CN101181732A

CN101181732A - 大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法

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Publication number: CN101181732A
Application number: CNA2007101725997A
Authority: CN
Inventors: 张效迅; 马芳; 崔振山
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: CN100509207C

Abstract

一种大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法，用于材料成型加工技术领域。本发明使用钹形砧对大锻件进行镦粗，将大型锻件置于上、下砧之间，通过上砧的镦压运动对大型锻件进行锻造；所述钹形砧，其工作面包括两个曲面，第一曲面是一个外凸的球形表面的一部分，第二曲面的一侧与第一曲面相接，另一侧与钹形砧的圆柱面相连，第二曲面与第一曲面之间采用圆角过渡，第二曲面的水平夹角用α表示，α角在－20°～20°之间。本发明使大型锻件在整个轴线附近的缺陷都能得到比较理想的消除，改善锻件的内部质量和力学性能，用较少的镦粗次数就能得到较好的锻件质量，生产效率高，所需压机载荷小，节省能源。

Description

大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法

技术领域

本发明涉及一种材料成型技术领域的加工方法，具体是一种大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法。

背景技术

大锻件是电力、冶金、造船、核能、航天等重大工程和装备的关键零部件，其生产能力、产品级别与性能质量水平已成为一个国家工业水平的标志。然而，钢铁冶金过程决定了钢锭内部不可避免地会存在缩孔、疏松、夹杂等各种缺陷。消除大型锻件的内部缺陷，提高其内在质量及承载能力，是塑性加工领域多年来一直予以高度重视的研究方向，也是机械工业技术进步对锻件制造技术提出的基本要求之一。实际生产中，通常采用镦粗和拔长两个主要工艺过程对大锻件进行锻造，以消除大锻件的内部缺陷，提高大锻件的力学性能。

在大锻件的镦粗过程中，一般采用平砧对大型钢锭进行镦粗。研究表明，平砧下面由于存在一个难变形区(或称“变形死区”)，导致该区域的内部缺陷不能消除，形成“砧下缺陷区”。内部缺陷的存在使得锻件的使用寿命缩短、力学性能降低，甚至报废。为此，1994年刘助柏和王连东在《机械工程学报》上发表了“用锥形板镦粗的新工艺及其力学原理”的文章，提出用锥形板对大锻件进行镦粗，但锥形板镦压时大型钢锭内部的变形是不均匀的，导致锻件力学性能不均匀。

经对现有技术的文献检索发现， 2005年黄华贵等在《锻压技术》上发表了“大型零件M锻造法及其孔洞缺陷锻合过程的数值模拟”的文章(黄华贵，杜凤山，臧新良.大型零件M锻造法及其孔洞缺陷锻合过程的数值模拟.锻压技术.2005.增刊：34～37)，提出了用M形板镦粗的方法，其不足之处在于：M形板镦压时存在较大的难变形区，钢锭内部缺陷不能得到有效消除。

由此可见，目前的镦粗方法都不能很好地消除大锻件的内部缺陷，即使是多次镦压，大锻件的力学性能也不能有效提高。因此，有待于发明一种更好的工艺方法，以改善锻件质量，提高生产率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法。本发明通过巧妙设计的钹形砧，实现了难变形区金属的流动，促使变形体变形均匀，使大型钢锭在整个轴线附近的缺陷都能得到比较理想的消除。本发明通过较小的压下率就能达到较好的锻造效果，镦粗次数少，所需压机载荷小，既改善了锻件的内部质量和力学性能，又能提高生产率，节省了能源。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明使用钹形砧对大锻件进行镦粗，将大型锻件置于上、下砧之间，通过上砧的镦压运动对大型锻件进行锻造。上、下砧都用钹形砧，也可以上、下砧中有一砧采用钹形砧进行锻造。

所述钹形砧，其工作面类似于“钹”形，其工作面包括两个曲面，第一曲面是一个外凸的球形表面的一部分，球的直径为D1，第二曲面的一侧与第一曲面相接，另一侧与钹形砧的圆柱面相连，圆柱面的直径为D2，第二曲面与第一曲面之间采用圆角过渡，D1、D2的具体数值根据锻件材料、锻件几何尺寸和锻造工艺参数确定。第二曲面的水平夹角用α表示，α角可在-20°～20°之间根据要求不同而变化，当α＜0时，第二曲面为凹形面，当α＝0时，第二曲面为平面，当α＞0时，第二曲面为凸形面。

本发明大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法具有很多优点：(1)镦粗时，钹形砧中间的凸面部分首先与锻件接触，推动难变形区金属流动，能有效消除“砧下缺陷区”；(2)钹形砧镦粗能形成良好的应力应变状态，促使变形体内部变形均匀，使大型钢锭在整个轴线附近的缺陷都能得到比较理想的消除，改善了锻件的内部质量和力学性能；(3)钹形砧锻造法通过较小的压下率就能达到较好的锻造效果，镦粗次数比传统方法少一倍以上，生产效率提高，模具使用寿命延长，成本降低；(4)当上砧为钹形砧，下砧为平砧时，所需压机载荷比传统方法小4％-30％，当上下砧都是钹形砧时，所需压机载荷比传统方法小18％以上，节省了能源。

附图说明

图1是钹形砧的三维示意图

图2是钹形砧的平面示意图

图3是上砧为钹形砧，下砧为平砧的锻造方法示意图

图中：1.第一曲面，2.第二曲面，3.圆柱面，4.上砧，5.大型锻件，6.下砧

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1.制作钹形砧。

钹形砧的工作面类似于“钹”形，主要由两个曲面组成，如图1所示，中间外凸的第一曲面1是一个球形表面的一部分，球的直径为D1，第二曲面2的一侧与第一曲面1相接，另一侧与钹形砧的圆柱面3相连，圆柱面的直径为D2，第二曲面2与第一曲面1之间采用圆角过渡。

如图2所示，第二曲面2的水平夹角用α表示，α角可在-20°～20°之间根据要求不同而变化，当α＜0时，第二曲面2为凹形面，当α＝0时，第二曲面2为平面，当α＞0时，第二曲面2为凸形面。需要指出的是，第一曲面1包括但不限于球面，比如，第一曲面1还可以是椭球面、抛物面、双曲面等等，第二曲面2也包括但不限于球面，比如，第二曲面2还可以是锥形面、椭球面、抛物面、双曲面等等，D1、D2的值包括但不限于实施例中的数值，它们的取值可以根据锻件尺寸和锻造工艺来确定。

2.使用钹形砧对大型锻件进行镦粗。

钹形砧制作好后，钹形砧就成为大型锻件镦粗时的工具，将高温的大型锻件5置于上砧4和下砧6之间，上砧4通过镦压运动产生的压下量对大型锻件进行锻造，压下量的大小根据锻件材料和工艺参数确定。具体实施时，可以上、下砧都用钹形砧，也可以上、下砧至少有一砧采用钹形砧进行锻造，钹形砧还可以与其它砧型组合使用。

图3显示的是上砧为钹形砧，下砧为平砧的锻造方法。当下砧采用钹形砧时，为了能将大锻件放稳，下砧四周应高一些，使下砧呈“坛底”形。需要说明的是，镦粗过程的钹形砧锻造方法既适用于大型锻件，也适用于中小型锻件，对中小型锻件应用钹形砧锻造方法也属于本发明的保护范围。术语“大型锻件”是指具有适于锻造的较高可塑性的锻造材料，并通过锻造成型为一制品，“大型”的衡量标准可以是重量，也可以是体积，用重量衡量时一般指锻件重量不小于一吨，用体积衡量时一般指锻件体积不小于0.15立方米，两个衡量标准只要满足一个的锻件就可算作“大型锻件”。锻件材料包括但不限于金属，比如，钹形砧锻造法除了可以锻造各种金属和合金外，还可以用于粉末冶金材料的锻造和压实，甚至还可以用于复合材料的加工。

实施例1：

本实施例采用直径和高均为2m的圆柱形大型锻件，材料是25CrNiMo，在大锻件加热至1210±20℃时进行锻造，上下砧均采用钹形砧，基本尺寸如表1所示。将用钹形砧镦粗所得的锻件与用传统方法镦粗所得锻件进行对比，考察其内部质量和力学性能，得到如下结论：

(1)平砧锻造法和M形板锻造法存在“砧下缺陷区”，内部晶粒大小不均匀；

(2)锥形板锻造法内部应力应变分布不理想，导致内部晶粒大小不均匀；

(3)钹形砧锻造法能促使难变形区金属流动，有效消除“砧下缺陷区”和整个轴线附近的缺陷，内部应力应变分布较理想，使得晶粒大小较均匀，力学性能较好，各种压下率下压机载荷比传统方法都要小，具体数值见表2。

表1实施例1中钹形砧的形状参数

D1	D2	H	α
D1	D2	H	α	3.2m	2.8m	0.3m	5

表2实施例1中钹形砧锻造法与传统方法的压机载荷对比

压下率％	5	10	15	20	25	30	35	40
压下率％	5	10	15	20	25	30	35	40	压机载荷相对减小％	166.9	61.2	20.1	19	18.8	20.5	22.4	27.1

实施例2：

本实施例选用直径为1m高为1.6m的圆柱形大锻件，材料是SW718H，将1200±10℃的大型锻件置于两砧之间，上砧采用钹形砧对大型锻件进行镦压，下砧为平砧。钹形砧的形状参数见表3。实施效果对比：

传统锻造法：存在“砧下缺陷区”，内部晶粒大小不均匀。

钹形砧锻造法：“砧下缺陷区”和整个轴线附近的缺陷都能得到比较理想的消除，内部晶粒大小较均匀，力学性能较好，各种压下率下压机载荷比传统方法都要小，具体数值见表4。

实施例表明，钹形砧锻造法使大型锻件内部应力应变分布较理想，整个轴线附近的缺陷都能得到比较理想的消除，改善了锻件的内部质量和力学性能，用较少的镦粗次数就可以得到较好的锻件质量，生产效率高，所需压机载荷小，节省能源。

表3实施例2中钹形砧的形状参数

D1	D2	H	α
D1	D2	H	α	2m	1.5m	0.3m	0

表4实施例2中钹形砧锻造法与传统方法的压机载荷对比

压下率％	5	10	15	20	25	30	35	40	45
压下率％	5	10	15	20	25	30	35	40	45	压机载荷相对减小％	24.2	5.3	4.6	4.9	5.1	5.3	5.7	6.8	7.2

Claims

1.一种大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法，其特征在于，使用钹形砧对大锻件进行镦粗，将大型锻件置于上、下砧之间，通过上砧的镦压运动对大型锻件进行锻造；

所述钹形砧，其工作面包括两个曲面，第一曲面是一个外凸的球形表面的一部分，第二曲面的一侧与第一曲面相接，另一侧与钹形砧的圆柱面相连，第二曲面与第一曲面之间圆角过渡，第二曲面的水平夹角用α表示，α角在-20°～20°之间。

2.根据权利要求1所述的大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法，其特征是：当α＜0时，第二曲面为凹形面，当α＝0时，第二曲面为平面，当α＞0时，第二曲面为凸形面。

3.根据权利要求1所述的大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法，其特征是：所述上、下砧都采用钹形砧。

4.根据权利要求1所述的大型锻件镦粗过程的钹形砧锻造方法，其特征是：所述上、下砧，其中有一砧采用钹形砧。