CN104308056A - 筒形锻件的热锻成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少筒形锻件成形热锻裂纹产生，提高筒形锻件合格率，适用于壁厚较薄的长盲孔筒形锻件成形的筒形锻件的热锻成形方法。该方法包括以下步骤：1)按照需要制造的筒形锻件的设计尺寸制造成形模具；2)制造中间坯料；3)将中间坯料安装在模具内；4)压机下压冲头，对中间坯料进行冲挤。采用该热锻成形方法；可减少筒形锻件成形热锻裂纹产生，提高筒形锻件合格率，缩短制造周期，提高了生产效率。同时本发明所述的筒形锻件的热锻成形方法能够改善锻造成形过程中的应力状况，达到大幅提高锻件成品率、制造效率及合格率的目的，降低制造风险和减少制造成本。同时适用于壁厚较薄的长盲孔筒形锻件的成形。

Description

筒形锻件的热锻成形方法

技术领域

本发明涉及锻造行业中筒形锻件锻造方法，尤其是一种筒形锻件的热锻成形方法。

背景技术

公知的：对于一些特殊材料所述特殊材料是指热裂敏感性强，锻造温度区间窄的材料，如护环钢1Mn18Cr18N，由于热裂敏感性强，锻造温度区间窄，在热锻过程中常因开裂严重而随时停锻，采用火焰或冷却后气刨清伤，造成火次多，占用压机时间长，合格率低，效率低下，甚至直接由于开裂严重而中途报废。而且由于某些材料的特性，需要通过锻造改善晶粒尺寸，但是多火次，多次停锻清伤，下工序变形量减少也给后续工序对晶粒度的改善造成一定的风险。

若其筒形锻件成形，采用传统的成形工艺，镦粗冲孔—芯棒拔长—扩孔，极易因芯棒拔长时应力分布状况差导致在芯棒拔长的过程中开裂，尤其是筒体的两端和内孔，导致筒形锻件毛坯成形的合格率低，由于在中间坯料拔长过程中，上砧下压时，坯料端部内孔由圆变成近椭圆形，椭圆长轴在径向为拉应力，随着坯料的转动，该点不断承受剪应力和附加拉应力，因此极易开裂。所述筒形锻件是指圆柱形锻件的内部具有通孔内腔；盲孔筒形锻件是指圆柱形锻件具有的内腔为盲孔。

此外，在筒形锻件的生产中，存在许多长盲孔、内外经相差不大、壁厚较小等筒形锻件，其成形无法采用传统的镦粗冲孔、芯棒拔长工艺成形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种减少筒形锻件成形热锻裂纹产生，提高筒形锻件合格率，适用于壁厚较薄的长盲孔筒形锻件成形的筒形锻件的热锻成形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：筒形锻件的热锻成形方法，包括以下步骤：

1)根据需要制造的筒形锻件的设计尺寸制造冲头、筒模、底盘；所述筒形锻件的设计长度为L、设计外径为Φ1、设计内径为Φ2、内腔设计深度为H；当需要制造的筒形锻件为通孔筒形锻件时，还需制造漏盘；所述漏盘上漏孔具有的最小直径大于或者等于Φ2；

所述冲头具有直径Φ3、长度H4，所述Φ3＝Φ2，H4>L；所述筒模内腔具有内径Φ4、高度H5，所述Φ4＝Φ1+Δ1，H5＝L+Δ2；所述Δ1表示冲头直径的加工公差，所述Δ1表示筒模内径的加工公差，所述Δ2表示筒模的高度加工公差；

2)将钢锭或电渣锭加热到锻造温度范围内，将钢锭或电渣锭锻造成中间坯料，所述中间坯料一段为圆柱形，一段为棱柱形，圆柱形段和棱柱形段之间通过过渡段平滑过渡；所述棱柱形段的横截面的外接圆直径小于圆柱形段横截面具有的直径Φ5；所述圆柱形段具有长度H1、棱柱形段具有长度H3、过渡段具有长度H2,所述所述H1+H2+H3＝L；当成形筒形锻件为通孔筒形锻件时，所述中间坯料4具有的体积>筒形锻件设计体积；所述中间坯料4具有的体积<筒模2内腔具有的体积；当成形筒形锻件为盲孔筒形锻件时，所述中间坯料4具有的体积＝筒形锻件设计体积；

3)将筒模竖直安装在底盘上；再将中间坯料加热到锻造温度后放入筒模中，中间坯料的圆柱形段位于筒模的开口端，棱柱形段与底盘接触；所述开口端是指筒模竖直安装在底盘上后筒模的上端；再将冲头置于中间坯料的圆柱形段的端面，并且保证冲头轴线与中间坯料的轴线重合；

4)压机下压冲头，当筒形锻件中心孔为盲孔时，冲头冲压到盲孔设计深度H+Δ3，压机停止下压冲头，得到筒形锻件；当筒形锻件中心孔为通孔时，冲头压入中间坯料内，直到棱柱形段的外表面与筒模内壁之间无间隙停止冲压；将底盘更换为漏盘，压机继续下压冲头冲去芯料和连皮，得到通孔筒形锻件；所述Δ3为盲孔的加工公差。

优选的，步骤2)中将钢锭或者电渣锭制造成中间坯料4包括以下步骤：

将电渣锭或钢锭拔长滚圆至Φ5；然后拔长电渣锭或钢锭的一端，直到电渣锭或钢锭的总长度为L。

本发明的有益效果是：本发明所述的筒形锻件的热锻成形方法；可减少料筒形锻件成形热锻裂纹产生，提高筒形锻件合格率，缩短制造周期，提高了生产效率。同时本发明所述的筒形锻件的热锻成形方法能够改善锻造成形过程中的应力状况，避免了上述中传统工艺芯棒拔长过程中应力状况差的缺点，达到大幅提高锻件成品率、制造效率及合格率的目的，降低制造风险和减少制造成本。对于一些长盲孔筒形锻件，还可顺利完成热锻成形。

附图说明

图1是圆柱形锻件内部具有通孔内腔的通孔筒形锻件设计结构示意图；

图2是圆柱形锻件内部具有盲孔内腔的盲孔筒形锻件设计结构示意图；

图3是中间坯料的结构示意图；

图4是中间坯料放入到筒模内进行冲挤的示意图；

图5是中间坯料放入到筒模内冲挤过程中的示意图；

图6是漏盘冲孔示意图；

图中标示：1-冲头，2-筒模，3-底盘，4-中间坯料，5-漏盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

筒形锻件的热锻成形方法，包括以下步骤：

1)根据需要制造的筒形锻件的设计尺寸制造冲头1、筒模2、底盘3；所述筒形锻件的设计长度为L、设计外径为Φ1、设计内径为Φ2、内腔设计深度为H；当需要制造的筒形锻件为通孔筒形锻件时，还需制造漏盘5；所述漏盘5上漏孔具有的最小直径大于或者等于Φ2；

所述冲头1具有直径Φ3、长度H4，所述Φ3＝Φ2，H4>L；所述筒模2内腔具有内径Φ4、高度H5，所述Φ4＝Φ1+Δ1，H5＝L+Δ2；所述Δ1表示冲头直径的加工公差，所述Δ1表示筒模2内径的加工公差，所述Δ2表示筒模2的高度加工公差；

2)将钢锭或电渣锭加热到锻造温度范围内，将钢锭或电渣锭锻造成中间坯料4，所述中间坯料4一段为圆柱形，一段为棱柱形，圆柱形段41和棱柱形段42之间通过过渡段43平滑过渡；所述棱柱形段42的横截面的外接圆直径小于圆柱形段41横截面具有的直径Φ5；所述圆柱形段41具有长度H1、棱柱形段42具有长度H3、过渡段43具有长度H2,所述 所述H1+H2+H3＝L；

当成形筒形锻件为通孔筒形锻件时，所述中间坯料4具有的体积>筒形锻件设计体积；所述中间坯料4具有的体积<筒模2内腔具有的体积；当成形筒形锻件为盲孔筒形锻件时，所述中间坯料4具有的体积＝筒形锻件设计体积；

3)将筒模2竖直安装在底盘3上；再将中间坯料4加热到锻造温度后放入筒模2中，中间坯料4的圆柱形段41位于筒模2的开口端，棱柱形段42与底盘3接触；所述开口端是指筒模2竖直安装在底盘3上后筒模2的上端；再将冲头1置于中间坯料4的圆柱形段41的端面，并且保证冲头1轴线与中间坯料4的轴线重合；

4)压机下压冲头1，当筒形锻件中心孔为盲孔时，冲头1冲压到盲孔设计深度H+Δ3，压机停止下压冲头1；得到筒形锻件；当筒形锻件中心孔为通孔时，冲头1压入中间坯料内，直到棱柱形段外表面与筒模内壁之间无间隙停止冲压；将底盘3更换为漏盘5，压机继续下压冲头1冲去芯料和连皮，得到通孔筒形锻件；所述Δ3为盲孔的加工公差。

在步骤1)中，根据需要制造的筒形锻件的设计尺寸制造冲头1、筒模2、底盘3；所述筒形锻件的设计长度为L、设计外径为Φ1、设计内径为Φ2、内腔设计深度为H。根据需要制造的筒形锻件的设计尺寸制造相应的冲头1、筒模2、底盘3；为后续对钢锭或者电渣锭进行相关工艺处理做好准备。

所述冲头1具有直径Φ3、长度H4，所述Φ3＝Φ2，H4>L；所述筒模2内腔具有内径Φ4、高度H5，所述Φ4＝Φ1+Δ1，H5＝L+Δ2；所述Δ1表示冲头直径的加工公差，所述Δ1表示筒模2内径的加工公差，所述Δ2表示筒模2的高度加工公差。

所述冲头1具有直径Φ3、长度H4，所述Φ3＝Φ2，H4>L；所述Δ1表示冲头直径的加工公差。其中Φ3＝Φ2为了保证后续步骤中通过冲头进行冲孔时能够成形为相应尺寸的孔。冲头1的长度H4>L；是为了使得需要制造通孔筒形锻件时冲头具有足够的长度冲出通孔。

所述筒模2内腔具有内径Φ4、高度H5，所述Φ4＝Φ1+Δ1，H5＝L+Δ3；其中Φ4＝Φ1+Δ1为了保证在筒模2形成的筒形锻件外径尺寸符合设计要求。其中H5＝L+Δ2是为了保证在筒模2内成形后的筒形锻件长度符合设计要求，所述Δ1表示筒模2内径的加工公差，所述Δ2表示筒模2的高度加工公差。Δ2和Δ3均是由各个生产厂家根据各个生产厂家的不同生产要求自行设定。

在步骤2)中将钢锭或电渣锭加热到锻造温度范围内，将钢锭或电渣锭锻造成中间坯料4，所述中间坯料4一段为圆柱形，一段为棱柱形，圆柱形段41和棱柱形段42之间通过过渡段43平滑过渡；所述棱柱形段42的横截面的外接圆直径小于圆柱形段41横截面具有的直径Φ5；所述圆柱形段41具有长度H1、棱柱形段42具有长度H3、过渡段43具有长度H2,所述 所述H1+H2+H3＝L。所述棱柱形段42的横截面是指垂直于棱柱形段42几何轴线的截面在棱柱形段42上截出的截面。圆柱形段41横截面是指垂直于圆柱形段41几何轴线的截面在圆柱形段41上截出的截面。

所述的锻造温度是指材料能够进行锻造时的温度范围。由于不同材料的特性不同包括过热过烧温度、完全奥氏体化温度等不同，因此锻造温度不同。各种材料的锻造温度可以通过其相图分析、试验研究得到。如45钢的锻造温度为1250℃～850℃，所述护环钢1Mn18Cr18N的锻造温度为1200℃～900℃。

所述棱柱形段42的横截面的外接圆直径小于圆柱形段41横截面具有的直径Φ5。在后续工艺步骤中在中间坯料4上冲压形成内腔时，中间坯料4内部材料向外挤压，使得中间坯料4外表面膨胀。然而将中间坯料4的棱柱形段42的截面外接圆直径设置为小于圆柱形段41截面具有的直径Φ5。能够保证在对中间坯料4在冲压时，中间坯料4内部的材料向外部挤压将会被挤压到棱柱形段42，使得中间坯料4最终能够成为圆柱形。

所述由于圆柱形段41截面具有的直径Φ5等于或略小于筒模2内腔的内径Φ4，因此将中间坯料4放入到筒模2内时，中间坯料4不会在筒模2内腔内晃动，能够进行准确的定位。

当成形筒形锻件为通孔筒形锻件时，所述中间坯料4具有的体积>筒形锻件设计体积；所述中间坯料4具有的体积<筒模2内腔具有的体积；从而可以保证将中间坯料4内形成通孔内腔部分的材料全部挤压到棱柱形段42和过渡段43，使得整个中间坯料4成形过程中能够充满筒模2，形成圆筒形。

当成形筒形锻件为盲孔筒形锻件时，当成形筒形锻件为盲孔筒形锻件时，所述中间坯料(4)具有的体积＝筒形锻件设计体积；从而可以使得中间坯料4内形成盲孔内腔部分的材料被挤压到棱柱形段42和过渡段43，使得整个中间坯料4成形过程中能够充满筒模2，形成圆筒形。如图3所示为步骤2中制造得到的中间坯料4结构示意图。所述筒形锻件设计体积是指需要制造的筒形锻件设计确定的尺寸觉得的筒形锻件的体积，

所述棱柱形段42的横截面的外接圆具有的直径小于圆柱形段41横截面具有的直径Φ5；所述圆柱形段41具有长度H1、棱柱形段42具有长度H3、过渡段43具有长度H2,所述 所述H1+H2+H3＝L。

在制造中间坯料4的过程中，确定拔长压下量后，将中间坯料4的一端拔长，直到中间坯料4的总长度为L；由于电渣锭或者钢锭具有的体积等于中间坯料4具有的体积；因此会得到中间坯料4的棱柱形段42的长度H3、过度段43长度H2、圆柱形段长度H1。

将钢锭或者电渣锭制造成中间坯料4采用以下步骤，将电渣锭或钢锭拔长滚圆至Φ5；然后拔长电渣锭或钢锭的一端，直到电渣锭或钢锭的总长度为L。

如图4所示，在步骤3)中将筒模2竖直安装在底盘3上；再将中间坯料4加热到锻造温度后放入筒模2中，中间坯料4的圆柱形段41位于筒模2的开口端，棱柱形段42与底盘3接触；所述开口端是指筒模2竖直安装在底盘3上后筒模2的上端；再将冲头1置于中间坯料4的圆柱形段41的端面，并且保证冲头1轴线与中间坯料4的轴线重合。

所述中间坯料4的圆柱形段41位于筒模2的开口端，是为了保证后续步骤中冲头1在挤压中间坯料4内部材料时，内部材料会顺着冲头1的挤压方向向下流动最终充填到棱柱形段42和过渡段43。如果将中间坯料4在筒模2内圆柱形段41和棱柱形段42颠倒放置，在冲头1向下冲压时，棱柱形段42由于周围无限制，会产生鼓肚，无法成形，甚至因剪应力过大而开裂。

所述保证冲头1轴线与中间坯料4的轴线重合，是为了使得冲头1能够在中间坯料4的轴线上冲压形成内腔，防止锻件内腔中心线偏离中间坯料4的轴线，造成壁厚不均。

在步骤4)中，如图5所示，压机下压冲头1，当筒形锻件中心孔为盲孔时，冲头1冲压到盲孔设计深度H+Δ4，压机停止下压冲头1，得到盲孔筒形锻件。

压机下压冲头1，由于中间坯料4的棱柱形段42和过渡段43与筒模2之间有一定的间隙，由金属最小流动阻力定律可知，在冲孔过程中，冲孔的芯料都流向中间坯料4与筒模2的间隙，使中间坯料4的高度在整个变形过程基本上没有变化，完成坯料模内冲挤过程。在此过程中，棱柱形段42的截面部分向四周扩展，完成多边形到圆的形状变化，同时，棱柱形段42的长度H3几乎不变化，这样可以很好地保证筒形锻件的成形。同时中间坯料4的应力状态较好，这样即使是热裂敏感性强的材料，也可以保证在冲挤过程中不会因应力状况差而出现开裂。

如图6所示，当筒形锻件中心孔为通孔时，冲头1压入中间坯料内，直到棱柱形段外表面与筒模内壁之间无间隙停止冲压；将底盘3更换为漏盘5，压机继续下压冲头1冲去芯料和连皮，得到通孔筒形锻件；所述Δ3为盲孔的加工公差，Δ3由各个生产厂家根据各个生产厂家的不同生产要求自行设定。

将底盘3更换为漏盘5，通过冲头1能够将中间坯料4的冲孔芯料在漏盘5的漏孔处冲出，最终形成通孔筒形锻件。

本发明所述的筒形锻件的热锻成形方法与现有的筒形锻件成形方法相比具有以下优点：

现有技术中，对于可焊接性较好但壁厚较薄的长盲孔筒形锻件，一般是将底部封头和筒节分别锻出再焊接而成，这种成形方式存在焊缝区属铸态组织、性能较锻态组织差的缺点；对于可焊性不好的长盲孔筒形锻件，一般的成形方法是通过锻制实心锻件再通过机加而成，若锻件截面较大，锻件内部探伤则不易合格，若有磁探要求，则存在磁探不合的风险，而且通过机加切除余量，既增加机加成本又浪费了材料。对于通孔筒形锻件，传统的成形工艺为镦粗冲孔—芯棒拔长—扩孔，极易因芯棒拔长时应力分布状况差导致在芯棒拔长的过程中开裂，尤其是筒体的两端，这是由于在芯棒拔长过程中，上砧下压时，坯料端部内孔由圆变成近椭圆形，椭圆长轴在径向为拉应力，随着坯料的转动，该点不断承受剪应力和附件拉应力，因此极易开裂，导致筒形锻件毛坯成形的合格率低。

本发明所述的筒形锻件的热锻成形方法由于在步骤1)中首先制造专用的成形模具和相关装置。在步骤2)中将生产用的钢锭或者电渣锭制造为特定形态的中间坯料4。尤其是在步骤3)中将中间坯料4放置与筒模2内，采用冲头2进行冲孔。步骤3)中将中间坯料4的圆柱形段41放置在筒模2的开口端，棱柱形段42与底盘3接触；所述开口端是指筒模2竖直安装在底盘3上后筒模2的上端；再将冲头1置于中间坯料4的圆柱形段41的端面，并且保证冲头1轴线与中间坯料4的轴线重合。因此在步骤4)中，在压机下压冲头1对中间坯料4进行冲孔的过程中，由金属最小流动阻力定律可知，在冲孔过程冲孔的芯料都流向中间坯料4与筒模2之间的间隙；使得中间坯料4在冲孔过程中中间坯料4的组织始终为锻态组织。所述锻态组织是指通过锻造形成的组织形态。中间坯料4内被挤压为内腔部分的芯料会在冲头1的挤压作用下，由金属最小流动阻力定律可知，芯料流向中间坯料4与筒模2之间的间隙，不会产生拉应力，尤其不会出现芯棒拔长过程中的应力分布状况。因此中间坯料4成形过程中不易出现热锻裂纹。

因此本发明所述的筒形锻件的热锻成形方法；可减少坯料筒形锻件成形热锻裂纹产生，提高筒形锻件合格率，缩短制造周期，提高了生产效率。同时本发明所述的筒形锻件的热锻成形方法能够改善锻造成形过程中的应力状况，达到大幅提高锻件成品率、制造效率及合格率的目的，降低制造风险和减少制造成本；适用于壁厚较薄的长盲孔筒形锻件的成形。

实施例一

根据需要制造的筒形锻件的设计尺寸制造冲头1、筒模2、底盘3；所述筒形锻件的设计长度为L＝1740mm、设计外径为Φ1＝φ720mm、设计内径为Φ2＝φ430mm、内腔设计深度为H＝1740；制造漏盘5；所述漏盘5上漏孔具有的最小直径大于Φ2＝φ410mm即等于φ500mm；

所述冲头1具有直径Φ3、长度H4，所述Φ3＝Φ2，H4＝1900mm>L；所述筒模2内腔具有内径Φ4＝φ720mm、高度H5＝1740mm，

2)将钢锭加热到锻造温度范围内，将钢锭拔长滚圆至Φ5；然后拔长电渣锭或钢锭的一端，直到钢锭的总长度为L；钢锭锻造成中间坯料4，所述中间坯料4一段为圆柱形，一段为棱柱形，圆柱形段41和棱柱形段42之间通过过渡段43平滑过渡；所述棱柱形段42的横截面的外接圆直径小于圆柱形段41横截面具有的直径Φ5＝φ720mm；所述圆柱形段41具有长度H1＝270mm、棱柱形段42具有长度H3＝1170mm、过渡段43具有长度H2＝300mm。

3)将筒模2竖直安装在底盘3上；再将中间坯料4加热到锻造温度后放入筒模2中，中间坯料4的圆柱形段41位于筒模2的开口端，棱柱形段42与底盘3接触；所述开口端是指筒模2竖直安装在底盘3上后筒模2的上端；再将冲头1置于中间坯料4的圆柱形段41的端面，并且保证冲头1轴线与中间坯料4的轴线重合。

4)压机下压冲头1，冲头1压入中间坯料内，直到棱柱形段外表面与筒模内壁之间无间隙停止冲压；将底盘3更换为漏盘5，压机继续下压冲头1冲去芯料和连皮，得到通孔筒形锻件。

Claims (2)

1.筒形锻件的热锻成形方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据需要制造的筒形锻件的设计尺寸制造冲头(1)、筒模(2)、底盘(3)；所述筒形锻件的设计长度为L、设计外径为Φ1、设计内径为Φ2、内腔设计深度为H；当需要制造的筒形锻件为通孔筒形锻件时，还需制造漏盘(5)；所述漏盘(5)上漏孔具有的最小直径大于或者等于Φ2；

所述冲头(1)具有直径Φ3、长度H4，所述Φ3＝Φ2，H4>L；所述筒模(2)内腔具有内径Φ4、高度H5，所述Φ4＝Φ1+Δ1，H5＝L+Δ2；所述Δ1表示冲头直径的加工公差，所述Δ1表示筒模(2)内径的加工公差，所述Δ2表示筒模(2)的高度加工公差；

2)将钢锭或电渣锭加热到锻造温度范围内，将钢锭或电渣锭锻造成中间坯料(4)，所述中间坯料(4)一段为圆柱形，一段为棱柱形，圆柱形段(41)和棱柱形段(42)之间通过过渡段(43)平滑过渡；所述棱柱形段(42)的横截面的外接圆具有的直径小于圆柱形段(41)横截面具有的直径Φ5；所述圆柱形段(41)具有长度H1、棱柱形段(42)具有长度H3、过渡段(43)具有长度H2,所述所述H1+H2+H3＝L；

当成形筒形锻件为通孔筒形锻件时，所述中间坯料(4)具有的体积>筒形锻件设计体积；所述中间坯料(4)具有的体积<筒模2内腔具有的体积；当成形筒形锻件为盲孔筒形锻件时，所述中间坯料(4)具有的体积＝筒形锻件设计体积；

3)将筒模(2)竖直安装在底盘(3)上；再将中间坯料(4)加热到锻造温度后放入筒模(2)中，中间坯料(4)的圆柱形段(41)位于筒模(2)的开口端，棱柱形段(42)与底盘(3)接触；所述开口端是指筒模(2)竖直安装在底盘(3)上后筒模(2)的上端；再将冲头(1)置于中间坯料(4)的圆柱形段(41)的端面，并且保证冲头(1)轴线与中间坯料(4)的轴线重合；

4)压机下压冲头(1)，当筒形锻件中心孔为盲孔时，冲头(1)冲压到盲孔设计深度H+Δ3，压机停止下压冲头(1)，得到筒形锻件；当筒形锻件中心孔为通孔时，冲头(1)压入中间坯料内，直到棱柱形段外表面与筒模内壁之间无间隙停止冲压；将底盘(3)更换为漏盘(5)，压机继续下压冲头(1)冲去芯料和连皮，得到通孔筒形锻件；所述Δ3为盲孔的加工公差。

2.如权利要求1所述的筒形锻件的热锻成形方法，其特征在于：步骤2)中将钢锭或者电渣锭制造成中间坯料(4)包括以下步骤：将电渣锭或钢锭拔长滚圆至Φ5；然后拔长电渣锭或钢锭的一端，直到电渣锭或钢锭的总长度为L。