CN101185952A - 双面辗压成形方法及双面辗压成形设备 - Google Patents

Abstract

一种双面辗压成形方法，在无模、柔性、等温条件下可以实现大直径、高性能、复杂形状的回转体的成形。工件被固定在可转动的主轴上，多对辗压工具布置在工件两侧，通过辗压工具按预定程序对工件不同位置实施多次辗压就可以将初始坯料成形为形状与性能都满足要求的工件。辗压工具姿态和运动决定了成形间最终的形状和组织性能，所以关键在于辗压工具的合理选择及对其姿态与运动的正确控制，发明包括多个标准系列的辗压工具和用于自动生成辗压工具运动代码的专用计算机软件。本发明还包含可用于大直径难变形合金涡轮盘等温锻造的双面辗压成形设备。该技术具有精密成形、提高性能、节能节材、数字化成形的先进特征，不仅满足国家急需，也对金属塑性成形的行业技术进步具有重要意义，具有广阔的应用前景。

Description

双面辗压成形方法及双面辗压成形设备

技术领域

本发明涉及一种双面辗压成形方法，本发明还涉及使用该方法的设备-双面辗压成形机。

背景技术

该成形方法用于成形回转体形零件，该回转体可以是轴对称或非轴对称的。该方法的最典形的应用是燃气轮机涡轮盘的成形。涡轮盘是燃气轮机的核心部件，在高温、高压环境下工作，因此对其微观组织和机械性能有极高要求。传统的涡轮盘成形工艺是整体锻造，按模具温度划分，可分为普通模锻、热模锻、等温锻。当前最普及的是普通模锻，近年来国内一些厂家开始研究和使用热模锻工艺；由于模具材料困难和成本过高，当前比较普及的是钛合金涡轮盘等温锻，而高温合金涡轮盘的等温锻只有少数发达国家使用。

上述成形工艺都属于整体锻造，其显著特征是需要大型高强度材料模具和大吨位压力机，所有涡轮盘的生产批量都很小，所以模具成本所占比重极高。按传统方法估算，成形载荷与盘径平方成正比，因此大型涡轮盘成形载荷随盘径增加急剧上升，并且随着锻件精度增高，(预留机加工量减小)，所需载荷也急剧增加。例如俄罗斯锻造直径1250mm高温合金涡轮盘用7.5万吨水压机，国内虽然用3万吨水压机或100吨米对击锤也锻出了这种涡轮盘，但是尺寸精度较低，过量的机加工会降低锻件的性能。

锻造领域有一种用小压力机锻大件的局部锻造方法，该方法使用窄条型上砧减少与工件的接触面积降低载荷，通过可转动下砧使坯料相对上砧转动，通过上砧多次锻打完成整体镦粗变形。发明专利200510024208.8的实质就是将这种旋转的局部锻造方法用于制备高温合金涡轮盘的饼坯。虽然该发明降低了涡轮盘锻造制坯工序的载荷，但是后续涡轮盘整体模锻工序仍然需要大型压力机和价格高昂的模具，仍然存在如何精密控制锻件内部微观组织和机械性能的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于轴对称或非轴对称回转型零件的成形方法以克服上述问题。该方法不需要预制坯，不需要模具，使用标准系列的辗压工具进行成形。本发明提供的成形方法，成形载荷与盘件尺寸无关，对成型的盘件无尺寸限制；在控制工件各部位变形方面，本发明比整体锻造方法有更多的可调变量，可以更好的控制工件内部的微观组织演化，提高锻件的机械性能。

本发明所提供的成形方法称为双面辗压成形方法，这是一种柔性、无模、局部塑性体积成形新工艺，其成形机理为：工件被固定在可转动的主轴上，对称布置在工件两侧的两对辗压工具绕各自对称轴旋转，并带动工件绕主轴转动。通过辗压工具在厚度方向和半径方向的进给，在与辗压工具接触的区域，工件产生局部减薄变形。成形可以在等温或非等温条件下进行，工件温度由其材料物理性能决定。在温度确定以后，辗压工具的姿态和运动轨迹决定了工件最终形状和组织性能。根据辗压成形的具体规律和工艺规程所编制的专用计算机软件，可以针对具体的成型零件自动生成控制辗压工具姿态和运动轨迹的计算机代码，从而实现工件的数控辗压成形。多对辗压工具的辗压成形与上述过程类似，在空间允许条件下使用多对辗压工具有利于工件成形。

本发明还为上述成形方法提供一种数控等温双面辗压成形机，可用于钛合金、高温合金等难变形金属的盘件等温成形。

与传统涡轮盘件成形工艺相比，数控等温双面辗压成形具有如下优势：

(1)成形载荷小：用F表示成形载荷，则近似有F＝σs，其中σ工件材料热变形抗力，s为辗压工具和工件接触面积，它只由与辗压工具形状尺寸和压下量，与工件的大小无关。即用较低成形载荷就可以实现大直径的精密成形。从而大大降低了设备成本。

(2)这是一种无模成形，因为省去了模具的加工制造，所以极大地降低了生产成本和生产周期。

(3)工件形状没有负角限制可实现更为精密的成形，不仅提高了材料利用率，还保证了金属流线的完整，提高了工件的机械性能。

(4)这是一种柔性成形：工件的几何形状和微观组织性能完全由辗压工具的姿态和运动轨迹决定，使用系列的标准辗压工具就可以成形出各种复杂形状零件。

(5)通过调整辗压工具运动可以灵活地控制工件各部位的应变路径和应变速率，进而更有效地控制工件内部的微观组织和机械性能。

(6)通过专用计算机软件自动生成辗压工具姿态和运动控制代码，实现了复杂零件塑性体积成形全数字化控制，不仅降低了成形工艺的设计难度，对提高产品的尺寸精度和机械性能具有关键的作用。

精密成形、提高性能、节能节材、数字化成形都是当前金属塑性成形的重要发展趋势，可以看出数控等温双面辗压成形在这几个方面具备极强的技术优势。因此发展这项技术不仅满足国家急需，也对金属塑性成形的行业进步具有重要意义。

附图说明

下面将参照附图所示的示例性实施方案更详细地说明本发明，其中：

图1示出了室温条件下的双面辗压成形机；

图2示出了带有加热炉的等温双面辗压成形机；

图3示出了用于生成辗压工具运动代码的专用计算机软件主框图；其中附图标记：1.辗压工具2.主轴3.工件4.高温加热炉

具体实施方式

根据本发明的一种双面辗压成形方法，一个盘型零件的成形过程如下，首先选择与工件材质相同、重量相等的饼料作为成形毛坯。采用等温成形时，要根据工件材料热变形力学性能、微观组织演化规律，产品的微观组织与性能要求来设计最佳成形温度。成形温度的设计需要参考相关的材料手册及材料的锻造温度范围，例如，普通高温合金是850-1100℃。普通铝合金为400-500℃。钛合金是900-950℃。具体操作步骤为：将准备好的饼坯装卡在可转动的主轴上，饼坯即待辗压变形的工件。在工件两侧布置有两对辗压工具，同侧的一对辗压工具关于主轴中心对称布置，异侧的辗压工具关于饼坯中面对称布置。两对辗压工具在电机驱动下按规定转速绕自身轴线旋转，同侧的辗压工具转动方向相同，异侧的辗压工具转动方向相反，从而驱动工件绕主轴转动。当两对辗压工具沿工件厚度方向进给并达到预定的压下量后，辗压工具的转动就使工件产生了局部变形。辗压工具径向进给可以由内向外也可由外向内，径向进给与辗压成形可分开进行也可同步进行。根据坯料与成形工件的具体情况，通过专用软件可以计算出辗压工具的运动数据，按照计算出的数据控制辗压工具的姿态和运动，通过多次逐步辗压就可以成形出形状性能都合格的零件。多对辗压工具的辗压成形与上述过程类似。为了适应各种复杂形状零件的成形，本发明中的辗压工具包括多个标准系列，它们具有不同的几何形状尺寸、不同的材质和不同的用途。辗压工具的运动轨迹、转速和自身姿态可以同步控制，也可以分别控制；布置在工件两侧的辗压工具可以对称布置，也可以非对称布置，布置在工件同侧的辗压工具可以关于工件转动轴中心对称，也可以彼此间隔相同角度沿工件环向布置但是彼此到转动轴中心的距离可以不同。对于确定的成形设备，固定的最大成形载荷并不限制盘件直径和厚度尺寸，限制盘件尺寸的因素只有设备工作台的空间大小。根据可能应用对象确定盘件直径范围为0.1-3.0m；辗压工具的工作面长度与工件等效直径的比例为0.1-0.6，其优选的比例为0.2-0.3；辗压工具的等效直径与工件厚度的比例为0.1-2.0，其优选的比例为0.1-0.5；辗压工具每次对工件压下量为0.1-0.5；辗压工具单次径向进给量与辗压工具工作面长度之比为0.1-1.0，优选地，辗压工具每次沿工件径向的进给量与辗压工具工作面长度的比为0.1-0.7。

根据本发明的双面辗压成形方法进一步的优选方案，可以根据成形件的具体形状尺寸与性能要求，选用合适的成形温度与合适的的辗压工具，应用所编制的专用计算机软件生成数控代码，进而通过计算机自动控制辗压工具的运动和整个成形过程。

根据本发明的双面辗压成形方法另一个实施方案，辗压工具和工件的转动可以是工件主动转动而辗压工具被动转动，也可以是二者都主动转动。成形方法与步骤与第一个实施方案类似。

根据本发明一种应用双面辗压成形方法的设备的实施方案，如图1所示，该设备是一个数控等温双面辗压成形机，它包括机械、加热、电控三个部分。机械部分是成形机的主体，其中通过两个装置将工件固定在主轴上，并使工件可绕主轴转动。两对辗压工具对称布置在工件两侧，辗压工具有4个自由度：水平面内沿横、纵两方向的平动，绕底座竖直轴的转动，以及绕自身轴线的转动。其中两个平动自由度运动用以实现辗压工具沿工件厚度方向和径向进给；水平面内的转动自由度用于调整辗压工具相对工件的姿态，绕自身对称轴转动的自由度用于产生工件的辗压变形，辗压工具的这个转动由各自电机单独驱动，其转速由电机的变频器控制，辗压工具在工件厚度方向和径向的进给可以是人工操作也可以是计算机控制下的电机驱动。辗压工具进给方向和进给量的可以同步也可以不同步控制，以便灵活控制工件局部变形的位置、变形量和变形速率。工件的转动和辗压工具的转动为独立控制，二者中至少有一个是主动转动；辗压工具的转动与进给由不同电机分别驱动和各自独立控制；无论是人工操作还是电机驱动，都需要应用专用计算机软件计算出辗压工具的运动轨迹及相关数据，并以此正确控制辗压工具的各种运动。为了针对成形零件的不同形状和不同成形温度选用合适的辗压工具，四个辗压工具都是可替换的，该设备配有多个标准系列的辗压工具。设备加热部分的功能是为辗压成形提供等温的条件保证；设备加热部分包括高温加热炉，炉内温度监测和控制装置，辗压工具和主轴的水冷装置、炉内成形状态观测装置和故障诊断装置；高温炉将工件和两对辗压工具密封在其中，该设备对于钛合金或高温合金工件的等温辗压成形是必需的。电控部分的功能是为机械部分的运动提供动力和数字化控制，它包括所有电机的电源供给，变频器、计算机和辗压工具运动代码生成的计算机软件等。

根据本发明的一个具体实施方案如图2所示，该方案中去掉了加热部分，是在室温条件下的辗压成形；工件绕主轴转动是被动转动，辗压工具为主动转动，它提供了工件转动的动力，辗压工具的姿态调整和两个方向的进给由人工操作完成。

图3示出了根据本发明的一个具有自动生成辗压工具运动数据的计算机软件框图。

本发明使得该工件成形过程具有预期的特性。例如，无模、柔性，通过使用较小的成形载荷，即能够获得整体锻造时必需大吨位压力机才能实现的大直径盘件的精密成形，成形出的零件可具有更好的微观组织和机械性能。

本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上作任何变化，凡是本领域普通技术人员能够想到的许多与本发明相关的方案，或者将各种现有的机床设计及数控理念与本发明上述方案相结合的变体，均应认为落在本申请的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双面辗压成形方法，其特征在于，通过布置在工件两侧的多对辗压工具按预定规程多次辗压工件的不同位置使其产生局部变形，最终成形出形状和性能都满足要求的零件，在辗压过程中，所述辗压工具绕其自身轴线转动，所述工件绕主轴转动；辗压工具和工件的转动可以是两者之一主动转动而另一个被动转动，也可以是二者都主动转动。

2.根据权利要求1所述的辗压成形方法，其特征在于，所述辗压成形方法可以是等温成形或非等温成形，所述等温成形是根据成形件的形状和性能要求、工件材料热变形性能和微观组织演化规律确定具体的成形温度。

3.根据权利要求2所述的辗压成形方法，其特征在于，所述辗压工具包括多个标准系列，不同系列的辗压工具之间的区别可以是制造材料不同，也可以是形状尺寸不同，不同系列的辗压工具适合在不同成形温度下辗压不同形状和性能的零件。

4.根据权利要求3所述的辗压成形方法，其特征在于，其中所述工件两侧的辗压工具可以对称或非对称布置，所述工件同侧的辗压工具可以关于主轴呈中心对称布置，也可以彼此间隔相同角度沿工件环向布置但与工件转动轴之间的距离可以不同。

5.根据权利要求4所述的辗压成形方法，其特征在于，其中所述辗压工具的姿态、转速和运动轨迹可以同步控制或分别控制，具体控制方法是根据辗压工具、所选择的成形温度与成形件的形状与性能要求等数据，应用专用计算机软件计算出工具运动参数和数控代码，然后根据这些数据或手工或数控地控制辗压工具的运动。

6.根据权利要求1-6任意一项所述的辗压成形方法，其特征在于，其中所述工件的直径范围为0.1-3.0m，所述辗压工具工作面长度与所述工件等效直径的比例为0.1-0.6；所述辗压工具的等效直径与所述工件厚度的比例为0.1-2.0，所述辗压工具每次对所述工件压下量为0.1-0.5，所述辗压工具每次沿工件径向的进给量与辗压工具工作面长度的比为0.1-1.0。

7.一种根据权利要求1所述的辗压成形方法的设备，其特征在于，该设备包括机械、加热、电控三个部分。在所述的机械部分中，工件被固定在可转动的主轴上，辗压工具对称布置在工件两侧，具有4个运动自由度，所述4个自由度的运动是在水平面内沿横、纵两方向的平动，绕底座竖直轴的转动和由电机驱动的绕自身轴线的转动，前三个运动自由度控制辗压工具的姿态和进给，第四个自由度实施对工件的辗压变形，所述辗压工具的姿态、转速和运动轨迹可以同步控制或分别控制，所述辗压工具的进给可以是人工操作也可以是计算机控制下的电机驱动。

8.一种根据权利要求7所述的辗压成形设备，其特征在于，所述辗压工具包括多个标准系列，所述辗压工具具有不同的几何形状尺寸和不同的材质和不同的用途，需要根据待成形件的形状与性能要求和成形温度选用，由专用计算机软件生成工具运动参数和运动代码来控制辗压工具的进给和工件的局部辗压成形。

9.根据权利要求8所述的辗压成形设备，其特征在于，所述加热部分包括，一个高温加热炉，所述高温炉将工件和两对辗压工具密封在其中，一个炉温度监测和控制装置，一个辗压工具和主轴的水冷装置，一个炉内成形状态观测装置以及一个故障诊断装置。

10.根据权利要求7、8、9所述的辗压成形设备，其特征在于，所述电控部分包括所有电机的电源供给，变频器、计算机和用于生成辗压工具运动代码的专用计算机软件。

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