CN103987474B - 用于制造锻造和机械加工部件的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用开式模锻和闭式模锻以及机械加工的组合制造锻造部件的工艺。该工艺包括步骤：对锭进行初轧，以两个步骤镦锻初轧坯以形成预制件，在锻锤上闭式锻造预制件，粗机械加工，热处理，半精加工和最终精加工部件。本发明可应用于在多种行业中使用的任意锻造部件，特别是由大型锭形成的那些锻造部件。本发明对安全和应用关键部件特别有用，诸如在油和天然气工业中使用的液力端。利用本发明的工艺，最终部件的形状和尺寸的55％至60％通过锻造实现，而剩余的40％至45％通过机械加工实现。在开式模锻阶段和机械加工阶段之间引入闭式模锻阶段导致约27％的材料减少和大于60％的机械加工时间的减少。

Description

用于制造锻造和机械加工部件的工艺

技术领域

本发明的技术领域大致涉及部件制造。特别地，本发明涉及一种工艺，该工艺将机械加工和锻造技术组合以提高制造工艺的生产率。

背景技术

在石油和天然气工业中，海上和陆上钻井被确定为焦点领域。由于页岩天然气的新发现和定向钻井的新技术，对钻井设备的要求急剧增加，特别是安全和应用关键设备。为了满足这种对安全和应用关键部件的需求的增长，制造工艺的生产率提高和创新是必要的。

包括油和天然气工业的许多工业使用安全和应用关键部件。数十年来，许多这些部件使用传统的制造工艺(即，开式模锻，随后机械加工)被制造。在这些方法中，锭被初轧为坯，随后进行部件的锯切、粗定尺寸(rough sizing)、粗机械加工、热处理、半精机械加工和精机械加工。

简言之，现存的制造方法是“开式模锻、机械加工和热处理”的组合。在这种工艺中，10％至15％的形状形成通过开式模锻实现，剩余的85％至90％的形状通过机械加工实现。现存的工艺导致约40％的材料利用率，因此导致从初轧坯到精加工零件约60％的材料浪费。应该注意，所述初轧坯通过开式模锻形成，其为粗成形并定尺寸至用于机械加工的矩形块。

在这种部件的批量生产中，利用传统的制造方法，大量的原材料浪费，其导致大量的机械加工时间和低的产量。重要的是将近净成形输入至机械加工，以建立锻造和机械加工工艺之间的正确的平衡，以有效地利用材料和机械加工时间，这导致这种零件的提高的生产率，而不会降低期望的机械性能和比强度。

对现存的锻造方法回顾显示出以下的技术差距，诸如在制造零件的锻造阶段缺少对设计和制造工艺的正确组合。例如，专利US6032507陈述到“小的复杂形状的金属零件的锻造是困难的。这种零件可通过热锻造工艺生产。但是，由于多种原因，这些工艺是不完全令人满意的，包括热锻造工艺导致大量的飞边(多余的材料)形成在零件上。这种飞边必须通过诸如磨削的机械加工操作而移除，其增加了生产精加工零件的成本和难度。进一步地，热锻造工艺利用工件材料的效率低，因为飞边是浪费材料。相应地，通过锻造工艺而不是热锻造生产这种零件是可取的。”专利US6032507提供了闭式模具组的阴模，和利用阴模的近净热锻造零件的方法，其可被用于在工件不适合于阴模的模腔时制造零件。这些阴模可被用于传统的闭式模具组中与传统的锻造组合，以近净热锻造零件。

但是，热锻造工艺是经济的，且仍然众所周知。因此有需要提供一种热锻造制造工艺，其中锻造被更改为近净成形以增大材料利用率，从而在不降低最终零件规格的情况下提高产量并减少材料浪费。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于在有效利用材料的情况下提供安全和应用关键部件。本发明的进一步的目的在于提供制造该部件的方法。

本发明的另一目的在于提供一种优化的“初轧坯”，其尺寸为闭式模锻所需要的。这降低了材料的浪费。

本发明的另一目的在于提供近净成形锻造，从而增大利用闭式模具方法的锻造的材料利用率。

本发明的另一目的在于提供用于所述近净成形锻造工艺的锻模设计。

本发明的另一目的在于提供使用闭式模锻由初轧坯制造近净成形预制件的方法。

本发明的又一目的在于提供用于所述近净成形锻造的机械加工设计和工具路径产生程序。

本发明公开了一种使用开式模锻和闭式模锻以及机械加工的组合制造锻造部件的工艺。该工艺包括步骤：对锭进行初轧，以两个步骤镦锻初轧坯以形成预制件，在锻锤上闭式锻造预制件，粗机械加工，热处理，半精加工和最终精加工部件。本发明可应用于在多种行业中使用的任意锻造部件，特别是由大型锭形成的那些锻造部件。本发明对安全和应用关键的部件特别有用，诸如在油和天然气工业中使用的液力端(fluidend)。以下描述基于这种典型的液力端。利用本发明的工艺，最终部件的形状和尺寸的55％至60％通过锻造实现，而剩余的40％至45％通过机械加工实现。在开式模锻阶段和机械加工阶段之间引入闭式模锻阶段导致约27％的材料减少和大于60％的机械加工时间的减少。

附图说明

图1示出了传统的开式模部件制造方法

图2示出了本发明的方法

图3示出了闭式模锻工艺的3D CAD模具模型

图4示出了在锻造工艺中使用的闭式模具的开槽部分的视图

图5示出了在闭式模锻工艺中使用的切边工具

图6示出了由本发明的典型工艺实现的近净成形锻造(模拟与实际)

具体实施方式

本发明可应用于在多种行业中使用的任意锻造部件，特别是由大型锭形成的那些锻造部件。本发明对安全和应用关键的部件特别有用，诸如在石油和天然气工业中使用的液力端。以下的说明书基于这种典型的液力端。

图1示出了制造锻造部件的传统工艺的流程图。图2示出了本发明的制造锻造部件的工艺的流程图。已经注意到，目前的锻造工艺不允许容易地锻造近净成形。将部件从初轧阶段导引至半精加工阶段的锯切、粗定尺寸、粗机械加工和热处理阶段涉及大量的材料和能量的浪费。

另一方面，本发明的工艺包括以下阶段：

-对锭进行初轧

-以两个步骤进行镦锻

-在锻锤上闭式锻造

-粗机械加工

-热处理

-半精加工

-精加工

如图2中所示，对锭进行初轧产生初轧坯。初轧坯在将其经受闭式模锻之前被镦锻。镦锻以两个步骤执行。在第一次镦锻后获得的预制件在执行第二次镦锻之前被转动90°。该镦锻工艺确保所需尺寸的预制件和闭合模锻的优化输入。这进一步确保产生的飞边最少，并且模具上的侧向负载被减小，从而使模具性能提高。这有助于在锻锤上的闭式模锻以后产生近净成形部件。然后，闭式模锻部件经受粗机械加工，随后热处理、半精加工和精加工，以产生最终部件。

图3-6示出了用于本发明在锻造部件的工艺中引入的闭式模具锤锻步骤的典型3-D CAD闭式模具模拟模型的结果。利用迭代模拟方法，用于锻造和机械加工的多个制造原理使用虚拟制造技术被评估以优化零件几何形状、锻造设计和制造工艺。锻造工艺使用3D金属流动模拟优化，机械加工工艺使用CAM模拟优化。基于模拟结果，最优的制造方法论被开发用于制造诸如在油和天然气工业中使用的液力端之类的部件。这通过在传统方法使用的开式模具和机械加工工艺之间增加闭式模锻阶段而实现。

然后，近净成形部件(液力端)被粗机械加工，以移除锻造的液力端的四个侧面上的拔模斜度(draft)。该步骤随后为按照具体要求钻孔或铰孔。随后，液力端使用优化周期时间进行热处理，以实现期望的冶金性能。在热处理后，执行半精机械加工和精机械加工以实现最终形状和尺寸。

重要的是理解近净成形的最优化的重要性。许多近净成形可能作为用于生产特定部件的起点。但是，部件的最终形状以及工具类型和尺寸可能使许多近净成形实际上不能使用。因此，近净成形的最优化寻求达到的这种近净成形：该近净成形将提供材料的最少浪费和也实现最快的机械加工、粗定尺寸过程同时完成最终部件。本工艺加入近净成形的这种最优化的步骤。

本发明的另一关键方面在于，闭式模锻工艺被设计为根据液力端精加工机械加工轮廓提供槽，以实现近净成形锻造。提供有槽的闭式模锻工艺的3D CAD模具模型在图3中示出，而图4示出了开槽部分的爆炸视图。

应该注意，在本发明的工艺中，开式模锻在液压机上执行(开式模具工艺)，闭式模锻工艺在对击锻锤上执行。

现在本发明的关键优点将借助示例被例示。

示例：

所述坯被轧制并按照具体要求从M27槽锭被热切割为多个矩形块。九个工件全部从M27槽锭生成。

在闭式模锻前，对初轧坯执行缓慢冷却和退火，从而确保晶粒的各向异性状态。然后，退火的初轧坯在燃油炉中被加热至1280℃。加热的坯最初在液压机上被镦锻两次；第二次镦锻与第一次镦锻相比处于90°旋转位置。然后，在对击锻锤上的两个模具半部之间以预定能量并通过将每次打击的打击效率和打击之间的保压时间至一水平来闭式模锻所镦锻的预制件，以实现期望的形状和尺寸。使用如图5中例示的切边工具来切除飞边。随后进行粗机械加工以移除所锻造的液力端的四个侧面上的拔模斜度，并按照具体要求钻孔。随后，液力端使用优化的周期时间被热处理，以实现期望的冶金性能。在热处理后，执行半精机械加工和精机械加工以实现最终形状和尺寸。

操作效益：

锻造部件的整个工艺的许多操作效益已作为本发明的结果被观察到。

1.机械加工时间减少62.5％

2.生产率显著提高

3.输入重量减少

4.能量节省近似17％。

从以上讨论可知，本发明具有以下实施例：

1、一种制造锻造和机械加工部件的工艺，其特征在于，所述工艺包括作为中间步骤的使用闭式模具工艺生产近净成形部件的步骤。

2、如实施例1所述的用于制造锻造和机械加工部件的工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：

a、通过对锭进行初轧来生产初轧坯，

b、镦锻所述初轧坯以获得第一预制件，

c、将所述第一预制件转动90°并在转动状态下镦锻所述第一预制件以生产第二预制件，

d、在锻锤上使用闭式锻造工艺由所述第二预制件生产近净成形部件，

e、通过粗机械加工移除近净成形部件的所有面上的拔模斜度，

f、在粗机械加工的近净成形部件中选择性地钻孔，

g、对近净成形部件进行热处理，

h、用半精加工和精加工操作来处理经热处理的近净成形部件。

3、如实施例2所述的用于制造锻造和机械加工部件的工艺，其中，热处理被提供为使用优化的周期时间。

4、如实施例2和3所述的用于制造锻造和机械加工部件的工艺，其中，如由所述部件的最终精机械加工轮廓所需的凹槽或凹部被提供，以实现近净成形锻造。

5、如实施例1和2所述的用于制造锻造和机械加工部件的工艺，其中，所述部件为在石油勘探工业中使用的液力端。

尽管以上描述包含了很多特性，但是这些不应当解释为对本发明的范围的限制，而是作为其优选实施例的示例。必须认识到，基于以上给出的公开能够进行更改和变化，而不背离本发明的精神和范围。相应地，本发明的范围不应当由所例示的实施例确定，而是由所附权利要求及其法律等同物确定。

Claims (4)

1.一种用于制造锻造和机械加工部件的工艺，所述工艺包括作为中间步骤的使用闭式模具工艺生产近净成形部件的步骤，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：

a、通过对锭进行初轧来生产初轧坯，

b、镦锻所述初轧坯以获得第一预制件，

c、将所述第一预制件转动90°并在转动状态下镦锻所述第一预制件以生产第二预制件，

d、在锻锤上使用闭式锻造工艺由所述第二预制件生产所述近净成形部件，

e、通过粗机械加工移除所述近净成形部件的所有面上的拔模斜度，

f、在粗机械加工的所述近净成形部件中选择性地钻孔，

g、对所述近净成形部件进行热处理，

h、用半精加工和精加工操作来处理经热处理的所述近净成形部件。

2.如权利要求1所述的用于制造锻造和机械加工部件的工艺，其中，热处理被提供为使用优化的周期时间。

3.如权利要求2所述的用于制造锻造和机械加工部件的工艺，其中，按照所述锻造和机械加工部件的最终精加工轮廓的需要提供凹槽或凹部，以实现近净成形锻造。

4.如权利要求1所述的用于制造锻造和机械加工部件的工艺，其中，所述锻造和机械加工部件为在石油勘探工业中使用的液力端。