CN104384416A - 一种坯料预镦粗成形模具及成形方法 - Google Patents

一种坯料预镦粗成形模具及成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种坯料预镦粗成形模具及成形方法，属于材料锻造技术领域。首先设计一种坯料预镦粗成形模具，将大高径比的圆柱体坯料变成两端为锥台形的小高径比坯料，然后进行平砧镦粗工艺。针对大高径比的原始坯料，在镦粗成形过程中首先采用本方法对其进行预镦粗，得到两端为锥台形的柱体结构，由于坯料与模具接触面积小，模具对坯料端部金属流动阻碍小，没有难变形区，因此，在后期镦粗时不易形成鼓形，变形比较均匀，镦粗效果好。本发明为大高径比的圆柱体坯料镦粗成形提供了一种良好的前处理方法。

Description

一种坯料预镦粗成形模具及成形方法
技术领域
本发明属于材料锻造技术领域，具体涉及一种坯料预镦粗成形模具及成形方法。
背景技术
镦粗是自由锻的基本工序之一，也是绝大多数锻件加工必不可少的一步工序。镦粗可以破坏铸态树枝状组织，细化锻件内部组织晶粒，增大材料强度，提高锻件的韧性和抵抗破坏的能力，在自由锻造工艺中起着至关重要的作用。
镦粗过程中，由于工具与圆柱坯料之间存在摩擦，造成了变形的不同时性和不均匀性，结果镦粗坯料易出现鼓肚，甚至出现双鼓形。镦粗坯料的高径比一般不超过2.5。为减小镦粗坯料的侧面鼓形，可通过改变毛坯端部的边界条件改善接触面的摩擦条件，从而提高镦粗变形的均匀性。常用的途径是减小毛坯端部接触面应力(如软金属垫镦粗和加润滑剂镦粗)或改变变形方式(如上、下小方砧局部镦粗、侧凹坯料镦粗、套环内镦粗和叠镦等)。除了以上传统的工艺外，毛坯凹形端面无鼓镦粗法(河北理工学院学报,1997,(1):30-35)、高径比坯料镦粗法(中国专利200910128428.3、201010275895.1、201120349006.1)和锥形板镦粗新工艺(机械工程学报,1994,(4):83-85；中国专利97101491.4、201010146646.2)的提出都能不同程度地减小鼓形的大小(南昌航空工业学院学报,2004,(1):34-38；锻压装备与制造技术,2008,(6):59-61)。
但是上述技术也存在工艺复杂、制造成本高，对操作人员要求高等不足之处。例如凹形坯料镦粗需要首先对坯料进行制凹成形，该工艺实施起来比较困难，而且很难保证径向制凹的一致性；软金属垫镦粗需要耗费软垫金属材料，而且不可能完全消除鼓形；坯料叠镦成形高径比较大的坯料易发生失稳，并且叠镦时要求坯料严格对中，使实际工艺操作极为不便。
综上所述，传统的镦粗方法成形材料具有变形不均匀的不足之处，而改进的镦粗成形方法也存在工艺繁琐或改良状况不显著等问题，如何实现高径比坯料的镦粗成形，这是当今材料锻造研究亟待解决的难题。本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高径比坯料镦粗模具，该模具结构简单，便于操作，能够有效地防止坯料镦粗时弯曲鼓肚等问题。
发明内容
本发明旨在提供一种高径比坯料预镦粗成形模具和方法，解决了现有镦粗技术中圆柱体坯料变形不均匀，易出现鼓形的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种坯料预镦粗成形模具，其特征在于：包括上模板和下模板，上模板和下模板能扣合成一体，当上模板和下模板的分型接触面完全贴合，内部形成空腔，上模板和下模板沿中心轴线方向的长度为H1；所述内部空腔包括三个腔室：椭圆锥台型腔I、固定型腔、椭圆锥台型腔II；所述固定型腔中心轴线方向的长度为H0，固定型腔位于椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II中间，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II分布在两边，呈对称分布；所述固定型腔的横截面形状为椭圆形，短轴垂直于上模板和下模板的分型接触面；所述椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的小端面为椭圆形横截面，短轴为d，长轴为c，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的大端横截面形状为椭圆形，长轴为c，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的大端面与固定型腔的横截面光滑过渡衔接，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的大端横截面光滑过渡到小端横截面。
进一步地，所述固定型腔的横截面椭圆的长轴和短轴分别为c和D，且c＝1.1D。
上述方案中，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II主要对预镦粗坯料的两端部位起成形作用，固定型腔主要对预镦粗坯料的中间部位起定位固定作用。
圆柱体预镦粗坯料的直径为D，高为H。针对该圆柱形坯料的镦粗，其中相关参数要满足以下条件：
(1)设计前提基本要求：
c = 1.11 D , H 0 = H 2
(2)为避免预镦粗成形坯料挤出预镦粗模具型腔，所以型腔的体积要大于等坯料体积：
(2H1-H0)(D2+Dd+d2)≥6HD2
(3)为保证锥台的锥角在一定的范围之内(45°～60°)，相关设计参数要满足以下数学关系：
D - d ≤ 2 H 1 - H 0 ≤ 3 ( D - d )
一种坯料预镦粗成形方法，采用上述坯料预镦粗成形模具，其特征在于：所述对坯料的预镦粗方法为：
(1)第一次合模：将预镦粗模具的下模板放置在液压机的工作台面上，预镦粗模具的上模板固定在液压机的活动横梁驱动上，调整上模板和下模板的位置和高度，确保扣合后的上模板和下模板分型接触面完全重合；
热处理后的预镦粗坯料吊放入下模板的型腔中，坯料两端面分别到椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II小端横截面的距离相等；
调整液压机的下降速度为1～10mm/s，调整完毕后，开启液压机进行镦粗；
由动力机构驱动液压机活动横梁下移，上模板下降，下降速度为1～10mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
(2)第一次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5～20mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，顺时针(或逆时针)旋转90°；
(3)第二次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁1～10mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为1～10mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
(4)第二次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5～20mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，顺时针(或逆时针)旋转45°；
(5)第三次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁1～10mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为1～10mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
(6)第三次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5～20mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，逆时针(或顺时针)旋转90°；
(7)第四次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁1～10mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为1～10mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
由动力机构驱动液压机活动横梁5～20mm/s速度上移，上模板提升，经过坯料的横截面旋转模锻成形，坯料成为两端具有锥台形状的柱状坯料，完成坯料的预镦粗阶段。
进一步地，所述第一次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成型腔的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端横截面呈现椭圆形截面，椭圆形的短轴为d。
所述第二次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端的椭圆形横截面的长轴变短、短轴变长。
所述第三次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端的横截面向近似圆形变化。
所述第四次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个小端面发生变形，坯料两端的横截面变为圆形，圆形的直径为d。
坯料完成预镦粗变形阶段后，大高径比原始坯料就变成无镦弯和无鼓肚的小高径比坯料，对具有锥台形状的坯料进行镦粗变形，由于坯料端面变为小截面，类似于凹形端面无鼓镦粗。
本发明的有益效果：
针对大高径比的原始坯料，在镦粗成形过程中首先采用本方法对其进行预镦粗，得到两端为锥台形的柱体结构，由于坯料与模具接触面积小，模具对坯料端部金属流动阻碍小，没有难变形区，因此，镦粗时不易形成鼓形，变形比较均匀，能够得到令人满意的镦粗效果。本发明解决了大高径比原始坯料镦粗常出现的镦弯和鼓肚的问题，大高径比就变成小高径比，这对接下来的镦粗变形是很有利的。
附图说明
图1本发明预镦粗模具的结构示意图。
图2为图1的侧视图(剖视)。
图3为预镦粗模具的分解结构示意图。
图4为本发明镦粗坯料各阶段变形后形状改变示意图。
图5为采用Deform-3D有限元对具有锥台的圆柱7075铝合金坯料进行镦粗模拟的坯料形状变化图。
图中，1为上模板，2为下模板，3为椭圆锥台型腔I，4为固定型腔，5为椭圆锥台型腔II。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：坯料预镦粗成形模具和方法
图1～3示出了坯料预镦粗成形模具的结构，成形模具包括上模板1和下模板2，上模板1和下模板2能扣合成一体，当上模板1和下模板2的分型接触面完全贴合，内部形成空腔，上模板1和下模板2沿中心轴线方向的长度为160mm；所述内部空腔包括三个腔室：椭圆锥台型腔I3、固定型腔4、椭圆锥台型腔II5；所述固定型腔中心轴线方向的长度为115mm，固定型腔4位于椭圆锥台型腔I3和椭圆锥台型腔II5中间，椭圆锥台型腔I3和椭圆锥台型腔II5分布在两边，呈对称分布；所述固定型腔的横截面形状为椭圆形，短轴垂直于上模板和下模板的分型接触面；所述椭圆锥台型腔I3和椭圆锥台型腔II5的小端椭圆形横截面的短轴为40mm，长轴为88mm，椭圆锥台型腔I3和椭圆锥台型腔II5的大端面与固定型腔4的横截面光滑过渡衔接，椭圆锥台型腔I3和椭圆锥台型腔II5的大端横截面形状为椭圆形，椭圆锥台型腔I3和椭圆锥台型腔II5的大端横截面光滑过渡到小端横截面。
上述方案中，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II主要对预镦粗坯料的两端部位起成形作用，固定型腔主要对预镦粗坯料的中间部位起定位固定作用。
下面对直径为80mm和高230mm(高径比为2.875)的圆柱形7075铝合金坯料进行预镦粗成形试验，坯料的热处理温度为400℃。
采用上述坯料预镦粗成形模具，包括以下步骤：
(1)第一次合模：将预镦粗模具的下模板放置在液压机的工作台面上，预镦粗模具的上模板固定在液压机的活动横梁驱动上，调整上模板和下模板的位置和高度，确保扣合后的上模板和下模板分型接触面完全重合；
热处理后的预镦粗坯料吊放入下模板的型腔中，坯料两端面分别到椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II小端横截面的距离相等；
调整液压机的下降速度为5mm/s，调整完毕后，开启液压机进行镦粗；
由动力机构驱动液压机活动横梁下移，上模板下降，下降速度为5mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
在第一次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆形横截面的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成型腔的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端横截面呈现椭圆形截面，椭圆形的短轴为40mm。
(2)第一次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁8mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，顺时针旋转90°；
(3)第二次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁5mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为5mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
在第二次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆形横截面的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端的椭圆形横截面的长轴变短、短轴变长。
(4)第二次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁8mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，顺时针旋转45°；
(5)第三次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁5mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为5mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
在第三次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆形横截面的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端的横截面向圆形变化，圆形的直径为40mm。
(6)第三次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁8mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，逆时针旋转90°；
(7)第四次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁5mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为5mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
在第四次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆形横截面的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个小端面发生变形，坯料两端的横截面向圆形变化，圆形的直径为40mm。
由动力机构驱动液压机活动横梁8mm/s速度上移，上模板提升，经过坯料的横截面旋转模锻成形，坯料成为两端具有锥台形状的柱状坯料，完成坯料的预镦粗阶段。
图4示出了圆柱体坯料的镦粗成形过程。
坯料完成预镦粗变形阶段后，镦粗压下量为120mm，大高径比为2.875的7075铝合金原始坯料就变成小高径比坯料，在镦粗过程中无镦弯和鼓肚现象出现。如图5所示。
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种大高径比坯料镦粗的模具和方法，提高变形均匀性、简化工艺操作。通过更改模具的形状和尺寸，具体实施方式不变，满足不同镦粗坯料的成形要求，更多的成形实施例不便胜举。

Claims (7)

1.一种坯料预镦粗成形模具，其特征在于：包括上模板和下模板，上模板和下模板能扣合成一体，当上模板和下模板的分型接触面完全贴合，内部形成空腔，上模板和下模板沿中心轴线方向的长度为H1；所述内部空腔包括三个腔室：椭圆锥台型腔I、固定型腔、椭圆锥台型腔II；所述固定型腔中心轴线方向的长度为H0，固定型腔位于椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II中间，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II分布在两边，呈对称分布；所述固定型腔的横截面形状为椭圆形，短轴垂直于上模板和下模板的分型接触面；所述椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的小端面为椭圆形横截面，短轴为d，长轴为c，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的大端横截面形状为椭圆形，长轴为c，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的大端面与固定型腔的横截面光滑过渡衔接，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的大端横截面光滑过渡到小端横截面。
2.根据权利要求1所述的坯料预镦粗成形模具，其特征在于：所述固定型腔的横截面椭圆的长轴和短轴分别为c和D，且c=1.1D。
3.一种坯料预镦粗成形方法，采用权利要求1所述的坯料预镦粗成形模具，所述坯料为圆柱体坯料，其特征在于：包括以下步骤：
（1）第一次合模：将预镦粗模具的下模板放置在液压机的工作台面上，预镦粗模具的上模板固定在液压机的活动横梁驱动上，调整上模板和下模板的位置和高度，确保扣合后的上模板和下模板分型接触面完全重合；
热处理后的预镦粗坯料吊放入下模板的型腔中，坯料两端面分别到椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II小端横截面的距离相等；
调整液压机的下降速度为1~10 mm/s，调整完毕后，开启液压机进行镦粗；
由动力机构驱动液压机活动横梁下移，上模板下降，下降速度为1~10mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
（2）第一次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5~20 mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，顺时针旋转90°；
（3）第二次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁1~10 mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为1~10mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
（4）第二次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5~20 mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，顺时针旋转45°；
（5）第三次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁1~10 mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为1~10mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
（6）第三次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5~20 mm/s速度上移，上模板提升，以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，逆时针旋转90°；
（7）第四次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁1~10 mm/s速度下移，上模板下降，下降速度为1~10mm/s，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降；
由动力机构驱动液压机活动横梁5~20 mm/s速度上移，上模板提升，经过坯料的横截面旋转模锻成形，坯料成为两端具有锥台形状的柱状坯料，完成坯料的预镦粗阶段。
4.根据权利要求3所述的坯料预镦粗成形方法，其特征在于：所述第一次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成型腔的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端横截面呈现椭圆形截面，椭圆形的短轴为d。
5.根据权利要求3所述的坯料预镦粗成形方法，其特征在于：所述第二次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端的椭圆形横截面的长轴变短、短轴变长。
6.根据权利要求3所述的坯料预镦粗成形方法，其特征在于：所述第三次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个端面发生变形，坯料两端的横截面向近似圆形变化。
7.根据权利要求3所述的坯料预镦粗成形方法，其特征在于：所述第四次合模过程中，固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的左右两个小端面发生变形，坯料两端的横截面变为圆形，圆形的直径为d。
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