CN106964735A - 一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法，包括：(1)根据初始坯料尺寸、模内镦粗坯料直径增加率和自由镦粗坯料高径比确定模内镦粗道次规划镦粗工艺流程；(2)根据镦粗成形件目标尺寸、自由镦粗坯料高径比和模内镦粗坯料直径增加率确定各镦粗道次的镦粗比；(3)模内镦粗采用带脱模斜度的环形模具，主要工作尺寸可根据各道次镦粗比计算各道次镦粗坯料尺寸来确定；(4)镦粗成形：利用压力机和模具按规划的镦粗流程依次进行各道次镦粗，最终获得所需的镦粗成形件。本发明能够有效抑制超大高径比坯料镦粗失稳现象，避免坯料镦粗弯曲，而且可以调控镦粗变形均匀性、降低镦粗力能，从而提高镦粗质量、节约镦粗能耗并且扩大设备镦粗尺寸范围。

Description

一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法

技术领域

本发明属于塑性加工的技术领域，尤其涉及一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法。

背景技术

镦粗作为最基本的塑性成形工步，在锻造、挤压、轧制等主要塑性成形工艺中发挥着关键的作用，镦粗的效果对于塑性成形毛坯和锻件的几何精度和组织性能都有着重要的影响。机械、能源、航空航天领域高端重大装备的快速发展，对大型锻件的性能要求越来越高，为了实现大型锻件高性能制造，通常需要通过大塑性变形来尽可能消除坯料原始缺陷、改善内部组织状态、提升综合力学性能。要实现上述目的，通常需要大镦粗比镦粗来支撑，而为了获得大镦粗比，则需要镦粗坯料的高度和直径比值大即大高径比坯料。然而，通常当镦粗坯料高径比超过2.5时，就极易出现镦粗失稳而导致坯料弯曲。因此，塑性成形工艺中一般避免选用高径比2.5以上的大高径比坯料，这也就限制了镦粗对坯料组织性能的改善效果。对于大镦粗比需求和镦粗失稳缺陷之间的矛盾，如何实现大高径比坯料镦粗成形一直作为关键技术问题被塑性加工界所重视，并且提出了一些大高径比坯料镦粗方法。然而，目前实际应用中镦粗坯料的最大高径比也只能达到3.3左右。而对于需要更大高径比坯料镦粗的情况，为了防止镦粗失稳，也只能改用大直径的坯料，一方面牺牲了镦粗比，另一方面坯料直径越大、内部组织质量越难以控制而相对越差。此外，对于航空航天一些特种材料锻件，由于坯料本身规格的限制，无法选用更大直径的坯料，而必须进行大高径比镦粗时，则给锻件成形带来了瓶颈制约。因此，为了摆脱上述问题对大型锻件尤其是航空航天特殊材料大型锻件高性能成形的制约，迫切需要研发有效的超大高径比坯料镦粗成形方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法，采用模内镦粗与自由镦粗相结合的多道次组合镦粗方式，通过合理规划设计镦粗工艺和模具，可以有效避免镦粗失稳，从而可实现高径比3.3～7的超大高径比坯料镦粗成形。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法，其特征在于，它包括如下具体步骤：

1)确定模内镦粗道次，根据初始坯料尺寸、模内镦粗坯料直径增加率和自由镦粗坯料高径比确定模内镦粗道次，具体计算公式如下：

其中，n表示模内镦粗次数，取整数；D₀、H₀分别表示初始坯料的直径和高度；k为模内镦粗坯料直径增加率即模内镦粗前后坯料直径增加百分比，为了调控镦粗变形均匀性，各道次模内镦粗直径增加率取相同值；λ为最后自由镦粗坯料的高径比；

2)镦粗比设计，根据镦粗成形件目标尺寸、自由镦粗坯料高径比和模内镦粗坯料直径增加率确定镦粗比，具体计算公式如下：

其中，S表示模内镦粗的镦粗比，由于各道次模内镦粗坯料直径增加率k相等，则各道次模内镦粗的镦粗比相等；S₁表示自由镦粗的镦粗比；D、H分别表示镦粗成形件的目标直径和高度；

3)镦粗模具设计，模内镦粗用模具采用带脱模斜度的环形模具，其主要尺寸可按下式设计：

d_i＝(1+k)D_i-1，i＝1,2...n，其中，d_i、h_i分别表示第i次模内镦粗所用模具的内径和高度；D_i-1、H_i-1分别表示第i次模内镦粗前坯料的直径和高度，可根据各道次镦粗比计算确定，i＝1时则表示初始坯料的直径和高度；

4)镦粗成形，将模内镦粗的模具预热、润滑，放上压力机工作台，将初始坯料放置于模具底部中心，保持坯料端面与轴线垂直，利用压力机进行模内镦粗，模内镦粗完成后进行脱模，随后进行后续道次镦粗，直至完成最后的自由镦粗。

按上述方案，所述步骤1)中的对于初始坯料高径比为3.3～7的多道次镦粗，k值取15％～20％、λ值取2.1～2.4，初始坯料高径比渐增，k取值随之渐增，λ取值随之渐减，初始坯料高径比渐减，k取值随之渐减，λ取值随之渐增。

按上述方案，所述步骤3)中所述脱模斜度为3°～5°。

本发明的有益效果是：本发明根据普通自由镦粗和模内镦粗各自优缺点，通过两种方式组合，既能够防止镦粗失稳，又能一定程度上简化镦粗工艺过程和工艺成本；其次，通过匹配设计模内镦粗坯料直径增加率、自由镦粗坯料高径比等关键参数，从而合理规划镦粗道次、协调分配各道次镦粗比并且有效设定模具约束，使超大高径比坯料在多道次镦粗过程中均匀稳定变形，有效抑制镦粗弯曲，同时控制变形均匀性，并且降低镦粗力能，在实现超大高径比镦粗成形的同时，提高坯料内部组织质量、减少能耗和扩大设备加工范围。而且该方法适用于各种金属坯料，尤其对于一些锻造温度范围窄的特殊材料如铝合金，模内镦粗可以起到有效的保温作用。

附图说明

图1为本发明一个实施例的工艺流程图。

图2为本发明另一个实施例的工艺流程图。

具体实施方式

对于超大高径比坯料镦粗，首先需要考虑避免镦粗失稳，同时还要考虑工艺操作性和工艺成本。本发明综合利用模内镦粗和自由镦粗工艺特点，采用模内镦粗与自由镦粗相结合的多道次组合镦粗方式，首先通过模内镦粗使坯料变形至高径比达到自由镦粗允许的高径比范围内，最后再采用自由镦粗完成。对于上述组合镦粗方式，镦粗道次越多，镦粗失稳风险越小，但是工艺操作越复杂、工艺成本也越高。对于本发明的组合镦粗方式，可根据初始坯料尺寸、模内镦粗坯料直径增加率和自由镦粗坯料高径比按下式计算确定模内镦粗道次。对于坯料高径比3.3～7的多道次镦粗，k值取15％～20％、λ值取2.1～2.4时，可以保障模内镦粗和自由镦粗均能有效避免镦粗失稳，并且使各道次镦粗变形程度尽可能相接近。初始坯料高径比越大时，k取值越大、λ取值越小。镦粗比是镦粗变形的重要参数，对于镦粗力能和镦粗质量都有着关键的影响。对于本发明多道次组合镦粗，当确定镦粗道次后，各道次的镦粗比可根据镦粗成形件目标尺寸、自由镦粗坯料高径比和模内镦粗坯料直径增加率计算确定。模内镦粗用模具采用带脱模斜度的环形模具，模具的外径可通过各道次镦粗力和模具材料性能进行强度计算确定，脱模斜度通常取3°～5°。

实施例1：

如图1所示，以高径比为7的某钢制坯料镦粗为例，坯料初始镦粗尺寸为直径D₀＝600mm、高度H₀＝4200mm，镦粗成形件尺寸目标尺寸为直径D＝1000mm、高度H＝1512mm，镦粗成形按如下步骤实现：

1)确定模内镦粗道次，根据如下公式计算得出：

取模内镦粗坯料直径增加率k为20％、自由镦粗坯料的高径比λ为2.34，计算确定模内镦粗道次为两次，整个镦粗工艺流程为模内镦粗两次，自由镦粗一次；

2)镦粗比设计，根据如下公式计算得出：

确定两次模内镦粗比为30.56％，自由镦粗比为25.35％；

3)镦粗模具设计，模内镦粗用模具采用带脱模斜度的环形模具，其主要尺寸可按下式设计：

确定第1次模内镦粗环形模具内径d₁＝600mm、高度h₁＝2917mm、脱模斜度α＝5°；第2次模内镦粗环形模具内径d₂＝864mm、高度h₂＝2026mm、脱模斜度α＝5°；

4)镦粗成形，将模内镦粗的模具预热、润滑，放上压力机工作台，将初始坯料放置于模具底部中心，保持坯料端面与轴线垂直，利用压力机进行两次模内镦粗，模内镦粗完成后进行脱模，随后进行自由镦粗，最终获得所需镦粗成形件。

实施例2：

如图2所示，以高径比为3.3的某铝合金坯料镦粗为例，坯料初始镦粗尺寸为直径D₀＝500mm、高度H₀＝1650mm，镦粗成形件尺寸目标尺寸为直径D＝660mm、高度H＝947mm，镦粗成形按如下步骤实现：

1)确定模内镦粗道次，根据如下公式计算得出：

取模内镦粗坯料直径增加率k为15％、自由镦粗坯料的高径比λ为2.17，计算确定模内镦粗道次为一次，整个镦粗工艺流程为模内镦粗一次，自由镦粗一次；

2)镦粗比设计，根据如下公式计算得出：

模内镦粗比为24.39％、自由镦粗比为24.10％；

3)镦粗模具设计，模内镦粗用模具采用带脱模斜度的环形模具，其主要尺寸可按下式设计：

确定模内镦粗环形模具内径d₁＝575mm、高度h₁＝1248mm、脱模斜度α＝3°；

4)镦粗成形，将模内镦粗的模具预热、润滑，放上压力机工作台，将初始坯料放置于模具底部中心，保持坯料端面与轴线垂直，利用压力机进行模内镦粗，模内镦粗完成后进行脱模，随后进行自由镦粗，最终获得所需镦粗成形件。

上述实例仅是对本发明有效性和可行性的实例论证，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的工作原理所实施例任何具体的简单变更、等同变化和修饰，均仍属于本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法，其特征在于，它包括如下具体步骤：

1)确定模内镦粗道次，根据初始坯料尺寸、模内镦粗坯料直径增加率和自由镦粗坯料高径比确定模内镦粗道次，具体计算公式如下：

其中，n表示模内镦粗次数，取整数；D₀、H₀分别表示初始坯料的直径和高度；k为模内镦粗坯料直径增加率即模内镦粗前后坯料直径增加百分比，为了调控镦粗变形均匀性，各道次模内镦粗直径增加率取相同值；λ为最后自由镦粗坯料的高径比；

2)镦粗比设计，根据镦粗成形件目标尺寸、自由镦粗坯料高径比和模内镦粗坯料直径增加率确定镦粗比，具体计算公式如下：

其中，S表示模内镦粗的镦粗比，由于各道次模内镦粗坯料直径增加率k相等，则各道次模内镦粗的镦粗比相等；S₁表示自由镦粗的镦粗比；D、H分别表示镦粗成形件的目标直径和高度；

3)镦粗模具设计，模内镦粗用模具采用带脱模斜度的环形模具，其主要尺寸可按下式设计：

i＝1,2...n，其中，d_i、h_i分别表示第i次模内镦粗所用模具的内径和高度；D_i-1、H_i-1分别表示第i次模内镦粗前坯料的直径和高度，可根据各道次镦粗比计算确定，i＝1时则表示初始坯料的直径和高度；

4)镦粗成形，将模内镦粗的模具预热、润滑，放上压力机工作台，将初始坯料放置于模具底部中心，保持坯料端面与轴线垂直，利用压力机进行模内镦粗，模内镦粗完成后进行脱模，随后进行后续道次镦粗，直至完成最后的自由镦粗。

2.根据上述权利要求1所述的一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法，其特征在于，所述步骤1)中的对于初始坯料高径比为3.3～7的多道次镦粗，k值取15％～20％、λ值取2.1～2.4，初始坯料高径比渐增，k取值随之渐增，λ取值随之渐减，初始坯料高径比渐减，k取值随之渐减，λ取值随之渐增。

3.根据上述权利要求1所述的一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法，其特征在于，所述步骤3)中所述脱模斜度为3°～5°。