CN113510205A - 一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法 - Google Patents

一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，为获得具备复杂截面形状，尺寸精密，性能优异的高温合金法兰异形环件，其技术方案为：将锯切好的合金棒材加热至始锻温度并保温，经镦粗、冲孔两道工序制备近矩形环坯；采用局部开式模锻，对近矩形环坯靠近外圆部位的上下两端面施加压力，通过局部变形得到异形预制环坯；将异形预制环坯加热至高温合金的始锻温度并保温，随后放入轧环机中，利用主辊碾轧模具以相应转速结合芯辊径向进给速度对异形预制环坯进行轧环，得到高温合金法兰异形环件。本发明的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法不仅能最大限度的简化生产流程，降低零件的生产成本，保证环件尺寸，而且该方法保留了的完整的锻件流线，确保环件具备良好的力学性能。

Description

一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法
技术领域
本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法。
背景技术
异形截面法兰属于一种特殊环件，是管道连接端头处的关键部件，由于其始终受到管道内流动物质压力的作用和潮湿环境下的腐蚀作用，非常容易损坏，需要频繁更换全新法兰以满足管道性能指标的需求。因此，工艺简便、成本低廉、易于大批量生产的异形截面法兰制造成形技术便被提上日程。目前国内异形截面法兰的主要成形方法有：整体开式模锻或闭式模锻成形、自由锻近矩形环坯直接经多次轧环成形、轧制矩形环坯再经大余量机加工工艺成形。这些方法往往受零件生产成本、综合力学性能和尺寸要求等因素影响，难以取得预期的理想效果。
采用整体开式模锻或闭式模锻成形，零件尺寸精度较高，但是成形过程中材料在预锻模膛和终锻模膛中屈服强度大，所需设备吨位大，且模膛极易因磨损或开裂失效，使用寿命短，生产成本高。且整体开式模锻后的切边工序会破坏锻件金属流线的完整性，从而影响锻件力学性能。
采用自由锻近矩形环坯再直接经多火次轧环成形，工艺简单，但轧环火次的多少成为制约零件尺寸精度和力学性能的“双刃剑”，轧环火次少，环件外径异形部位难以完全填充轧制模具，无法保证最终产品的尺寸要求；轧环火次多，除易造成锻件组织晶粒粗大，轧伤、轧裂等缺陷外，还无形中增加了经济成本。
采用轧制矩形环坯再经大余量机加工工艺成形，工艺简单，但材料利用率低，经济效益低。此外，机加工严重破坏了锻件金属流线的完整性，降低了零件力学性能。
公开号为CN101279346A的中国专利公开了一种镍基高温合金异型环锻件的轧碾成形方法，该方法包括下料，镦粗、冲孔、轧制工序，采用该方法是将冲孔后的圆饼状锻件经两次20%～25%变形的初步轧制，得到矩形预制环坯，再结合碾轧模具经碾环机第三次轧碾成形。采用该工艺轧制环件，存在轧制火次多、生产周期长、矩形预制环坯转变异型环件的过程中碾轧模具充型不完全的问题。
再如，公开号为 CN103100620的中国专利公开了一种高温合金复杂异形截面环形件的碾轧成型方法，该方法是将金属棒料加热后经镦粗、冲孔和环轧制成矩形预制环坯，结合预轧内型模块和预轧外型模块首先制备与终轧异形环形结构形状相反的异形预轧坯，再通过终轧内型模块和终轧外型模块轧制成异形截面环件。该方法可克服矩形预制环坯碾轧时模具充型不完全的问题，轧制出尺寸精度高的环件。但该方法需要频繁更换轧制模具，多次反复轧制无形中增加了经济成本，还易造成锻件组织晶粒粗大，轧伤、轧裂等缺陷。
因此，本文发明探索出了一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法。
发明内容
发明的目的在于，提供一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，该方法通过在最终轧制工艺前制定局部模锻工序，通过对锻件进行初步变形制备预制环坯，确保轧环过程中环件外径异形部位完全填充轧制模具，保证最终产品的尺寸要求。该方法不仅节省工序投入及原材料消耗，无需依赖寿命短，成本高的模膛，还可最大程度的保障锻件流线完整性，保证最终产品力学性能。
为达到如上目的，本发明的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法采取如下技术方案，包括近矩形环坯制备、异形预制环坯制备、轧环。
进一步，所述近矩形环坯制备，包括：锯切、加热、镦粗、冲孔。
所述锯切步骤为：将合金棒材按预设规格进行锯切。
所述加热步骤为：将锯切好的合金棒材加热至始锻温度1000～1200℃并保温，最短保温时间=（0.4～1）min/mm×合金棒材直径。
所述镦粗步骤为：使用压力机，铆镦消除尖角后整体镦粗至H=90～130mm；
进一步，为避免过大变形造成材料温度上升，镦粗时变形量控制在30%～60%。
所述冲孔步骤为：利用冲头冲孔Φ130～Φ150mm，冲孔底片厚度≤45mm，制备近矩形环件。
进一步，所述异形环预制环坯制备，包括：局部模锻。
所述局部模锻步骤为：在压力机上采用开式模锻，将近矩形环坯放入已预热的模具中，仅对近矩形环坯靠近外圆部位的上下两端面施加压力，进行局部变形制成异形预制环坯；
进一步，异形预制环坯外圆部位两斜面的夹角为45°～60°；
进一步，最大模锻压力F为1×107N～2×107N；
进一步，最大模锻压力计算方式为：F=2μσS，其中μ为环件材料与模具的摩擦系数，σ为环件材料在终锻温度下的变形抗力，S为环坯与模具接触面的投影面积。
进一步，所述轧环，包括：加热、碾轧。
所述加热步骤为：将异形预制环坯加热至始锻温度1000～1200℃并保温，最短保温时间=（0.4～1.0）min/mm×异形预制环坯有效截面厚度。
所述碾轧步骤为：将加热后异形预制环坯放至轧环机上，使异形预制环坯的外凸部分与主辊模具内凹部分相对应，主辊模具以轴向自转线速度运动，芯辊以一定的径向进给速度运动，将异形预制环坯轧环至要求的尺寸和形状；
进一步，主辊的可选轴向自转线速度范围为0.4～1.6m/s，芯辊的径向进给速度分三个阶段：轧环初期，轧环稳定阶段，轧环校圆阶段，径向进给速度范围为0～3mm/s；
进一步，轧环初期，芯辊通过径向进给运动将异形预制环坯送入轧环模具中，保证坯料与模具接触并开始轧环；轧环稳定阶段，主辊轴向自转运动与芯辊径向进给运动结合，保证异形预制环坯连续稳定充满轧环模具；轧环校圆整形阶段，芯辊不进行径向进给运动，仅主辊进行轴向自转运动，对环件进行校圆整形，保证最终环件的尺寸精度；
进一步，轧环过程中，最大轧环力范围8×105N～1.7×106N；
进一步，计算方式为P=2kbL(1+ h0/4L+m3L/8 h0+m3L/4b)，其中k为环件材料剪切屈服强度，b为环件高度，L为接触弧长，h0为环件壁厚，m为摩擦因子；
进一步，实际成型的变形量为开式模锻局部变形后的环坯中间坯截面积与最终环件截面积的轧制比λ。
本发明的法兰盘形件的局部模锻及轧环复合成形方法，采用锯切、加热、镦粗、冲孔、模锻和轧环的工艺方案，该方案首先将合金棒材加热，经过镦粗，冲孔后得到近矩形环坯，采用开式模锻仅对近矩形环坯靠近外圆部位的上下两端面进行局部变形，最后利用轧环机轧制成法兰。
本发明与以往工艺相比，具有以下优点：无需大余量机加工，无切边工步，最大限度提高材料利用率和保留锻造流线的完整性；无需多次环轧，经局部模锻制备的异形预制环坯可在轧环模具中充型完全；工艺简单，无需复杂的锻造模膛，无需大吨位的复杂成形设备，节约锻件成本，该技术适用于各类企业。
附图说明
下面结合附图和具体实施例来对本发明做进一步的说明。
图1为该发明中的局部模锻示意图；其中：1.上模具；2.近矩形环坯；3.下模具。
图2为该发明中的局部模锻后异形预制环坯示意图。
图3为该发明中的碾轧主辊模具示意图。
图4为图2所示的异形预制环坯，在图4碾轧模具中轧环成形充型示意图。其中：6.上台肩；7.下台肩；8. 异形预制环坯上斜面；9. 异形预制环坯下斜面。10. 上V型槽；11.下V型槽；12.内部U型槽
图5为该发明的轧环成形后最终的异形环件示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例中，以牌号为GH2132合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：
GH2132合金的主要化学元素含量为：
表1.GH2132合金的主要化学元素
元素 C Cr Ni V Fe Mo Al
含量（%） ≤0.08 13.5～16.0 24.0～27.0 0.10～0.50 余量 1.00～1.50 ≤0.35
Ti S B Mn Si P
1.75～2.30 ≤0.02 0.003～0.010 ≤0.35 0.25～0.75 ≤0.015
实施法兰盘形件的局部模锻及轧环复合成形方法需要提供带锯床、锻造加热炉、压力机、轧环机、机械手。
本发明的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法采取如下技术方案，包括：近矩形环坯制备、异形预制环坯制备、轧环。
进一步，所述近矩形环坯制备，包括：锯切、加热、镦粗、冲孔。
所述锯切步骤为：将GH2132合金棒材按预设规格进行锯切。
所述加热步骤为：将锯切好的GH2132合金棒材加热至始锻温度1120℃并保温，最短保温时间=0.8min/mm×GH2132合金棒材直径185 mm。
所述镦粗步骤为：使用压力机，铆镦消除尖角后整体镦粗至H=100±5mm；
进一步，为避免过大变形造成GH2132合金温度上升，镦粗时变形量控制在30%～35%。
所述冲孔步骤为：利用冲头冲孔Φ130±5mm，冲孔底片厚度40mm，制备近矩形环件2；
进一步，所述异形预制环坯制备，包括：局部模锻。
所述局部模锻步骤为：如图1所示，在压力机上采用开式模锻，将近矩形环坯2放入已预热的上模具1和下模具3之间，仅对近矩形环坯2靠近外圆部位的上下两端面施加压力，进行局部变形制成GH2132异形预制环坯4；
进一步，GH2132异形预制环坯4外圆部位两斜面的夹角α为50°；
进一步，模锻压力F为1.18×107N；
进一步，最大模锻压力计算方式为：F=2μσS，其中μ为GH2132合金环件材料与模具的摩擦系数，μ=0.28，σ为GH2132在终锻温度900℃下的变形抗力，σ=381MPa，S为环坯2与模具1接触面的投影面积，S=550.6cm2。
局部开式模锻具有以下工艺特点：异形预制环坯中产生的锻造流线沿锻件轮廓随形分布，有利于提升环坯综合力学性能；异形预制环坯无毛边，后期加工中无需切边，材料利用率高；仅对近矩形环坯局部变形，模具简单，所需设备吨位小，生产成本低。
局部开式模锻可以显著降低锻造过程中的材料屈服强度，减少对大吨位模锻设备的依赖，可快速获能保证最终轧环尺寸和质量要求的异形预制环坯，生产成本低，生产效率高。局部开式模锻不破坏锻件流线的完整性，因而环件的轧环成形质量和批量稳定性高。
进一步，所述轧环，包括：加热、碾轧。
所述加热步骤为：将异形预制环坯4加热至始锻温度1120℃并保温，最短保温时间=0.8min/mm×异形预制环坯有效截面厚度90mm。
所述碾轧步骤为：将加热完成后异形预制环坯4放至轧环机上，使异形预制环坯4的外凸部分与主辊模具5内凹部分相对应，主辊模具5以轴向自转线速度1.4m/s结合芯辊的径向进给速度1.2 mm/s，将异形预制环坯4轧环至要求形状和尺寸；
进一步，轧环过程中，金属通过塑性变形逐步填充轧环机主辊模具的过程如图4所示。轧环初期如图4a所示，芯辊通过径向进给运动将异形预制环坯4送入轧制主辊模具5中，坯料与模具接触并开始轧环，主辊模具5的上台肩6和下台肩7分别挤压异形预制环坯4的上斜面8和下斜面9。根据塑性变形中金属体积不变的原则和最小阻力定律，随着环坯直径逐渐增大，异形预制环坯4上斜面8和下斜面9处的金属将向主辊模具5中轴向和径向空置区域流动；轧环稳定阶段如图4b、4c所示，芯辊径向进给运动与主辊轴向自转运动结合，异形预制环坯4首先完成主辊模具5中上台肩6和下台肩7外部上V型槽10和下V型槽11的填充，再完成主辊模具5中上台肩6和下台肩7内部U型槽12的填充；轧环校圆整形阶段如图4d所示，芯辊不进行径向进给运动，仅主辊进行轴向自转运动，对环件进行校圆整形，最终，得到如图5所示的高温合金法兰异形环件。
进一步，轧环过程中，最大轧环力为8.7×105N；
进一步，最大轧环力计算方式为P=2kbL(1+ h0/4L+m3L/8 h0+m3L/4b)，其中k为环件材料剪切屈服强度，k=219.97MPa，b为环件高度，b=89mm，L为接触弧长，L=1.7mm，h0为环件壁厚，h0=82mm，m为摩擦因子，m=0.67；
进一步，实际成型的变形量为开式模锻局部变形后的环坯中间坯截面积与最终环件截面积的轧制比λ。本实施例中，局部模锻变形后的环坯中间坯截面积为7569mm2，最终环件截面积为4836 mm2，λ为1.56。
本发明的法兰的局部模锻及轧环复合成形方法，采用锯切、加热、镦粗、冲孔、模锻和轧环的工艺方案，该方案首先将合金棒材加热，经过镦粗，冲孔后得到近矩形环坯，采用开式模锻仅对近矩形环坯靠近外圆部位的端面进行局部变形，最后利用轧环机轧制成法兰盘形件。
本发明与以往工艺相比，具有以下优点：无需大余量机加工，无切边工步，最大限度提高材料利用率和保留锻造流线的完整性；无需多次环轧，经局部模锻制备的异形预制环坯可在轧环模具中充型完全；工艺简单，无需复杂的锻造模膛，无需大吨位的复杂成形设备，节约锻件成本，该技术适用于各类企业。
因此，本实施例的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，可有效简化工艺流程，可利用低成本的工艺方法及设备制造力学性能优异的法兰盘形件，该技术应用前景广泛，适合在各类企业中推广。
实施例2
本实施例中，以牌号为GH4169合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：
GH4169合金的主要化学元素含量为：
表2.GH4169合金的主要化学元素
元素 C Cr Ni Co Nb Mo Al
含量（%） 0.02～0.06 17.0～21.00 50.0～55.0 ≤1.00 4.75～5.50 2.80～3.30 0.20～0.80
Ti Fe B Mn Si P S Cu
0.65～1.15 余量 ≤0.006 ≤0.35 ≤0.35 ≤0.015 ≤0.015 ≤0.30
实施高温合金异形截面法兰盘形件的局部模锻及轧环复合成形方法需要提供带锯床、锻造加热炉、压力机、轧环机、机械手。
本发明的一种高温合金法兰异形环件的局部模锻制坯及轧环复合成形方法采取如下技术方案，包括近矩形环坯制备、异形预制环坯制备、轧环。
进一步，所述近矩形环坯制备，包括：锯切、加热、镦粗、冲孔。
所述锯切步骤为：将GH4169合金棒材按预设规格进行锯切。
所述加热步骤为：将锯切好的GH4169合金棒材加热至始锻温度1020℃并保温，最短保温时间=0.6min/mm×GH4169合金棒材直径195mm。
所述镦粗步骤为：使用压力机，铆镦消除尖角后整体镦粗至H=95±5mm；
进一步，为避免过大变形造成GH4169合金温度上升，镦粗时变形量控制在40%～45%。
所述冲孔步骤为：利用冲头冲孔Φ135±5 mm，冲孔底片厚度40mm，制备GH4169合金近矩形环件2。
进一步，所述异形预制环坯制备，包括：局部模锻。
所述局部模锻步骤为：如图1所示，在压力机上采用开式模锻，将矩形环坯2放入已预热的上模具1和下模具3之间，仅对矩形环坯2靠近外圆部位的上下两端面施加压力，进行局部变形制成GH4169异形预制环坯4；
进一步，GH4169异形预制环坯4外圆部位两斜面的夹角α为53°；
进一步，最大模锻压力F为1.52×107N；
进一步，最大模锻压力计算方式为：F=2μσS，其中μ为GH4169材质材料与模具的摩擦系数，μ=0.28，σ为GH4169在终锻温度930℃下的变形抗力，σ=532MPa，S为环坯2与模具1接触面的投影面积， S=510.4cm2。
局部开式模锻具有以下工艺特点：异形预制环坯中产生的锻造流线沿锻件轮廓随形分布，有利于提升环坯综合力学性能；异形预制环坯无毛边，后期加工中无需切边，材料利用率高；仅对近矩形环坯局部变形，模具简单，所需设备吨位小，生产成本低。
局部开式模锻可以显著降低锻造过程中的材料屈服强度，减少对大吨位模锻设备的依赖，可快速获能保证最终轧环尺寸和质量要求的异形预制环坯，生产成本低，生产效率高。局部开式模锻不破坏锻件流线的完整性，因而环件的轧环成形质量和批量稳定性高。
进一步，所述轧环，包括：加热、碾轧。
所述加热步骤为：将异形预制环坯4加热至始锻温度1020℃并保温，最短保温时间=0.6min/mm×GH4169异形预制环坯有效截面厚度95mm。
所述轧环步骤为：将加热完成后异形预制环坯4放至轧环机上，使异形预制环坯4的外凸部分与主辊模具5内凹部分相对应，主辊模具5以轴向自转线速度1.0m/s结合芯辊的径向进给速度0.8 mm/s，将异形预制环坯4轧环至要求的形状和尺寸；
进一步，轧环过程中，金属通过塑性变形逐步填充轧环机主辊模具的过程如图4所示。轧环初期图4a所示，芯辊通过径向进给运动将异形预制环坯4送入轧制主辊模具5中，坯料与模具接触并开始轧环，主辊模具5的上台肩6和下台肩7分别挤压异形预制环坯4的上斜面8和下斜面9。根据塑性变形中金属体积不变的原则和最小阻力定律，随着环坯直径逐渐增大，异形预制环坯4上斜面8和下斜面9处的金属将向主辊模具5中轴向和径向空置区域流动；轧环稳定阶段如图4b、4c所示，芯辊径向进给运动与主辊轴向自转运动结合，异形预制环坯4首先完成主辊模具5中上台肩6和下台肩7外部上V型槽10和下V型槽11的填充，再完成主辊模具5中上台肩6和下台肩7内部U型槽12的填充，；轧环校圆整形阶段如图4d所示，芯辊不进行径向进给运动，仅主辊进行轴向自转运动，对环件进行校圆整形，最终，得到如图5所示的高温合金法兰异形环件。
进一步，轧环过程中，最大轧环力为1.38×106N；
进一步，最大轧环力计算方式为P=2kbL(1+ h0/4L+m3L/8 h0+m3L/4b)，其中k为环件材料剪切屈服强度，k=307.15MPa，b为环件高度，b=87mm，L为接触弧长， L=1.67mm ，h0为环件壁厚，h0=96.5mm，m为摩擦因子，m=0.67；
进一步，实际成型的变形量为开式模锻局部变形后的环坯中间坯截面积与最终环件截面积的轧制比λ。本实施例中，局部模锻变形后的环坯中间坯截面积为9211mm2，最终环件截面积为5984 mm2，λ为1.53。
本发明的法兰的局部模锻及轧环复合成形方法，采用锯切、加热、镦粗、冲孔、模锻和轧环的工艺方案，该方案首先将合金棒材加热，经过镦粗，冲孔后得到近矩形环坯，采用开式模锻仅对近矩形环坯靠近外圆部位的上下两端面进行局部变形，最后利用轧环机轧制成法兰盘形件。
本发明与以往工艺相比，具有以下优点：无需大余量机加工，无切边工步，最大限度提高材料利用率和保留锻造流线的完整性；无需多次环轧，经局部模锻制备的异形预制环坯可在轧环模具中充型完全；工艺简单，无需复杂的锻造模膛，无需大吨位的复杂成形设备，节约锻件成本，该技术适用于各类企业。
因此，本实施例的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，可有效简化工艺流程，可利用低成本的工艺方法及设备制造力学性能优异的法兰盘形件，该技术应用前景广泛，适合在中小企业中推广。
实施例3
本实施例中，以牌号为GH536合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：
GH536合金的主要化学元素含量为：
表3.GH536合金的主要化学元素
元素 C Cr Ni Co W Mo Al
含量（%） 0.05～0.15 20.50～23.00 余量 0.50～2.50 0.20～1.00 8.00～10.00 ≤0.50
Ti Fe B Mn Si P S Cu
≤0.15 17.00～20.00 ≤0.010 ≤1.00 ≤1.00 ≤0.025 ≤0.015 ≤0.50
实施法兰盘形件的局部模锻及轧环复合成形方法需要提供带锯床、锻造加热炉、压力机、轧环机、机械手。
本发明的一种高温合金法兰异形环件的局部模锻制坯及轧环复合成形方法采取如下技术方案，包括近矩形环坯制备、异形预制环坯制备、轧环。
进一步，所述近矩形环坯制备，包括：锯切、加热、镦粗、冲孔。
所述锯切步骤为：将GH536合金棒材按预设规格进行锯切。
所述加热步骤为：将锯切好的GH536合金棒材加热至始锻温度1150℃并保温，最短保温时间=0.7min/mm×合金棒材直径205mm。
所述镦粗步骤为：使用压力机，铆镦消除尖角后整体镦粗至H=112±5mm。
进一步，为避免过大变形造成GH536温度上升，镦粗时变形量控制在45%～50%。
所述冲孔步骤为：利用冲头冲孔Φ140±5mm，冲孔底片厚度45mm，制备GH536近矩形环件2。
进一步，所述异形预制环坯制备，包括：局部模锻。
所述局部模锻步骤为：如图1所示，在压力机上采用开式模锻，将矩形环坯2放入已预热的上模具1和下模具3之间，仅对矩形环坯2靠近外圆部位的上下两端面施加压力，进行局部变形制成GH536异形预制环坯4；
进一步，GH536异形预制环坯4外圆部位两斜面的夹角α为55°；
进一步，最大模锻压力F为1.49×107N；
进一步，最大模锻压力计算方式为：F=2μσS，其中μ为GH536合金环件材料与模具的摩擦系数，μ=0.28，σ为GH536合金在终锻温度850℃下的变形抗力，σ=416MPa ，S为环坯2与模具1接触面的投影面积，S=640.2cm2。
局部开式模锻具有以下工艺特点：异形预制环坯中产生的锻造流线沿锻件轮廓随形分布，有利于提升环坯综合力学性能；异形预制环坯无毛边，后期加工中无需切边，材料利用率高；仅对近矩形环坯局部变形，模具简单，所需设备吨位小，生产成本低。
局部开式模锻可以显著降低锻造过程中的材料屈服强度，减少对大吨位模锻设备的依赖，可快速获能保证最终轧环尺寸和质量要求的异形预制环坯，生产成本低，生产效率高。局部开式模锻不破坏锻件流线的完整性，因而环件的轧环成形质量和批量稳定性高。
进一步，所述轧环，包括：加热、碾轧。
所述加热步骤为：将异形预制环坯4加热至始锻温度1150℃并保温，最短保温时间=0.7min/mm×异形预制环坯有效截面厚度100mm。
所述碾轧步骤为：将加热完成后异形预制环坯4放至轧环机上，使异形预制环坯4的外凸部分与主辊模具5内凹部分相对应，主辊模具5以轴向自转线速度1.2m/s结合芯辊进给速度1.0 mm/s，将异形预制环坯4轧环至要求形状和尺寸；
进一步，轧环过程中，金属通过塑性变形逐步填充轧环机主辊模具的过程如图4所示。轧环初期如图4a所示，芯辊通过径向进给运动将异形预制环坯4送入轧制主辊模具5中，坯料与模具接触并开始轧环，主辊模具5的上台肩6和下台肩7分别挤压异形预制环坯4的上斜面8和下斜面9。根据塑性变形中金属体积不变的原则和最小阻力定律，随着环坯直径逐渐增大，异形预制环坯4上斜面8和下斜面9处的金属将向主辊模具5中轴向和径向空置区域流动；轧环稳定阶段如图4b、4c所示，芯辊径向进给运动与主辊轴向自转运动结合，异形预制环坯4首先完成主辊模具5中上台肩6和下台肩7外部上V型槽10和下V型槽11的填充，再完成主辊模具5中上台肩6和下台肩7内部U型槽12的填充；轧环校圆整形阶段如图4d所示，芯辊不进行径向进给运动，仅主辊进行轴向自转运动，对环件进行校圆整形，最终，得到如图5所示的高温合金法兰异形环件；
进一步，轧环过程中，最大轧环力为1.1×106N；
进一步，最大轧环力计算方式为P=2kbL(1+ h0/4L+m3L/8 h0+m3L/4b)，其中k为环件材料剪切屈服强度，k=240.18MPa，b为环件高度，b=100mm，L为接触弧长，L=1.68mm ，h0为环件壁厚，h0=85mm，m为摩擦因子，m=0.67；
进一步，实际成型的变形量为开式模锻局部变形后的环坯中间坯截面积与最终环件截面积的轧制比λ。本实施例中，局部模锻变形后的环坯中间坯截面积为9415mm2，最终环件截面积为5348 mm2，λ为1.76。
本发明的法兰的局部模锻及轧环复合成形方法，采用锯切、加热、镦粗、冲孔、模锻和轧环的工艺方案，该方案首先将合金棒材加热，经过镦粗，冲孔后得到近矩形环坯，采用开式模锻仅对近矩形环坯靠近外圆部位的上下两端面进行局部变形，最后利用轧环机轧制成法兰。
本发明与以往工艺相比，具有以下优点：无需大余量机加工，无切边工步，最大限度提高材料利用率和保留锻造流线的完整性；无需多次环轧，经局部模锻制备的异形预制环坯可在轧环模具中充型完全；工艺简单，无需复杂的锻造模膛，无需大吨位的复杂成形设备，节约锻件成本，该技术适用于各类企业。
因此，本实施例的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，可有效简化工艺流程，可利用低成本的工艺方法及设备制造力学性能优异的法兰盘形件，该技术应用前景广泛，适合在各类企业中推广。
上述实施例和说明书中描述的仅仅是本发明的基本原理，并非用以限定本方法的范围。对于不同形状的异形环锻件，只需改变局部模锻的模具型腔形状和轧环模具形状，即可制备不同截面形状的异形环件。与本发明相关的各种非创造性的变化与改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，其特征在于，包括如下过程：
将近矩形环坯置于模具中局部模锻，制成异形预制环坯；
将异形预制环坯加热至1000～1200℃并保温，最短保温时间=（0.4～1）min/mm×异形预制环坯有效厚度；保温完成后进行轧环，最终获得法兰盘形件。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，其特征在于，近矩形环坯的制备过程包括：将合金棒材按预设规格进行锯切，将锯切好的合金棒材加热至1000～1200℃并保温，最短保温时间=（0.4～1）min/mm×合金棒材直径；然后再进行镦粗、冲孔，制成近矩形环坯。
3.根据权利要求1所述的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，其特征在于，模锻过程中采用局部开式模锻，仅对近矩形环坯靠近外圆部位的上下两端面施加压力，进行局部变形得到异形预制环坯。
4.根据权利要求3所述的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，其特征在于，异形预制环坯外圆部位两斜面的夹角为45°～60°。
5.根据权利要求3所述的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，其特征在于，最大模锻压力F为1×107N～2×107N，其计算方式为：F=2μσS，其中μ为环件材料与模具的摩擦系数，σ为环件材料在终锻温度下的变形抗力，S为环坯与模具接触面的投影面积。
6.根据权利要求1所述的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，其特征在于，轧环过程中，主辊的可选自转线速度范围为0.4～1.6m/s，芯辊的径向进给速度分三个阶段：轧环初期，轧环稳定阶段，轧环校圆整形阶段，芯辊径向进给速度范围0～3mm/s。
7.根据权利要求6所述的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，其特征在于，轧环过程中，最大轧环力范围8×105N～1.7×106N，计算方式为P=2kbL(1+ h0/4L+m3L/8 h0+m3L/4b)，其中k为环件材料剪切屈服强度，b为环件高度，L为接触弧长，h0为环件壁厚，m为摩擦因子。
8.根据权利要求1所述的一种高温合金异形截面法兰盘形件的局部模锻制坯及轧环复合成形方法，其特征在于，盾构机刀圈异形环件的实际成型的轧制比λ为1～2。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种高温合金异形截面法兰盘形件的模锻及轧制成形方法，其特征在于，法兰材质为高温合金。
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