CN105382157A - 结构钢多台阶大型异形环件的成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，其步骤为：先采用制图软件辅助制备中间环坯，将中间环坯放入环轧机进行轧制，轧制时，将中间环坯所在的工作台面抬高5mm～10mm，使主辊先与中间环坯的下端接触，保证金属材料由下而上开始填充模具型腔，逐步完成了各台阶的成形，再对轧制后的多台阶大型异形环件进行胀形。该方法能够实现多台阶大型异形环件，能够有效地提高避免多台阶大型异形环件成形时出现偏筋或串筋现象，从而提高锻件的性能。该方法适用于结构钢多台阶大型异形环件的成形。

Description

结构钢多台阶大型异形环件的成形方法

技术领域

本发明涉及一种多台阶大型异形环件的成形方法，特别是涉及了结构钢多台阶大型异形环件的成形方法。

背景技术

异形环锻件按照零件外形轮廓设计，能有效提高材料利用率、获得比较理想的性能及与零件外形轮廓相匹配的流线。但是实际中零件的形状往往千奇百怪，很难做到完全按照零件外形轮廓设计，只能设计成与零件截面相近而又比较简单的异形环锻件，这种方法与矩形环锻件相比，其材料利用率虽然有所提高，但是提升量有限。目前，轧制成形的异形环件大多为简单的异形环件，例如，仅有一个、两个或三个台阶的异形环。而对于含有多个台阶(三个以上)的大型异形环件，其截面变化复杂，对于坯料及模具的设计要求非常高，国内外很少有厂家能够直接轧制成形。

2013年01月16日公开的中国发明专利说明书CN102873511A公开了一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，该方法先将圆柱形棒材锯切成适当尺寸的料段，将料段从室温均匀加热到奥氏体温度并保温后，经滚圆、镦粗并模锻成两端有凹孔的预锻件，最后在预锻件中间冲孔、冲连皮得到轧制用环件毛坯，在将毛坯回炉加热，当温度达到目标温度并保温后取出，放入径向轧环机封闭式孔型内轧制成形，经过多转轧制变形成为规定形状尺寸的拥有三个台阶的复杂截面环形锻件，在经正火、回火热处理以保障力学性能，最后将锻件切削加工成成品环件。该方法成形的三台阶环件，轧制的过程中，与模具的接触都是平面接触，因此成形较为简单。而对于复杂的多台阶异形环件，采用该方法成形时，由于坯料或模具设计不合理，或者轧制过程中坯料和模具的匹配不合理，都会严重影响成形效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，该方法通过对制图软件辅助制备中间环坯，以及对轧制过程与胀形过程进行控制，实现结构钢多台阶大型异形环件的成形。

为解决上述技术问题，本发明所述结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，其技术方案包括以下步骤：

根据结构钢多台阶大型异形环件的结构特点，借助制图软件从高度方向上等距逐层切割锻件截面，获取多台阶大型异形环件截面面积数据并制成曲线，得到多台阶大型异形环件截面面积与高度的变化关系；再根据多台阶大型异形环件截面面积与高度的变化趋势，以及等体积原则，通过在制图软件上进行描点，绘制中间环坯的截面面积与高度的变化关系曲线，从而可以获得中间环坯外形及尺寸；

取一定规格的结构钢棒材，加热至锻造温度后，再经过镦粗、冲孔、预轧成矩形环坯；按照中间环坯的外形及尺寸，经过胎膜成形获得中间环坯；

将中间环坯套入环轧机的芯辊中，将中间环坯所在的工作台面抬高5mm～10mm，直到中间环坯被完全咬入后放开，使中间环坯处于倾斜状态；驱动主辊靠近中间环坯，使主辊先与中间环坯的下端接触；启动环轧机，进行轧制，金属材料开始填充模具型腔，并且由下而上逐步完成了各台阶的成形，此过程中，中间环坯从倾斜状态恢复到正常状态，得到异形环轧件；

将异形环轧件装入胀形机，胀形的目标尺寸以多台阶大型异形环件的下端内径为基准，对异形环轧件进行胀形，达到目标尺寸后，保持20s～30s，得到多台阶大型异形环件。

所述主辊的型面按照多台阶大型异形环件外径型面进行制作，主辊的高度H₁＝H_锻×(1+Φ)+ρ₁，式中，H_锻为多台阶大型异形环件高度，Φ为材料的热收缩率，ρ₁为主辊的高度补偿量；ρ₁均匀分布在主辊的上下两端。

所述芯辊的型面按照多台阶大型异形环件内径型面进行制作，芯辊的高度H₂＝H_锻×(1+Φ)+ρ₂，式中，H_锻为多台阶大型异形环件高度，Φ为材料的热收缩率，ρ₂为芯辊的高度补偿量；ρ₂均匀分布在芯辊的上下两端。

所述异形环轧件的外径R′＝R-ε，式中，R为多台阶大型异形环件的外径，ε为后续胀形变形量；所述异形环轧件的内径r′＝r-ε，式中，r为多台阶大型异形环件的外径，ε为后续胀形变形量。

所述胀形的目标尺寸r₂＝r₁×(1+Φ)+δ，式中，r₁为多台阶大型异形环件的下端内径，Φ为材料的热收缩率，δ为回弹补偿量。

所述结构钢为38CrA，其热收缩率Φ为1.8％。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所述结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，通过采用制图软件辅助设计中间环坯，使中间环坯的截面面积与多台阶大型异形环件的截面面积基本保持一致，克服了该多台阶大型异形环件截面突变区域较多，难以成形的难点。

轧制过程中，将中间环坯所在的工作台面抬高5mm～10mm，使主辊先与中间坯的下端接触，保证多台阶大型异形环件的各台阶由下而上顺利填充，不会出现偏筋、串筋等现象。主辊和芯辊分别添加了ρ₁、ρ₂的补偿量，防止异形环件轧制时出现爬辊现象，导致偏筋或串筋。轧制得到的异形环轧件的内外径尺寸与多台阶大型异形环件相比均小ε，为后续胀形留有了余量。

胀形过程中，留有了δ大小的回弹补偿量，保证了最终成形的结构钢多台阶大型异形环件的尺寸。

以牌号为38CrA的结构钢多台阶大型异形环件为例：

经检测该钢多台阶大型异形环件偏筋或串筋等缺陷，外形尺寸完整。

经检测该钢多台阶大型异形环件的室温拉伸性能，其抗拉强度为1050MPa(大于设计使用要求的1030MPa)，屈服强度为935MPa～955MPa(大于设计使用要求的880MPa)，断后伸长率为14％～19％(大于设计使用要求的12％)，断面收缩率为61％～61.5％(大于设计使用要求的40％)，冲击值为1363kJ/m²～1368kJ/m²(大于设计使用要求的590kJ/m²)。

经检测该钢多台阶大型异形环件的高温拉伸持久试验的检测结果也均符合技术条件要求。

上述检测结果表明，采用成形方法成形的38CrA多台阶大型异形环件各项性能指标均符合要求。

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是多台阶大型异形环件结构示意图。

图2是多台阶大型异形环件与中间环坯的截面面积—高度的变化关系曲线。

图3是第一次胎膜锻造示意图。

图4是第二次胎膜锻造示意图。

图5是轧制形成过程示意图。

图6是异形环轧件结构示意图。

具体实施方式

实施本发明所述的结构钢多台阶大型异形环件的成形方法需要提供锻造加热炉、压力机、轧环机、胀形机、机械手等设备。下面以我国材料牌号为38CrA的结构钢为例来详细说明该方法的具体实施方式：

该钢的主要化学元素含量(重量百分比)为：含C量0.34％～0.42％、含Mn量0.50％～0.80％、含Si量0.17％～0.37％、含S量≤0.015％、含P量≤0.025％、含Cr量0.08％～1.10％、含Ni量≤0.40％、含Cu量≤0.25、余量为Fe。

本方法的步骤如下：

步骤1：制备中间环坯

如图1所示，根据结构钢多台阶大型异形环件1的结构特点，借助制图软件从高度方向上等距逐层切割锻件截面，获取多台阶大型异形环件1截面面积数据并制成曲线2，如图2所示，从而得到多台阶大型异形环件1截面面积与高度的变化关系；再根据多台阶大型异形环件1截面面积与高度的变化趋势，以及等体积原则，通过在制图软件上进行描点，绘制中间环坯5的截面面积与高度的变化关系曲线3，从而可以获得中间环坯5外形及尺寸。

取一定规格的结构钢棒材，加热至锻造温度后，再经过镦粗、冲孔、预轧成矩形环坯4；将矩形环坯4放入胎膜7中，如图3所示，取小冲头8对矩形环坯4进行第一次挤压；再将冲头8取出，在胎膜7的底部放入垫块10，如图4所示，取更换大冲头9进行第二次挤压，获得中间环坯5。

步骤2：轧制成形

将中间环坯5套入环轧机的芯辊12中，芯辊12的型面按照多台阶大型异形环件1的内径型面进行制作，芯辊12的高度H₂＝H_锻×(1+Φ)+ρ₂，(式中，H_锻为多台阶大型异形环件高度，Φ为材料的热收缩率，ρ₂为芯辊的高度补偿量)；ρ₂均匀分布在芯辊12的上下两端；将中间环坯5所在的工作台面抬高5mm～10mm，直到中间环坯5被完全咬入后放开，使中间环坯5处于倾斜状态；驱动主辊11靠近中间环坯5，使主辊11先与中间环坯5的下端接触；主辊11的型面按照多台阶大型异形环件1的外径型面进行制作，主辊11的高度H₁＝H_锻×(1+Φ)+ρ₁，(式中，H_锻为多台阶大型异形环件高度，Φ为材料的热收缩率，ρ₁为主辊的高度补偿量)；ρ₁均匀分布在主辊11的上下两端。启动环轧机，进行轧制，金属材料开始填充模具型腔，并且由下而上逐步完成了各台阶的成形，此过程中，中间环坯5从倾斜状态恢复到正常状态，得到异形环轧件6，异形环轧件6的外径R′＝R-ε，(式中，R为多台阶大型异形环件的外径，ε为后续胀形变形量)，异形环轧件的内径r′＝r-ε，(式中，r为多台阶大型异形环件的外径，ε为后续胀形变形量)。

步骤3：胀形成形

将异形环轧件6装入胀形机，胀形的目标尺寸以多台阶大型异形环件1的下端内径为基准，对异形环轧件6进行胀形，达到目标尺寸后，保持20s～30s，得到多台阶大型异形环件1。所述胀形的目标尺寸r₂＝r₁×(1+Φ)+δ，(式中，r₁为多台阶大型异形环件的下端内径，Φ为材料的热收缩率，δ为回弹补偿量)。

上述结构钢为38CrA，其热收缩率Φ为1.8％。

Claims (6)

1.一种结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据结构钢多台阶大型异形环件的结构特点，借助制图软件从高度方向上等距逐层切割锻件截面，获取多台阶大型异形环件截面面积数据并制成曲线，得到多台阶大型异形环件截面面积与高度的变化关系；再根据多台阶大型异形环件截面面积与高度的变化趋势，以及等体积原则，通过在制图软件上进行描点，绘制中间环坯的截面面积与高度的变化关系曲线，从而可以获得中间环坯外形及尺寸；

取一定规格的结构钢棒材，加热至锻造温度后，再经过镦粗、冲孔、预轧成矩形环坯；按照中间环坯的外形及尺寸，经过胎膜成形获得中间环坯；

将中间环坯套入环轧机的芯辊中，将中间环坯所在的工作台面抬高5mm～10mm，直到中间环坯被完全咬入后放开，使中间环坯处于倾斜状态；驱动主辊靠近中间环坯，使主辊先与中间环坯的下端接触；启动环轧机，进行轧制，金属材料开始填充模具型腔，并且由下而上逐步完成了各台阶的成形，此过程中，中间环坯从倾斜状态恢复到正常状态，得到异形环轧件；

将异形环轧件装入胀形机，胀形的目标尺寸以多台阶大型异形环件的下端内径为基准，对异形环轧件进行胀形，达到目标尺寸后，保持20s～30s，得到多台阶大型异形环件。

2.根据权利要求1所述的结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，其特征在于，所述结构钢为38CrA，其热收缩率Φ为1.8％。

3.根据权利要求1或2所述的结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，其特征在于，所述主辊的型面按照多台阶大型异形环件外径型面进行制作，主辊的高度H₁＝H_锻×(1+Φ)+ρ₁，式中，H_锻为多台阶大型异形环件高度，Φ为材料的热收缩率，ρ₁为主辊的高度补偿量；ρ₁均匀分布在主辊的上下两端。

4.根据权利要求1或2所述的结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，其特征在于，所述芯辊的型面按照多台阶大型异形环件内径型面进行制作，芯辊的高度H₂＝H_锻×(1+Φ)+ρ₂，式中，H_锻为多台阶大型异形环件高度，Φ为材料的热收缩率，ρ₂为芯辊的高度补偿量；ρ₂均匀分布在芯辊的上下两端。

5.根据权利要求1或2所述的结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，其特征在于，所述异形环轧件的外径R′＝R-ε，式中，R为多台阶大型异形环件的外径，ε为后续胀形变形量；所述异形环轧件的内径r′＝r-ε，式中，r为多台阶大型异形环件的外径，ε为后续胀形变形量。

6.根据权利要求1或2所述的结构钢多台阶大型异形环件的成形方法，其特征在于，所述胀形的目标尺寸r₂＝r₁×(1+Φ)+δ，式中，r₁为多台阶大型异形环件的下端内径，Φ为材料的热收缩率，δ为回弹补偿量。