尺寸分别与成形的壁厚突变环件的内外表面尺寸相匹配；进行精环轧时，轧环机前期在允许范围内采用尽量大的进给速度以保证成形后的环件晶粒更加细小，轧环机后期采用较小的进给速度以精确控制环件尺寸。
8.如权利要求7所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S3中，进行精环轧时，控制在一火内轧制成形，为防止环坯温降过快，夹持环坯的操作手应包覆一层保温棉，主轧辊和芯辊预热至200～300℃。
9.如权利要求1所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S4中，成形的壁厚突变环件的内外表面形状分别与目标环件的内外表面形状相同，成形的壁厚突变环件高度B4＝目标环件高度B5，成形的壁厚突变环件大端内径
Figure FDA0002992505350000021
倍的目标环件大端内径db5，其中kz为胀形变形量且控制在1～5％，根据体积不变原则确定成形的壁厚突变环件壁厚。
10.如权利要求1所述的大型壁厚突变环件近净复合成形方法，其特征在于：在步骤S4中，胀形机包括异形瓣模、胀形块、楔形块和底座，异形瓣模的工作面形状与目标环件的内表面相匹配，胀形块与异形瓣模数量相同；热胀形前，先将异形瓣模安装在胀形块外侧，然后将成形的壁厚突变环件套在异形瓣模外侧；热胀形时，压力设备下压楔形块至目标位，通过胀形块带动异形瓣模沿径向向外运动，楔形块的下移动距离为0.5(db5-db4)cotθ，其中db5为目标环件大端内径，θ为楔形块倾角。
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