CN106623718B - 一种超大高径比棒料的连续锥形镦粗模具及镦粗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大高径比棒料的连续锥形镦粗模具及镦粗方法，1)根据棒料的直径和锻件的体积，得到棒料的高度；2)选择凸模和凹模的成形壁面的锥度，根据成形壁面的锥角、棒料的高度和每次的镦粗比，确定镦粗次数、凸模和凹模的层数以及每层凸模模块的高度和每层凹模模块的高度；3)将棒料、凹模和凸模加热后，进行第一次镦粗成形；4)第一次镦粗完成后，将最小平均外径的凸模模块和最小平均内径的凹模模块拆卸掉，进行第二次镦粗；以此类推，直至镦粗件的高径比小于不失稳镦粗的最大高径比。该模具将凹模设计成内壁带有一定锥度的多个分层模块，通过凹模的斜壁对坯料的失稳进行约束，使其不产生折叠现象。

Description

一种超大高径比棒料的连续锥形镦粗模具及镦粗方法

技术领域

本发明涉及一种超大高径比棒料连续锥形模具镦粗工艺及其模具结构，特别涉及一种利用锥形模具对超大高径比、镦粗易失稳折叠的棒料进行无折叠镦粗和提高变形均匀性的工艺技术。

背景技术

随着国民经济的不断发展，在关键装备和工程领域，对大型锻件需求越来越多，但这些领域内的锻件成形制造相对复杂和困难。这类锻件所用原材料体积较大，特别是对于航空、航天、军事设备领域的锻件，例如大型盘类和复杂叶轮类锻件，对其力学性能和组织性能要求高，锻件对原始坯料的质量要求也十分苛刻，某些重要锻件所采用的原始棒料需要进行A级探伤检测，且要求原始棒料直径不可超过A级探伤检测的最大直径。这样，对于较大型锻件，一方面所需要的原始坯料体积较大，但另一方面坯料直径又受到探伤检测最大直径的限制，造成原始棒料的高径比很大，甚至超大，例如高径比高达6及以上。对于大部分盘形锻件和复杂叶轮件，其体积分布均为扁平类，在制坯过程中必须将超大高径比的初始棒料镦粗成高径比较小的制坯件或预锻件。但是，超大高径比的原始棒料在镦粗时，极易产生失稳和折叠现象。因此，在锻件成形过程中，超大高径比棒料的镦粗制坯就成为一个十分重要的成形工序，如何保证超大高径比棒料在镦粗过程中不产生失稳和折叠是制坯工序的难点，也是整个锻件成形过程中需要解决的问题。

正常平砧镦粗的棒料高径比一般不超过2～3，当高径比超过3时，在镦粗过程中便会出现失稳和折叠现象。尽管对于小直径大高径比的棒料，可以采用电镦方式进行镦粗，但对于较大直径棒料，其电镦模具、加热方式和步进送料控制都很复杂，成本也高，且镦粗件形状和变形均匀性也不够理想，甚至难以实施。对大高径比棒料进行预制坯，还可采用带有浮动凹模的双向挤压模具结构，通过双向挤压的方式，虽然可以获得所需高径比的预制坯，但预制坯的变形均匀性不理想，局部变形相当剧烈，且浮动式模具结构的设计也相对较复杂。

梁秀春曾在《山西机械》上发表一篇名为“一种镦粗大高径比锻件的方法”的论文，以汽车后桥半轴成形为例介绍了一种镦粗大高径比棒料头部的工艺方法，但其模具结构对大高径比的棒料进行了约束，只是进行局部变形镦粗，虽然可以获得端部直径较大的预制坯，但是其变形均匀性不甚理想，局部变形量也较大，对于变形敏感材料的成形加工，会对后续变形过程造成不利影响，影响终锻件质量。

西南铝业(集团)有限责任公司在2009年公开了一种名为“自由锻高径比超极限镦粗法及镦粗砧”(公开号：CN 101491822)的专利技术。该技术介绍了一种高径比达3.3的铝合金材料在自由锻过程中，首先利用内凹的上、下镦粗砧对原始棒料进行镦粗，直至内凹空腔被填满；然后将下内凹砧换作平砧再进行镦粗，直至下部弧形端面被镦平；进一步将上内凹砧换作平砧进行镦粗，直至上部弧形端面被镦平和达到所要求的锻坯高度。此锻造技术虽可以在自由锻设备上对铝合金进行有效的镦粗制坯，但该技术所适用的棒料高径比只有3.3，对于高径比更大的棒料，其成形效果难以保证，且上下镦粗砧的加工制造也较复杂。

中北大学在2016年公开了一种名为“一种大高径比镁合金棒料均匀镦粗成形方法”(公开号：CN 105772614A)的专利技术。该技术中设计了一种大高径比均匀镦粗成形的模具，并利用该模具对镁合金圆柱坯料进行镦粗挤压成形。该模具凸模的冲头端面设计成中间凸周边凹的形状，凹模的模腔底部中间设计成平面，周边设计成凹槽，平面与周边凹槽之间进行平滑过渡；其次，在镁合金圆柱坯料的上下两端的表面各加工出一个圆形的浅凹槽，分别是上凹槽、下凹槽，并涂抹和预留一定量的润滑剂；在预热大高径比均匀镦粗成形模具后，将镁合金圆柱坯料放置在大高径比均匀镦粗成形模具中进行保温镦粗。此工艺方法适用于镁合金等温锻造，坯料的高径比也不能过大，且凸凹模具以及坯料的加工都比较复杂，尤其对于原始坯料，每根棒料在镦粗前都必须进行车削加工，生产周期较长。

发明内容

针对上述现有大高径比坯料镦粗技术中存在的不足，本发明的一个目的是提供一种用于超大高径比棒料连续锥形镦粗的模具。该模具将凹模设计成内壁带有一定锥度的多个分层模块，通过凹模的斜壁对坯料的失稳进行约束，使其不产生折叠现象，经过几次镦粗成形，最终获得高径比小于失稳范围的预制坯，为后续锻造成形工序提供适宜的预制坯。

本发明的第二个目的是提供上述连续锥形镦粗模具在超大高径比棒料镦粗中的应用。本发明的连续锥形镦粗模具结构简单、操作方便，可对任意高径比的棒料进行镦粗制坯，不会出现折叠现象，与现有镦粗技术相比，不仅能够完成超大高径比棒料的镦粗，而且还可显著提高超大高径比棒料镦粗变形的均匀性。

本发明的第三个目的是提供上述连续锥形镦粗模具对超大高径比棒料的镦粗方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种超大高径比棒料的连续锥形镦粗模具，包括相互配合的凹模和凸模，凹模和凸模的成形壁面具有相同的锥度，其锥角为4～30°；所述凹模由沿轴向分布的若干层可拆卸的凹模模块安装而成，所述凸模由沿轴向分布的若干层可拆卸的凸模模块安装而成，且凹模的层数和凸模的层数均与设定的镦粗次数相等，凸模模块的高度与凹模模块的高度对应设置。

凹模和凸模的成形壁面均具有一定锥度，其中，锥度是指圆锥的底面直径与锥体高度之比，如果是圆台，则为上、下两底圆的直径差与圆台高度的比值。锥角为圆锥的轴截面的两条母线之间的夹角。

成形壁面，是指凹模的内侧壁面和凸模的外侧壁面。

若干层，是指至少两层，可以为三层、四层、五层以及更多层，原始坯料的高径比越大，层数越多。

根据凸模与凹模配合的关系可知，凸模的外表面应该是圆台形，凹模的内凹腔同为圆台形，当凸模插入凹模一定深度时，凸模的外侧面应该与凹模的内壁面完全接触。按照正常的安装方式来解释，凸模安装在上模座上，此时，凸模的圆台形的下端面的面积小于上端面的面积，为倒置的圆台形。凹模安装在下模座上，凹模的内凹腔也是倒置的圆台形。所以，为了实现配合，该处的凸模和凹模的结构是清楚的。

由于模具是由可拆卸的多层模块安装而成，即模具的各层模块之间通过连接结构，如长螺栓，进行连接固定，当需要对模具进行拆卸重组时，拆开连接结构，将最小平均外径的凸模模块和最小平均内径的凹模模块拆卸掉，然后再利用连接结构对剩余的模块进行组装。连接结构的大小可以进行相应调整。

由于凸模和凹模的成形壁面均为圆台形，可知，组成凸模的每层凸模模块的成形壁面也是圆台形，每个凸模模块的锥度与凸模的锥度相等，凸模模块的高度小于凸模的高度；组成凹模的每层凹模模块的型腔也是圆台形，凹模模块的锥度与凹模的锥度相等，凹模模块的高度小于凹模的高度。

模具的层数与需要镦粗的次数设计成相等，镦粗完一次后，将平均外壁直径最小的凸模模块和平均内壁直径最小的凹模模块拆卸后，剩余的凸模模块和凹模模块分别组成第二次镦粗所需的凸模和凹模，进行第二次镦粗，以此类推，实现超大高径比的镦粗。凹模内壁和凸模外壁均具有相同的锥度，设置锥度的原因是为了在镦粗变形过程中给棒料一定的约束，减少其失稳程度和防止棒料在镦粗过程中产生折叠，同时又扩大了棒料镦粗变形过程中材料的变形空间，提高了镦粗效果和镦粗变形的均匀性。

凸模和凹模的锥度相同，当凹模内壁和凸模外壁接近重合时，本次镦粗工序即告结束，金属充满模具型腔，且凸模和凹模的间隙处属于变形材料最终充满部位，也不易形成毛刺。

对于超大高径比棒料的镦粗，凸模与凹模的锥度选择很重要，若锥度过大，每次镦粗的凸模压下量较大，坯料变形量大，镦粗次数减少，镦粗效率高，但容易产生较大的失稳甚至折叠现象；若锥度较小，每次镦粗的凸模压下量较小，会增加镦粗次数以及更换模具的次数，延长生产周期。本发明选择的锥度既可以保证镦粗的质量，又可以保证镦粗的效率。

具体到每一次镦粗：在进行第一次锥形模具镦粗过程中，随凸模的不断压下，原始棒料发生变形，由于棒料的高径比较大，尽管会发生一定程度的失稳现象，但由于凹模内壁的锥度较小，棒料与凹模的内壁间隙不大，即使棒料失稳和弯曲，但弯曲的棒料很快会接触到凹模内壁，并在凹模内壁的约束作用下，轻微的弯曲很快得到矫正，其失稳和弯曲得以及时抑制，不会出现因轻微失稳导致的折叠缺陷。当凸模到达规定的压下行程时，坯料充满模具型腔，获得的镦粗件下端直径基本保持不变，上端直径增大，平均高径比得以明显减小。

第二次镦粗和后续镦粗的原理均与第一次镦粗相同，得到的结果是使坯料平均高径比得到大幅度减小。

优选的，凹模和凸模的锥角为6～16°。

凸模安装在上模座上，凹模安装在凹模固定板上，当在较高温度下进行等温锻造时，凸模与凹模周围可设置加热装置，维持模具温度。为减少凸模的热量损失和保护上模座，凸模与上模座之间可安装隔热板；为减少凹模的热量损失和保护下模座，在凹模固定板与下模座之间可安装隔热垫板。

优选的，所述凹模的最小直径比待镦粗的棒料的原始直径大2～3mm，以方便原始棒料的定位。

所述凹模的底部还安装有活动的顶杆，顶杆与凹模的型腔同轴设置。镦粗完成后，可以利用顶杆将镦粗件顶出，方便镦粗件的取出。

上述连续锥形镦粗模具对超大高径比棒料的镦粗方法包括如下步骤：

1)根据棒料的直径和锻件的体积，得到棒料的高度；

2)选择凸模和凹模的成形壁面的锥角，根据成形壁面的锥角、棒料高度和每次镦粗比，确定镦粗次数、凸模和凹模的层数以及每层凸模模块的高度和每层凹模模块的高度；

3)将棒料、凹模和凸模加热后，进行第一次镦粗操作，当凸模压入到一定深度，即凸模与凹模的成形壁面几近重合时，坯料几乎充满模具型腔，第一次镦粗完成；

4)第一次镦粗完成后，将最小平均外径的凸模模块和最小平均内径的凹模模块拆卸掉，并将剩余的凸模模块和凹模模块重新安装固定，进行第二次镦粗；

5)按照相同的方法进行后续的镦粗，直至镦粗件的高径比小于不失稳镦粗的最大高径比，得到最终镦粗件。

优选的，镦粗之前，凹模的最小直径比待镦粗的棒料的原始直径大2～3mm。

进一步优选的，每层凹模模块的高度的计算方法为：

h_n＝(d_n+1-d_n)/2tan(α/2)

其中，h_n为沿凹模内径逐渐变大的方向的第n层凹模模块的高度，α为凹模的锥角，d_n为第n次镦粗时凹模的最底端直径，d_n+1为第n+1次镦粗时凹模的最底端直径，n为正整数。

进一步优选的，每层凸模模块高度的计算方法为：

H_n＝(D_n+1-D_n)/2tan(α/2)

其中，H_n为沿凸模外径逐渐增大的方向的第n层凸模模块的高度，α为凸模的锥角，D_n为第n次镦粗完成时坯料充满型腔后的大端直径，D_n+1为第n+1次镦粗完成时坯料再次充满型腔后的大端直径，n为正整数。

每次镦粗步骤中的镦粗比可以相同，也可以不同。

本发明的有益效果为：

该模具将凹模设计成内壁带有一定锥度的多个分层模块，通过凹模的斜壁对坯料的失稳进行约束，使其不产生折叠现象，经过几次镦粗成形，最终获得高径比小于失稳范围的预制坯，为后续锻造成形工序提供适宜的预制坯。

附图说明

图1为第一次镦粗前后的演示示意图；

图2为第二次镦粗前后的演示示意图；

图3为第三次镦粗前后的演示示意图。

其中，1、隔热垫板；2、凹模垫板；3、第一层凹模模块；4、第二层凹模模块；5、第三层凹模模块；6、第一层凸模模块；7、第二层凸模模块；8、第三层凸模模块；9、隔热板；10、上模座；11、凸模紧固螺栓；12、凹模紧固螺栓；13、原始棒料；14、第一次镦粗件；15、顶杆；16、下模座；17、第二次镦粗的初始坯料；18、第二次镦粗件；19、第三次镦粗的初始坯料；20、第三次镦粗件。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

在本实施例中，锻造材料为钛合金，其原始棒料直径为250mm，目标锻件的坯料体积为79841.1237cm³，经计算确定圆柱坯料的高度为1626.51mm，因此，初始棒料的高径比高达6.506。按照目标锻件的锻造设计要求，其制坯件的高径比为0.256。即将初始高径比高达6.506的圆棒料镦粗成为高径比为0.256的饼类预成形件，为目标锻件的后续锻造提供合理尺寸与形状的预成形件。

本实施例的模具结构示意图如图1、图2和图3所示，分别表示第一、二和三次镦粗前后的模具示意图，凸模和凹模均被设计成三层模块，其中凹模包括第一层凹模模块3、第二层凹模模块4、第三层凹模模块5；凸模包括第一层凸模模块6、第二层凸模模块7、第三层凸模模块8，凸模的三层模块通过凸模紧固螺栓11连接固定，凹模的三层模块通过凹模紧固螺栓12连接固定。最初的原始棒料13在第一套镦粗模具中进行镦粗，镦粗后获得第一次镦粗件14，将第一次镦粗件14作为第二次镦粗的初始坯料17，并放入第二套镦粗模具中进行第二次镦粗，镦粗后获得第二次镦粗件18，再将第二次镦粗件18作为第三次镦粗的初始坯料19，并放入第三套镦粗模具中，镦粗后获得第三次镦粗件20。

进一步的，凸模与凸模隔热板9通过紧固螺栓固定到上模座10上；凹模放置在凹模垫板2上，通过紧固螺栓将凹模垫板2与凹模隔热垫板1固定到下模座16上。

本实施例的镦粗工艺过程为：

步骤(1)：确定第一层凹模模块3的底端内径。根据提供棒料的直径以及目标锻件体积，计算出所需棒料的高度。本实施例中钛合金原始棒料的直径为250mm，按照目标锻件体积，计算得到原始棒料高度为1626.51mm，高径比为6.506。为方便原始坯料在第一次镦粗中凹模内的定位，选取第一层凹模模块3的底端内径为252mm。

步骤(2)：确定凸凹模的锥角α。根据该原始棒料的直径和高径比，选择凹模和凸模的锥角为8°。确定镦粗次数为3次，将凸模和凹模分别分为3层模块。

步骤(3)：确定凸模和凹模各层模块的高度。根据确定的锥角α、第一层凹模模块3的最底端内径以及第二次镦粗的第二层凹模模块4的底部直径，计算出第一层凹模模块3的高度为715mm，同理可得其它凹模模块的高度；根据锥角α、第一层凹模模块最底端内径和坯料的体积不变原则，计算坯料充满第一次镦粗模具型腔时锥形镦粗件的上端直径，该直径即为第一层凸模模块6的小端直径。当第二次镦粗完成后，坯料再次充满型腔时的坯料上端直径为第一层凸模模块6的大端直径，按照上述方法，计算求得的第一层凸模模块6的高度为386mm，同理，可求得其它各层凸模模块的高度。

步骤(4)：在原始棒料、第一次镦粗凹模型腔表面及凸模下端面涂抹玻璃润滑剂，然后将坯料放在加热炉中加热到要求温度，预热模具到要求温度。将加热后的原始棒料放入预热好的模具凹模内，并进行保温。

步骤(5)：进行第一次锥形镦粗过程，随凸模压下，原始棒料13发生塑性变形，当凸模压下到指定行程(凸模外壁与凹模内壁几近重合时)，第一次镦粗过程结束，获得第一次镦粗件14。

步骤(6)，进行第二次镦粗，将第一层凹模模块3和第一层凸模模块6卸掉，采用剩下的凸、凹模模块组成一套新的镦粗模具，通过尺寸合适的紧固螺栓固定，此时凹模最底层的直径已扩大为350mm。将第二次镦粗模具加热至要求温度，同时将经过第一次镦粗获得的镦粗件14也加热至所要求温度，并放入凹模内，进行第二次镦粗成形。第二次镦粗的初始坯料17的锥面与凹模锥面平行，且二者之间间隙相对较小，所以在第二次镦粗过程中不易出现失稳现象，也不易产生折叠。经过两次镦粗后，坯料高度显著减小，下端直径达到350mm，上端直径增大，平均高径比再次减小。

步骤(7)：进行第三次锥形镦粗。再将第二层凹模模块4和第二层凸模模块7卸掉，剩下的凸、凹模模块又组成第三次镦粗的模具。此时凹模最底层的直径扩大为450mm，将经过两次镦粗的镦粗件18作为第三次镦粗的初始坯料，并再次加热镦粗件和模具，将加热后的镦粗件放入第三次镦粗的模具凹模内，进行第三次镦粗，获得高径比更小的第三次镦粗件20，其平均高径比已小于0.95。

步骤(8)：将第三次镦粗过程获得的镦粗件20再次加热，在加热后的平砧上进行常规镦粗，镦粗至高径比为0.256的饼类预成形件，其可作为目标锻件的预成形件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种超大高径比棒料的连续锥形镦粗模具，其特征在于：包括相互配合的凹模和凸模，凹模和凸模的成形壁面具有相同的锥度，锥角为4～30°；所述凹模由沿轴向分布的若干层可拆卸的凹模模块安装而成，所述凸模由沿轴向分布的若干层可拆卸的凸模模块安装而成，且凹模的层数和凸模的层数均与设定的镦粗次数相等，凸模模块的高度与凹模模块的高度对应设置。

2.根据权利要求1所述的连续锥形镦粗模具，其特征在于：凹模和凸模的锥角为6～16°。

3.根据权利要求1所述的连续锥形镦粗模具，其特征在于：所述凹模的最小直径比待镦粗的棒料的原始直径大2～3mm。

4.权利要求1～3任一所述连续锥形镦粗模具对超大高径比棒料的镦粗方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据原始棒料的直径和锻件的体积，得到棒料的高度；

2)选择凸模和凹模的成形壁面的锥度，根据成形壁面的锥角、棒料的高度和每次的镦粗比，确定镦粗次数、凸模的层数和凹模的层数以及每层凸模模块的高度和每层凹模模块的高度；

3)将棒料、凹模和凸模加热后，进行第一次镦粗操作；

4)第一次镦粗完成后，将最小平均外径的凸模模块和最小平均内径的凹模模块拆卸掉，并将剩余的凸模模块和凹模模块重新安装固定，进行第二次镦粗；

5)按照相同的方法进行后续的镦粗，直至镦粗件的高径比小于不失稳镦粗的最大高径比，得到最终镦粗件。

5.根据权利要求4所述的镦粗方法，其特征在于：步骤2)中，每层凹模模块的高度的计算方法为，

h_n＝(d_n+1-d_n)/2tan(α/2)

其中，h_n为沿凹模内径逐渐变大的方向的第n层凹模模块的高度，α为凹模的锥度角，d_n为第n次镦粗时凹模的最底端直径，d_n+1为第n+1次镦粗时凹模的最底端直径，n为正整数。

6.根据权利要求4所述的镦粗方法，其特征在于：每层凸模模块的高度的计算方法为：

H_n＝(D_n+1-D_n)/2tan(α/2)

其中，H_n为沿凸模外径逐渐增大的方向的第n层凸模模块的高度，α为凸模的锥度角，D_n为第n次镦粗完成，坯料充满型腔后的大端直径，D_n+1为第n+1次镦粗完成，坯料再次充满型腔后的大端直径。