CN100486754C - 大中型空心盘形锻件的轧制成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，轧制工艺为：变形金属棒料→加热→镦粗(压力机)→饼坯→压型(压力机)→盘坯料→冲孔→空心盘坯→加热→装机定位(辗轧机)→轴向轧制(辗轧机)→径-轴向轧制(辗轧机)→测算尺寸→空心盘形锻件。轧制的轴向轧制力为2×105kg～5×105kg，径向轧制力为5×104kg～2×105kg，展宽速度为5mm/s～15mm/s。轧制的盘形锻件尺寸为：外径Φ800mm～Φ3000mm，内径Φ300mm～Φ2000mm，厚度30mm～250mm。并且通过改变锥辊的锥面形状、尺寸可轧制出不同盘面型腔的盘形锻件。采用该方法可以实现盘形锻件的连续局部塑性变形成形，用小设备干大锻件。
Description
技术领域
本发明涉及一种锻件的轧制成形方法，特别是大中型空心盘形锻件的轧制成形方法。
背景技术
大中型盘形锻件，如重型地面燃气轮机用的压气机盘和涡轮盘等锻件，国际上目前主要采用重型液压机进行模锻或自由锻成形，大中型盘形锻件采用液压机锻压成形由于存在以下不足之处导致盘形锻件的锻造和推广应用较困难：
设备所需吨位大，对于一般的变形金属材料如结构钢、不锈钢等盘形锻件，需要5×107kg(5万吨)级以上的重型液压机才能锻造成形；对于难变形的金属材料如难变形高温合金等材料的盘形锻件，甚至要用1×108kg(10万吨)级以上的重型液压机才能锻造成形，即盘形锻件需要较大的外力才能变形成形，由于设备吨位大导致设备的制造难度加大，设备的投资金额也较大；
锻造盘形锻件所用的模具对材料的要求较高，模具用材量较大，模具易于损耗，模具的加工制造等费用较高，而且对不同形状和规格的盘形锻件需要设计制造不同的锻造模具；
大型盘形锻件在锻压成形时，由于盘形面的受力面积较大，使锻件的变形不均匀导致锻件的组织不均匀，从而影响锻件的性能；
采用自由锻锻造盘形锻件，一般情况下只能锻出圆饼形盘形坯料，需要经过大量的机械加工才能得到盘形锻件所需的形状，不仅增加了加工成本，而且还浪费了大量的金属材料；
采用模锻或自由锻锻造大中型盘形锻件，由于是采用锻压整个盘面的方式来实现盘坯变形，一般情况下，盘坯的加热火次和锻造次数较多，盘坯的表面氧化脱皮现象较频繁，而且锻件尺寸精度不高，很难生产出接近零件形状的锻件，即不易实现锻件的近净成形；
采用模锻或自由锻锻造大中型盘形锻件，不易于实现锻造过程的自动化和柔性化，更满足不了多品种、变批量的市场需求；
采用重型液压机锻压大中型盘形锻件，工作环境差，劳动强度大，生产率低，而且能耗较高；
对于锻件的轧制技术来说，《环件轧制理论和技术》(华林、黄兴高、朱春东著，机械工业出版社，2001年10月第一版)一书中的第2页第19行～第3页第1行和第223页第16行～第229页第21行公开了一种锻件的径-轴向轧制技术，但采用该技术轧制的是环件即环形锻件，该技术要解决的是环件的扩孔问题，而不是盘形锻件的成形问题。
有鉴于此，本发明提供了一种大中型空心盘形锻件的轧制成形方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种使用较小的径-轴向轧制力来实施大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，该方法通过轧制盘形锻件时的径-轴向塑性局部连续变形来使盘形锻件成形，以实现用小设备干大锻件。
为解决上述技术问题，本发明大中型空心盘形锻件的轧制成形方法是采用以下技术方案来实现的：
首先提供带有主辊、芯辊、上锥辊、下锥辊、芯辊套和两个导辊的辗轧机，辗轧机具备使上述各轧制部件转动或移动并能够调节转动或移动速度的控制装置和通过上述各部件的转动或移动来测算盘件尺寸的测量装置；同时还需要提供用于锻件开坯的普通锻造压力机。然后按以下步骤操作：
第一步，把按规格下料的变形金属材料的棒料加热到变形温度后在锻造压力机上镦粗成饼坯，再把饼坯加热到变形温度后放在具有上型模和下型模的锻造压力机上压型成盘坯料，盘坯料用冲头冲出中心孔得到空心盘坯；
第二步，把盘坯加热到变形温度后用装料车的机械手夹持住装进辗轧机，盘坯的下盘面放在下锥辊上，其外圆面紧靠主辊；启动辗轧机，操纵上锥辊垂直朝下锥辊方向移动直到上锥辊和下锥辊分别夹紧盘坯的上下盘面，盘坯的外圆端面由主辊和两个导辊锁住，松开机械手，完成盘坯的定位；
第三步，操纵主辊、上锥辊和下锥辊按轧制所需要的方向旋转从而带动盘坯旋转，两个导辊跟着盘坯一起旋转并扶持和稳定盘坯，同时操纵上锥辊向下作轴向进给运动，上锥辊和下锥辊沿盘坯的轴向轧制其盘面并沿其径向水平外移从而实现盘坯的轴向轧制；
第四步，轴向轧制使盘坯的中心孔扩大到一定范围时，操纵芯辊向下位移穿过盘坯的中心孔与芯辊套配合后停止下移，芯辊与盘坯的内径圆面接触被盘坯带着与芯辊套一起转动并沿盘坯的径向朝主辊的方向作进给运动从而实现盘坯的径向轧制；
第五步，在径-轴向轧制力的作用下，盘坯沿径向以一定的速度展宽，并产生径向壁厚减小、轴向厚度减小、内外直径扩大、轮廓成形的连续局部塑性变形；当盘坯经反复多转轧制使其形状和尺寸达到要求时，芯辊的径向进给运动和上锥辊的轴向进给运动停止，盘坯的径-轴向轧制变形结束，获得空心盘形锻件。
在上述大中型空心盘形锻件的轧制成形过程中，所述盘坯的盘面受到上锥辊和下锥辊的轴向轧制力为2×105kg～5×105kg，所述盘坯受到芯辊和主辊的径向轧制力为5×104kg～2×105kg，展宽速度为5mm/s～15mm/s。
采用本发明所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，能够轧制的盘形锻件的尺寸范围为：外径Φ800mm～Φ3000mm，内径Φ300mm～Φ2000mm，轴向厚度30mm～250mm。
采用本发明所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法进行轧制时，所述盘形锻件的外径尺寸通过两个导辊的径向位移量来测算，内径尺寸通过芯辊朝主辊的径向进给量来测算，轴向厚度尺寸通过上锥辊的轴向进给量来测算，盘面型腔的径向尺寸通过上锥辊的径向进给量来测算。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，由于采用径-轴向轧制使盘形锻件产生径向壁厚减小、轴向厚度减小、内外直径扩大来实现锻件的连续局部塑性变形，轧制时金属流动既可在圆周方向，又可在轴向，这种现象完全符合最小阻力定律。与大中型空心盘形锻件的模锻或自由锻方法相比，本发明具有如下有益效果：
用小设备干大锻件，轧制时所需最大轧制力为5×105kg(500吨)，远远小于模锻或自由锻所需的5×107kg(5万吨)～1×108kg(10万吨)的压力，即盘件轧制时只需较小的轧制力便可实现塑性变形成形，因而可以使锻造设备小型化，锻造设备的制造难度和投资也相应减小，有利于大中型盘形锻件的制造和推广应用。
节省模具费用，轧制时由于使用主辊、锥辊、芯辊在较小的轧制力下使盘形锻件变形成形，而且用同一套上述轧制部件便可轧制出不同尺寸的盘形锻件，从而可以节省大量的模具材料及其模具的制造加工、损耗等费用。
可以获得性能优良的盘形锻件，轧制时由于采用连续局部塑性变形的方式，使锻件的变形较均匀，可获得内部组织均匀的锻件从而提高锻件的性能。
可以实现盘形锻件的近净成形，轧制出接近零件形状和尺寸的盘形锻件；轧制时由于坯料的加热火次和轧制次数较少(一般1～3次)，减少了坯料的表面氧化脱皮现象，有利于提高盘形锻件的尺寸精度，从而可节省大量的金属材料和机加费用。
可以实现难变形金属材料盘形锻件的塑性成形，对于难变形的高温合金等材料，采用连续局部塑性变形的方式，通过多次小变形量的反复轧制便可实现塑性变形成形。
轧制过程自动化程度较高，盘形锻件在轧制时，是靠自动控制轧制部件的转动和移动来实现连续变形的，加上不需要设计专用模具，因而可以满足多品种、变批量的市场需求；同时还可改善工作环境差，降低劳动强度，提高生产率和节能降耗。
通过以上说明可知，本发明的出现，实现了盘形锻件从模锻或自由锻向轧制的重大技术进步，同时也实现了锻件从轧环向轧盘的重大技术进步。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是空心盘坯的制作工艺流程图。
图2是空心盘形锻件的轧制成形工艺流程图。
图3、图4、图5、图6是空心盘形锻件的轧制成形工艺过程状态图。其中：
图3是盘坯装进辗轧机的状态图。
图4是盘坯定位及轴向轧制状态图。
图5是盘坯的径-轴向轧制过程状态图。
图6是俯视方向的盘坯轧制过程状态图。
图7是轧制成形的空心盘形锻件
具体实施方式
实施本发明所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，需要提供带有图3～图6所示的主辊9、芯辊10、上锥辊11、下锥辊12、芯辊套13和两个导辊14的辗轧机8，辗轧机8应具备使上述各轧制部件按图示方向转动或移动并能够调节转动或移动速度的控制装置和通过上述各部件的转动或移动来测算盘件的内、外径、轴向厚度尺寸和盘面型腔尺寸的测量装置。同时还需要提供用于锻件开坯的普通锻造压力机。然后按以下步骤操作：
步骤1：空心盘坯7的制作。图1示出了空心盘坯的制作工艺流程，把按规格下料的变形金属材料的棒料1加热到变形温度后在锻造压力机上镦粗成饼坯2，再把饼坯2加热到变形温度后放在具有上型模3和下型模4的锻造压力机上压型成盘坯料5，盘坯料5用冲头6冲出中心孔得到空心盘坯7。
步骤2：盘坯7装机。如图3所示，把盘坯7加热到变形温度后用装料车的机械手夹持住装进辗轧机8，盘坯7的下盘面放在下锥辊12上，其外圆面紧靠主辊9。
步骤3：盘坯7在辗轧机8内定位。启动辗轧机8，如图3和图4所示，操纵上锥辊11垂直朝下锥辊12方向移动直到上锥辊7和下锥辊8分别夹紧盘坯7的上下盘面，同时，盘坯7的外圆端面由主辊9和两个导辊14锁住(如图6所示)，松开机械手，完成盘坯7的定位。
步骤4：盘坯7的轴向轧制。操纵主辊9、上锥辊11和下锥辊12按图4所示的方向旋转从而带动盘坯7按图6所示的方向旋转，两个导辊14跟着盘坯7一起旋转并扶持和稳定盘坯7，同时操纵上锥辊11向下作轴向进给运动，上锥辊11和下锥辊12沿盘坯7的轴向轧制其盘面并沿其径向水平外移从而实现盘坯7的轴向轧制。在轴向轧制力的作用下，盘坯7沿径向以一定的速度展宽，盘坯7的盘面受到上锥辊11和下锥辊12的轴向轧制力为2×105kg～5×105kg，展宽速度为5mm/s～15mm/s，所述展宽速度是指轧制时盘坯7的外环沿径向增大的速度。
步骤5：盘坯7的径-轴向轧制。随着轴向轧制过程的进行，金属从内向外作径向流动，盘坯7产生轴向高度减小、内外直径扩大。当盘坯7的中心孔扩大到一定范围时，如图4和图5所示，芯辊10向下位移穿过盘坯7的中心孔与芯辊套13配合后停止下移，芯辊10与盘坯7的内径圆面接触被盘坯7带着与芯辊套13一起转动并沿盘坯7的径向朝主辊9的方向作进给运动从而实现盘坯7的径向轧制。在径-轴向轧制力的作用下，盘坯7沿径向以一定的速度展宽，盘坯7受芯辊13和主辊9的径向轧制力为5×104kg～2×105kg，受到上锥辊11和下锥辊12的轴向轧制力为2×105kg～5×105kg，展宽速度为5mm/s～15mm/s。
步骤6：轧制出空心盘形锻件15。在径-轴向轧制过程中，盘坯7产生径向壁厚减小、轴向厚度减小、内外直径扩大、盘坯7轮廓成形的连续局部塑性变形，当盘坯7经反复多转轧制使其形状和尺寸达到要求时，芯辊10的径向进给运动和上锥辊11的轴向进给运动停止，盘坯7的径-轴向轧制变形结束。轧制时盘坯7的轴向尺寸和形状始终处于上锥辊11和下锥辊12的锥面控制之中，上锥辊11和下锥辊12的形状、配合和运动的一致性可使盘坯7的上下盘面型腔的形状和尺寸一致。通过上锥辊11的轴向进给量可测算盘坯7的轴向厚度尺寸，通过其径向进给量可测算盘面型腔的径向尺寸；芯辊13和主辊9的径向轧制可调整盘坯7的圆度和尺寸，通过芯辊13朝主辊9的径向进给量可测算盘坯7的内径尺寸；导辊14随盘坯7的外圆一起转动并通过其径向位移量可测算盘坯7的外径尺寸。轧制过程结束即可获得空心盘形锻件15。
采用本发明所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法轧制空心盘形锻件时，在上锥辊11和下锥辊12锥面形状、尺寸和配合一致的情况下，通过改变锥辊的锥面形状、尺寸可轧制出不同盘面型腔的盘形锻件。
采用本发明所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法轧制空心盘形锻件的尺寸范围为：外径为Φ800mm～Φ3000mm，内径为Φ300mm～Φ2000mm，轴向厚度为30mm～250mm。
Claims (4)
1、一种大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，首先提供带有主辊(9)、芯辊(10)、上锥辊(11)、下锥辊(12)、芯辊套(13)和两个导辊(14)的辗轧机(8)，辗轧机(8)具备使上述各轧制部件转动或移动并能够调节转动或移动速度的控制装置和通过上述各部件的转动或移动来测算盘件尺寸的测量装置；同时还需要提供用于锻件开坯的普通锻造压力机；然后按以下步骤操作：
第一步，把按规格下料的变形金属材料的棒料(1)加热到变形温度后在锻造压力机上镦粗成饼坯(2)，再把饼坯(2)加热到变形温度后放在具有上型模(3)和下型模(4)的锻造压力机上压型成盘坯料(5)，盘坯料(5)用冲头(6)冲出中心孔得到空心盘坯(7)；
第二步，把盘坯(7)加热到变形温度后用装料车的机械手夹持住装进辗轧机(8)，盘坯(7)的下盘面放在下锥辊(12)上，其外圆面紧靠主辊(9)；启动辗轧机(8)，操纵上锥辊(11)垂直朝下锥辊(12)方向移动直到上锥辊(7)和下锥辊(8)分别夹紧盘坯(7)的上下盘面，盘坯(7)的外圆端面由主辊(9)和两个导辊(14)锁住，松开机械手，完成盘坯(7)的定位；
第三步，操纵主辊(9)、上锥辊(11)和下锥辊(12)按轧制所需要的方向旋转从而带动盘坯(7)旋转，两个导辊(14)跟着盘坯(7)一起旋转并扶持和稳定盘坯(7)，同时操纵上锥辊(11)向下作轴向进给运动，上锥辊(11)和下锥辊(12)沿盘坯(7)的轴向轧制其盘面并沿其径向水平外移从而实现盘坯(7)的轴向轧制；
第四步，轴向轧制使盘坯(7)的中心孔扩大到一定范围时，操纵芯辊(10)向下位移穿过盘坯(7)的中心孔与芯辊套(13)配合后停止下移，芯辊(10)与盘坯(7)的内径圆面接触被盘坯(7)带着与芯辊套(13)一起转动并沿盘坯(7)的径向朝主辊(9)的方向作进给运动从而实现盘坯(7)的径向轧制；
第五步，在径-轴向轧制力的作用下，盘坯(7)沿径向以一定的速度展宽，并产生径向壁厚减小、轴向厚度减小、内外直径扩大、轮廓成形的连续局部塑性变形；当盘坯(7)经反复多转轧制使其形状和尺寸达到要求时，芯辊(10)的径向进给运动和上锥辊(11)的轴向进给运动停止，盘坯(7)的径-轴向轧制变形结束，获得空心盘形锻件(15)。
2、按照权利要求1所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，其特征在于：所述盘坯(7)的盘面受到上锥辊(11)和下锥辊(12)的轴向轧制力为2×105kg～5×105kg，所述盘坯(7)受到芯辊(13)和主辊(9)的径向轧制力为5×104kg～2×105kg；所述盘坯(7)的展宽速度为5mm/s～15mm/s。
3、按照权利要求1所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，其特征在于：所述盘形锻件外径尺寸是Φ800mm～Φ3000mm，内径尺寸是Φ300mm～Φ2000mm，轴向厚度尺寸是30mm～250mm。
4、按照权利要求3所述的大中型空心盘形锻件的轧制成形方法，其特征在于：所述盘形锻件的外径尺寸通过两个导辊(14)的径向位移量来测算，内径尺寸通过芯辊(13)朝主辊(9)的径向进给量来测算，轴向厚度尺寸通过上锥辊(11)的轴向进给量来测算，盘面型腔的径向尺寸通过上锥辊(11)的径向进给量来测算。
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