CN103433362A - 不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法，其步骤为：把预热的模套固定在胀形机的工作台上，再把加热的不锈钢矩形截面环形件套装在胀形机内经预热的胀形块外围，使其处于由胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的环形空间内；启动胀形机使胀形块从该环形件的内圆周表面沿径向挤压该环形件并变形11%～14%后被挤压到模套的内环面内，充满了由胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的封闭型腔，经保压后成为异形截面环形件。该方法采用一次大变形量胀形成形，简化了操作，获得了尺寸精度高、产品质量好、生产率高的胀形异形截面环形件。该异形截面环形件主要用于航空航天等领域使用的筒形壳体等回转体零部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种环件的胀形方法，特别是涉及了不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法。
背景技术
在环形件成形技术领域，随着航空、航天、船舶、核能、燃气轮机、风力发电等行业的发展对环形件高可靠性、高寿命和低成本的要求，对环形件的成形尺寸精度、组织及性能也提出了较高的要求，环形件成形朝着优质、精密、高效、环保、低成本的方向发展。
不锈钢矩形截面环形件（指纵截面是矩形截面的环形件）或异形截面环形件（指纵截面是非矩形截面的环形件）采用环轧机轧制后，由于受轧制工艺及设备局限性的影响，其尺寸精度一般不高；只有在环形件形状较理想和设备性能较优异的情况下，其尺寸精度才能达到相应尺寸的3‰～5‰（千分之三至千分之五），而且轧制后的环形件由于应力较大，在后续加工工序中如果控制不好易产生翘曲、变形甚至开裂等缺陷。
2012年6月27日公开的中国发明专利说明书CN102513457A公开了一种不锈钢矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，所述矩形环轧件即为矩形截面环形件，所述异形环件即为异形截面环形件。该方法把加热的不锈钢矩形环轧件装进胀形机，通过对胀形机的芯轴滑块施加轴向拉力使其沿轴向向下移动并沿所述径向滑块的内孔锥面挤压径向滑块使各径向滑块沿径向同步移动扩散，装在径向滑块外圆周面上的胀形块从矩形环轧件的内圆周表面沿径向挤压矩形环轧件使其发生内、外径尺寸扩大及壁厚减薄的塑性变形，经过一次大变形和连续三次小变形，所述不锈钢矩形环轧件被胀形块胀形成形为异形环件。该方法采用开放式胀形方式胀形成形的不锈钢异形截面环形件存在以下问题：第一，仅仅是所述环形件的内径尺寸精度能够达到内径尺寸的1‰～2‰，对于所述环形件的外径及高度的尺寸精度则无法达到该尺寸精度，因为在胀形过程中所述环形件的外径及高度的尺寸精度是不受控的，不能通过该胀形方法来提高其尺寸精度；第二，在采用该方法把矩形截面环形件胀形成异形截面环形件的过程中，由于矩形截面环形件的下半部先受到来自于胀形块的胀形力作用，其下半部先被胀形变薄，金属从其下半部向其上半部流动，控制不好容易造成上半部金属堆积过多使胀形成形的异形截面环形件壁厚不均匀，严重时会造成异形截面环形件的上半部产生鼓包等缺陷而报废；第三，该方法通过一次大变形胀形和连续三次小变形胀形，以及三次旋转来把矩形截面环形件胀形成异形截面环形件，每次胀形都要通过调节和控制大量的工艺参数才能实现，其工序较为繁琐，生产率低，能源消化大，生产准备时间和生产周期较长，对设备的要求也较高，实际生产过程中不利于控制产品质量和组织大批量生产，很难获得优质、精密、高效、环保和低成本的环形件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用模套来实现不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法，该方法通过一次大变形对所述不锈钢矩形截面环形件进行胀形，简化了操作，获得了尺寸精度高、产品质量易于控制、有利于组织大批量生产和生产率高的胀形异形截面环形件。
为解决上述技术问题，本发明所述不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法，其技术方案包括以下步骤：
把预热到315℃～355℃的模套固定在胀形机的工作台上并与芯轴滑块同心，再把加热到930℃～960℃的不锈钢矩形截面环形件套装进胀形机，使其内环面套在经预热到315℃～355℃的胀形块的外圆周面外围，所述矩形截面环形件处于由胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的环形空间内，所述胀形块的外圆周面具有与最终胀形成形的异形截面环形件的内圆周面相配合一致的形状，所述模套的内圆周面具有与最终胀形成形的异形截面环形件的外圆周面相配合一致的形状，此时，径向滑块处于合拢状态；
启动胀形机对芯轴滑块施加轴向拉力F使其沿轴向向下移动并沿所述径向滑块的内孔锥面挤压径向滑块使各径向滑块沿径向同步移动扩散，装在径向滑块外圆周面上的胀形块从矩形截面环形件的内圆周表面沿径向挤压该矩形截面环形件，矩形截面环形件发生内、外径尺寸扩大及壁厚减薄的塑性变形，当其胀形变形量达到11%～14%时被挤压到模套的内环面内，充满了由胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的封闭型腔，经保压后成为异形截面环形件；
所述矩形截面环形件的胀形温度为930℃～960℃，胀形时间按矩形截面环形件的壁厚×0.7s/mm～1.2s/mm计算，保压时间按异形截面环形件的壁厚×25s/mm～36s/mm计算；
胀形结束后，向上移动芯轴滑块，合拢径向滑块，拆卸并取出模套后取出经胀形后的异形截面环形件。
所述不锈钢材料牌号是1Mn18Cr18N。
胀形过程中，所述胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力F按下式计算确定：
F＝ξ×σ0.2×S
式中：
ξ——胀形机胀形系数，本发明取1.26～1.52；
σ0.2——胀形温度下不锈钢材料的屈服强度（MPa），1Mn18Cr18N不锈钢取160MPa～180MPa；
S——矩形截面环形件或异形环坯的纵截面面积（mm2）。
采用上述方法胀形成形的异形截面环形件，其内径尺寸范围为Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明把所述矩形截面环形件置于由胀形机上的胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的环形空间内，通过采用11%～14%大变形量把矩形截面环形件挤压到由胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的封闭型腔内一次性胀形成为异形截面环形件，实现了封闭式胀形。
相对于现有技术的开放式胀形而言，本发明采用闭式胀形方式在胀形过程中能够使所述矩形截面环形件内径、外径和高度尺寸处于受控状态，不仅可以提高异形截面环形件的内径尺寸精度，而且也可以提高其外径和高度的尺寸精度，即可以使整个异形截面环形件的所有尺寸精度得到提高，从而实现了精密胀形成形。
在采用闭式胀形方式胀形的过程中，由于受胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的封闭型腔的限制，可以避免矩形截面环形件内的金属从其下半部向其上半部大量流动，从而克服其上半部金属堆积过多使胀形成形的异形截面环形件壁厚不均匀、产生鼓包等缺陷，提高了产品质量。
本发明通过一次大变形量胀形成形，大大简化了胀形工艺，降低了对胀形设备的要求，在实际生产过程中不仅能够节约能源、降低成本、提高生产率，而且易于控制产品质量和实现大批量生产，能够获得优质、精密、高效、环保和低成本的环形件。
本发明在胀形过程中胀形时间按矩形截面环形件的壁厚×0.7s/mm～1.2s/mm计算，能够根据胀形时间合理地控制胀形块的胀形速度，使矩形截面环形件内的金属流动较为顺畅，有利于充满所述封闭型腔；保压时间按异形截面环形件的壁厚×25s/mm～36s/mm计算，有利于所述异形截面环形件在所述封闭型腔内充分变形、降温和取模。所述胀形时间和保压时间的精确计算，还能够使产品生产时间处于受控状态。
经检测该不锈钢异形截面环形件的内径、外径和高度的尺寸精度，分别达到了所述内径、外径和高度尺寸的1‰～2‰；经检测该不锈钢异形截面环形件的内部组织，未发生显著变化，而且无壁厚不均、鼓包等缺陷；经机械加工后检测该不锈钢异形截面环形件的内、外环面及上、下底面，未发现有裂纹。
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说明。
图1是矩形截面环形件沿其中心线的纵剖面图。
图2是安装有模套的胀形机结构简图。
图3是矩形截面环形件的装机示意图。
图4是矩形截面环形件热胀形成形为异形截面环形件的过程示意图。
图5是胀形块脱离胀形后的异形截面环形件的示意图。
图6是胀形后的异形截面环形件沿其中心线的纵剖面图。
具体实施方式
实施本发明所述的不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法需要提供胀形机、锻造加热炉、机械手等设备。下面以材料牌号为1Mn18Cr18N的不锈钢为例来详细说明该方法的具体实施方式：
现有技术中给出的该不锈钢的主要化学元素含量（重量百分比）为：含C量≤0.1%、含Si量≤0.8%、含Mn量17.5%～20.0%、含P量≤0.050%、含S量≤0.015%、含Cr量17.5%～20.0%、含N量≥0.50%、含Al量≤0.025%、含B量≤0.001%、余量为Fe。
现有技术中给出的用于实施本发明所述热胀形方法所用的胀形机的结构简图如图2所示，该胀形机主要由芯轴滑块1、径向滑块2、胀形块3、工作台4及导轨5组成。芯轴滑块1呈圆锥形并套装在径向滑块2内与径向滑块2的锥形内圆周面配合，芯轴滑块1可由胀形机的液压缸带动在径向滑块2内沿轴向上下移动并挤压径向滑块2；径向滑块2安装在胀形机的导轨5上并可沿导轨5径向来回移动，径向滑块2从图2俯视方向看是12块分开的扇形块形状，各扇形块的外圆周面上分别固定安装有胀形块3，各扇形块合拢时与胀形块3一起可以形成一个圆环形状；当芯轴滑块1在径向滑块2内沿轴向向下移动时可使各径向滑块2沿径向同步移动扩散使胀形块3达到胀形环件的目的，当芯轴滑块1在径向滑块2内沿轴向向上移动时胀形机可驱动各径向滑块2沿径向同步移动合拢使胀形块3脱离胀形后的环件，胀形块3在胀形过程中具有实时测量环件内径尺寸并把测量数据传送到胀形机的显示器上的功能；此外，在该胀形机的工作台4上还有可驱动环件在该工作台上沿中心轴线旋转的导辊（图中未示出）。
此外，如图2所示，实施本发明还需要在胀形机上安装可拆卸的模套30，模套30呈异形截面环形状，在其上端面上具有园形通孔31，该模套30的内圆周面与如图6所示的最终胀形成形的异形截面环形件20的外圆周面形状相同，胀形时需把模套30固定在胀形机的工作台4上并与芯轴滑块1同心，胀形结束后时，需把模套30从胀形机的工作台4上拆卸后取模。
该不锈钢从矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的工艺步骤如下：
步骤1：装机。
如图3所示，把模套30预热到315℃～355℃后固定在胀形机的工作台4上并与芯轴滑块1同心，并预热胀形机上的胀形块3到315℃～355℃，再把如图1所示的1Mn18Cr18N不锈钢矩形截面环形件10加热到930℃～960℃后套装进胀形机，使其内环面套在胀形块3的外圆周面外围，矩形截面环形件10处于由胀形块3的外圆周面和模套30的内环面围成的环形空间内，胀形块3的外圆周面具有与如图6所示最终胀形成形的异形截面环形件20的内圆周面相配合一致的形状，模套30的内圆周面具有与如图6所示的最终胀形成形的异形截面环形件20的外圆周面相配合一致的形状，矩形截面环形件10的底面平放在工作台4的上面，此时，径向滑块2处于合拢状态。装机时工件的装运主要通过机械手操作完成。
步骤2：胀形。
如图4所示，启动胀形机使其芯轴滑块1沿其轴向向下移动，芯轴滑块1在径向滑块2内沿其锥形面挤压径向滑块2使各径向滑块2沿径向同步移动扩散，径向滑块2上的胀形块3的外圆周面沿矩形截面环形件10的内圆周表面挤压矩形截面环形件10，使矩形截面环形件10从内圆周表面到外圆周表面受到来自胀形块3的径向挤压力，导致矩形截面环形件10的内圆周面沿径向扩大，矩形截面环形件10发生内、外径尺寸扩大，壁厚减薄的塑性变形；矩形截面环形件10被胀形块3胀形且当其胀形变形量达到11%～14%时被挤压到模套30的内环面内，充满了由胀形块3的外圆周面和模套30的内环面围成的封闭型腔，此时停止芯轴滑块1向下移动使胀形块3不再作径向运动，经保压后获得异形截面环形件20。
胀形时胀形机的液压缸对芯轴滑块1施加的轴向拉力为F，矩形截面环形件10的胀形温度为930℃～960℃，胀形时间按矩形截面环形件10的壁厚×0.7s/mm～1.2s/mm计算，保压时间按异形截面环形件20的壁厚×25s/mm～36s/mm计算。
所述胀形时间是指矩形截面环形件10从一开始被胀形至达到胀形变形量的时间；所述保压时间是指矩形截面环形件10被胀形达变形量后在由胀形块3的外圆周面和模套30的内环面围成的封闭型腔内不再发生变形并最终成形为异形截面环形件20的时间。
所述矩形截面环形件10的胀形变形量的计算方法为：胀形变形量＝［（异形截面环形件20的中径尺寸－矩形截面环形件10的中径尺寸）/矩形截面环形件10的中径尺寸］×100%。
所述矩形截面环形件10的中径尺寸＝（矩形截面环形件10的内径尺寸＋矩形截面环形件10的外径尺寸）÷2。
所述异形截面环形件20的中径尺寸＝（异形截面环形件20的内径尺寸＋异形截面环形件20的外径尺寸）÷2。
步骤3：取模。
如图5所示，胀形结束后，向上移动芯轴滑块1，合拢径向滑块2并使胀形块3脱离异形截面环形件20，从胀形机的工作台4上拆卸掉模套30，用机械手先取出模套30，再取出异形截面环形件20，其形状如图6所示。
所述矩形截面环形件10在胀形过程中，所述轴向拉力F按下式计算：
F＝ξ×σ0.2×S
式中：
ξ——胀形机胀形系数，本发明取1.26～1.52；
σ0.2——胀形温度下不锈钢材料的屈服强度（MPa），本发明取160MPa～180MPa；
S——矩形截面环形件10纵截面面积（mm2）；
上述尺寸在计算时以变形最大的尺寸为准，对于本发明而言计算时的尺寸是指矩形截面环形件10或异形截面环形件20的大头端面即底端面的尺寸。
采用上述方法胀形的不锈钢异形截面环形件20，其内径尺寸范围为：Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm。
本发明并不限于上述异形截面环形件20，对于不同截面的异形截面环形件只要对应把胀形块3的外圆周面形状和模套30的内圆周形状加工成与所述异形截面环形件的内圆周面的形状和外圆周面形状相一致的形状，采用本发明所述的方法便可胀形出不同截面的异形截面环形件。
Claims (4)
1.一种不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
把预热到315℃～355℃的模套固定在胀形机的工作台上并与芯轴滑块同心，再把加热到930℃～960℃的不锈钢矩形截面环形件套装进胀形机，使其内环面套在经预热到315℃～355℃的胀形块的外圆周面外围，所述矩形截面环形件处于由胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的环形空间内，所述胀形块的外圆周面具有与最终胀形成形的异形截面环形件的内圆周面相配合一致的形状，所述模套的内圆周面具有与最终胀形成形的异形截面环形件的外圆周面相配合一致的形状，此时，径向滑块处于合拢状态；
启动胀形机对芯轴滑块施加轴向拉力F使其沿轴向向下移动并沿所述径向滑块的内孔锥面挤压径向滑块使各径向滑块沿径向同步移动扩散，装在径向滑块外圆周面上的胀形块从矩形截面环形件的内圆周表面沿径向挤压该矩形截面环形件，矩形截面环形件发生内、外径尺寸扩大及壁厚减薄的塑性变形，当其胀形变形量达到11%～14%时被挤压到模套的内环面内，充满了由胀形块的外圆周面和模套的内环面围成的封闭型腔，经保压后成为异形截面环形件；
所述矩形截面环形件的胀形温度为930℃～960℃，胀形时间按矩形截面环形件的壁厚×0.7s/mm～1.2s/mm计算，保压时间按异形截面环形件的壁厚×25s/mm～36s/mm计算；
胀形结束后，向上移动芯轴滑块，合拢径向滑块，拆卸并取出模套后取出经胀形后的异形截面环形件。
2.根据权利要求1所述的不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法，其特征在于：所述不锈钢是1Mn18Cr18N。
3.根据权利要求1或2所述的不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法，其特征在于，所述胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力F按下式计算确定：
F＝ξ×σ0.2×S
式中：
ξ——胀形机胀形系数，本发明取1.26～1.52；
σ0.2——胀形温度下不锈钢材料的屈服强度（MPa），1Mn18Cr18N不锈钢取160MPa～180MPa；
S——矩形截面环形件或异形环坯的纵截面面积（mm2）。
4.根据权利要求1或2所述的不锈钢矩形截面环形件热胀形成异形截面环形件的方法，其特征在于：所述胀形成形的异形截面环形件，其内径尺寸范围为Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm。
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Denomination of invention: Method of forming ring parts with special cross section by thermal expansion of stainless steel circular parts with rectangular cross section Effective date of registration: 20200930 Granted publication date: 20150805 Pledgee: Guanshanhu sub branch of Guiyang Bank Co.,Ltd. Pledgor: Guizhou Aviation Technical Development Co.,Ltd. Registration number: Y2020520000015 |
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