CN108453180A - 铜合金锥形环轧件的热胀形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其步骤为：把热轧的所述锥形环轧件套装在胀形机内经预热的胀形块外围，移动经预热的压块与胀形块配合并压在该环轧件的上端面。启动胀形机，使胀形块从该环轧件的内圆锥面沿径向挤压该环轧件，同时所述压块沿轴向同步挤压该环轧件使其发生内外径尺寸扩大、壁厚减薄和高度减小的塑性变形，达到预定尺寸并经保压后完成胀形；胀形过程中，胀形温度500℃～600℃，胀形速度0.69～1.69mm/s，压下速度0.29～1.29mm/s，保压时间59～99s；接着使该环轧件沿中心轴线旋转30°，再按上述操作把胀形过程中在该环轧件的内圆锥面形成的凸出痕迹胀平后完成校形。胀形后的该环轧件的尺寸精度达到±2mm，主要用于特种工程装备等领域。

Description

铜合金锥形环轧件的热胀形方法

技术领域

本发明涉及一种环件的胀形方法，特别是涉及了铜合金锥形环轧件的热胀形方法。

背景技术

锥形环轧件是一种纵截面呈锥形的异形环轧件，广泛应用于航空、航天、燃气轮机、特种工程装备等行业。锥形环轧件由于上下两端面之间的直径尺寸差异，增加了胀形的难度，胀形过程控制不好容易产生缺陷。

2012年5月9日公开的中国发明专利说明书CN102441604A公开了一种铝合金异形环轧件的热胀形方法，其技术方案为：把热轧铝合金异形环轧件套装进胀形机，使其内环面套在经预热的胀形块的外圆周面外围，所述胀形块的外圆周面具有与所述异形环轧件的内圆周面相配合一致的形状；启动胀形机对芯轴滑块施加轴向拉力使其沿轴向向下移动并沿所述径向滑块的内孔锥面挤压径向滑块使各径向滑块沿径向同步移动扩散，装在径向滑块外圆周面上的胀形块从异形环轧件的内圆周表面沿径向挤压该环轧件，所述异形环轧件发生内、外径尺寸扩大及壁厚减薄的塑性变形，所述环轧件经过三次小变形量胀形和两次同向旋转，并且通过选择合适的胀形温度、胀形时间和保压时间等工艺参数，获得了尺寸精度高、内部组织未发生任何变化，无变形、翘曲等缺陷的胀形环轧件。

在采用上述方法胀形铜合金锥形环轧件时，由于锥形环轧件上下两端面之间的直径尺寸存在差异，胀形时应变大部分集中在锥形环轧件小端面部位，胀形结束后，会导致锥形环轧件大端面从内径朝外径的方向出现一个斜度，锥形环轧件的内壁中间位置出现内凹现象，胀形力过大还容易把锥形环轧件向上胀出胀形块。即所述锥形环轧件胀形后会出现翘曲变形、内壁凹陷、尺寸精度不高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用压块来实现铜合金锥形环轧件的热胀形方法，该方法能在胀形时通过压块对所述铜合金锥形环轧件在高度方向进行压缩，提高了胀形锥形环轧件的产品质量。

为解决上述技术问题，本发明所述铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其技术方案包括以下步骤：

提供胀形机，该胀形机主要由芯轴滑块、径向滑块、胀形块、工作台、导轨及压块组成；所述芯轴滑块呈圆锥形并套装在径向滑块内与径向滑块的锥形内圆周面配合，并且能在径向滑块内沿轴向上下移动挤压径向滑块；所述径向滑块是12块分开的扇形块，安装在胀形机的导轨上并可沿导轨径向来回移动，各扇形块的外圆周面上分别固定安装有外圆周面呈锥形的胀形块，各胀形块的外圆锥面分别与各压块的内圆锥面接触，所述压块可沿胀形块的外圆锥面轴向上下移动并可沿径向来回移动，各扇形块合拢时与胀形块和压块一起形成一个环形状；当所述芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向下移动时能使各径向滑块沿径向同步移动扩散使胀形块胀形锥形环轧件，同时压块也同步挤压所述锥形环轧件；当所述芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上移动时胀形机可驱动各径向滑块沿径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的锥形环轧件；在该胀形机的工作台上还有可驱动锥形环轧件在该工作台上沿中心轴线旋转的导辊；

把热轧铜合金锥形环轧件套装进胀形机，使其内圆锥面套在经预热到150℃～180℃的胀形块的外圆锥面外围，此时，径向滑块处于合拢状态，移动经预热到150℃～180℃的压块使其内圆锥面与胀形块的外圆锥面配合并使其下端面压在锥形环轧件的上端面；

启动胀形机，对芯轴滑块施加轴向拉力F₁使其沿轴向向下移动并沿所述径向滑块的内圆锥面挤压径向滑块使各径向滑块沿径向同步移动扩散，装在径向滑块外圆周面上的胀形块从锥形环轧件的内圆锥面沿径向以胀形力F₂挤压该环轧件，同时所述压块沿轴向以压力F₃同步挤压该环轧件，锥形环轧件发生内外径尺寸扩大、壁厚减薄和高度减小的塑性变形，达到预定尺寸并经保压后完成胀形；在胀形过程中，所述锥形环轧件的胀形温度为500℃～600℃，胀形速度为0.69mm/s～1.69mm/s，压下速度为0.29mm/s～1.29mm/s，保压时间为59s～99s；

移开压块，胀形机驱动芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上移动，并驱动径向滑块沿径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的锥形环轧件，启动胀形机的工作台上的导辊使其驱动锥形环轧件沿中心轴线旋转30°，使每个胀形块对准胀形时两个相邻胀形块之间的间隙对锥形环轧件的内圆锥面形成的凸出痕迹，再按上述胀形过程把所述凸出痕迹胀平即可，完成对锥形环轧件的校形；

校形结束后，移开压块，向上移动芯轴滑块，合拢径向滑块，取出经胀形后的锥形环轧件。

上述铜合金优选材料牌号为HPb59-1。

所述胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力F₁按下式计算确定：

F₁＝ξ×σ_0.2×S

式中：

ξ——胀形机胀形系数，取1.26～1.52；

σ_0.2——胀形温度下合金材料的屈服强度，HPb59-1合金取70MPa～110MPa；

S——锥形环轧件的纵截面面积，单位：mm²。

所述锥形环轧件受到胀形块施加的径向胀形力F₂按下式计算确定：

F₂＝F₁·tanβ

式中：

F₁——胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力，单位：N；

β——锥形环轧件的半锥角，单位：°。

所述锥形环轧件受到压块施加的轴向压力F₃按下式计算确定：

F₃＝F₁×tanα×cotβ－G

式中：

F₁——胀形机对芯轴滑块1施加的轴向拉力，单位：N；

α——芯轴滑块的半锥角，单位：°；

β——锥形环轧件的半锥角，单位：°；

G——锥形环轧件的重力，单位：N。

所述锥形环轧件在热态下的胀形尺寸按下式计算确定：

式中：

r——锥形环轧件胀形后的热态内径尺寸，单位：mm；

r₀——锥形环轧件胀形前的热态内径尺寸，单位：mm；

R₀——锥形环轧件胀形前的热态外径尺寸，单位：mm；

F₂——锥形环轧件受到的径向胀形力，单位：N；

E——锥形环轧件所用材料的弹性模量，HPb59-1合金取91.2GPa；

μ——锥形环轧件所用材料的泊松比，HPb59-1合金取0.32。

所述锥形环轧件在高度方向被压块同步压下的压缩量按下式计算确定：

△h——锥形环轧件在高度方向被压块同步压下的压缩量，单位：mm；

H——锥形环轧件的高度尺寸，单位：mm；

△r——胀形过程中锥形环轧件的内径尺寸变化量，单位：mm。

采用本发明所述热胀形方法胀形的铜合金锥形环轧件，其内径尺寸范围为Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm，锥度为3°～60°。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所述铜合金锥形环轧件的热胀形方法，由于在用于实施该方法的胀形机上增设了压块，所述胀形机的胀形块在径向从内向外胀形锥形环轧件的过程中所述压块也在高度方向从上向下同步挤压锥形环轧件，使锥形环轧件在胀形过程中不仅受到来自于胀形块的径向胀形力的作用，而且还受到来自于压块的轴向压力的作用，有利于分散锥形环轧件小端面应变过于集中的情况，防止锥形环轧件大端面从内径朝外径的方向产生斜度和胀形力过大把锥形环轧件向上胀出胀形块的现象发生；由于胀形时所述压块在锥形环轧件的高度方向有一个压缩量，在半径方向有一个内径尺寸变化量，径轴向同步变形可以避免锥形环轧件的内壁产生凹陷。因此，采用本发明所述方法能够防止锥形环轧件胀形后出现翘曲变形、内壁凹陷、尺寸精度不高等现象发生，大幅提高胀形锥形环轧件的产品质量。

在胀形过程中，所述锥形环轧件受到压块施加的轴向压力F₃由胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力F₁、芯轴滑块的半锥角α、锥形环轧件的半锥角β及其重力G等因素决定，可以使F₃更好地与F₁匹配，使锥形环轧件能以0.69mm/s～1.69mm/s速度胀形，以0.29mm/s～1.29mm/s速度压下，所述锥形环轧件在高度方向被压块同步压下的压缩量与胀形过程中锥形环轧件的内径尺寸变化量之间的关系属于一次函数关系，从而有利于锥形环轧件在径向和轴向两个方向变形均匀并实现一次胀形成形，减少了胀形次数，降低了生产制造成本。

所述锥形环轧件胀形后的热态内径尺寸由其胀形前的热态内径尺寸、外径尺寸、受到的径向胀形力及所用材料的弹性模量和泊松比等因素决定，能够精确计算胀形后的热态内径尺寸，更好地提高胀形后锥形环轧件的尺寸精度。

以牌号为HPb59-1的铜合金锥形环轧件为例，经检测胀形后的该合金锥形环轧件的尺寸精度，达到了±2mm；经检测该合金锥形环轧件的内部组织，未发生任何变化，而且无翘曲变形、内壁凹陷等缺陷。

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是热轧锥形环轧件沿其中心线的纵剖面图。

图2是胀形机的结构简图。

图3是热轧锥形环轧件的装机示意图。

图4是热轧锥形环轧件的热胀形过程示意图。

图5是胀形块脱离胀形后的锥形环轧件的示意图。

具体实施方式

实施本发明所述的铜合金锥形环轧件的热胀形方法需要提供胀形机、机械手等设备。下面以我国材料牌号为HPb59-1的铜合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：

该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为：含Pb量0.8％～1.9％、含Fe量≤0.5％、含Cu量57％～60％、含Al量≤0.2％、含Sb量≤0.01％、含P量≤0.02％、含Bi量≤0.003％、杂志总和≤1.0％，余量为Zn。

图1为热轧成形后的铜合金锥形环轧件10，其半锥角为β。

用于实施本发明所述热胀形方法的胀形机的结构简图如图2所示，该胀形机主要由芯轴滑块1、径向滑块2、胀形块3、工作台4、导轨5及压块6组成。芯轴滑块1呈圆锥形并套装在径向滑块2内与径向滑块2的锥形内圆周面配合，芯轴滑块1可由胀形机的液压缸带动在径向滑块2内沿轴向上下移动并挤压径向滑块2；径向滑块2安装在胀形机的导轨5上并可沿导轨5径向来回移动，径向滑块2从图2俯视方向看是12块分开的扇形块形状，各扇形块的外圆周面上分别固定安装有外圆周面呈锥形的胀形块3，各胀形块3的外圆锥面分别与各压块6的内圆锥面接触，压块6可沿胀形块3的外圆锥面轴向上下移动并可沿径向来回移动，各扇形块合拢时与胀形块3和压块6一起可以形成一个环形状；当芯轴滑块1在径向滑块2内沿轴向向下移动时可使各径向滑块2沿径向同步移动扩散使胀形块3达到胀形锥形环轧件10的目的并且压块6可以同步挤压锥形环轧件10，当芯轴滑块1在径向滑块2内沿轴向向上移动时胀形机可驱动各径向滑块2沿径向同步移动合拢使胀形块3脱离胀形后的锥形环轧件10，胀形块3在胀形过程中具有实时测量锥形环轧件10内径尺寸并把测量数据传送到胀形机的显示器上的功能，压块6在挤压锥形环轧件10过程中具有实时测量锥形环轧件10的高度尺寸并把测量数据传送到胀形机的显示器上的功能；此外，在该胀形机的工作台4上还有可驱动锥形环轧件10在该工作台上沿中心轴线旋转的导辊(图中未示出)。

该合金从轧制成如图1所示的锥形环轧件10后进行热胀形的工艺步骤如下：

步骤1：装机。

如图3所示，把压块6沿径向朝远离芯轴滑块1轴线的方向移开并预热到150℃～180℃，把胀形机上的胀形块3预热到150℃～180℃，再把刚从环轧机上轧制成形的HPb59-1合金锥形环轧件10趁热套装进胀形机，使其内圆锥面套在胀形块3的外圆锥面外围，其底面平放在工作台4的上面，此时，径向滑块2处于合拢状态，接着把预热后的压块6沿径向朝芯轴滑块1轴线方向移动使其内圆锥面与胀形块3的外圆锥面配合并使其下端面压在锥形环轧件10的上端面。装机时工件的装运主要通过机械手操作完成。

步骤2：胀形。

如图4所示，启动胀形机，胀形机的液压缸对芯轴滑块1施加轴向拉力F₁，芯轴滑块1沿其轴向向下移动，芯轴滑块1在径向滑块2内沿其锥形面挤压径向滑块2使各径向滑块2沿径向同步移动扩散，胀形块3跟着径向滑块2扩散其外圆锥面与锥形环轧件10的内圆锥面接触后沿锥形环轧件10的内圆锥面挤压锥形环轧件10，同时压块6沿轴向顺着胀形块3的外圆锥面向下滑动同步挤压锥形环轧件10，使锥形环轧件10从其内圆锥面到外圆锥面受到来自胀形块3的径向胀形力F₂的作用，在高度方向自上而下受到来自压块6的轴向压力F₃的作用，导致锥形环轧件10的内圆锥面沿径向扩大、高度沿轴向减小，锥形环轧件10发生内外径尺寸扩大、壁厚减薄和高度减小的塑性变形，达到预定尺寸并经保压后完成胀形。所述锥形环轧件10的胀形温度为500℃～600℃，胀形速度为0.69mm/s～1.69mm/s，压下速度0.29mm/s～1.29mm/s，保压时间为59s～99s。

所述锥形环轧件10在胀形过程中，胀形机对芯轴滑块1施加的轴向拉力F₁按下式计算：

F₁＝ξ×σ_0.2×S

式中：

ξ——胀形机胀形系数，本发明取1.26～1.52；

σ_0.2——胀形温度下HPb59-1合金材料的屈服强度(MPa)，本发明取70MPa～110MPa；

S——锥形环轧件10的纵截面面积(mm²)。

所述锥形环轧件10受到胀形块3施加的径向胀形力F₂按下式计算：

F₂＝F₁·tanβ

式中：

F₁——胀形机对芯轴滑块1施加的轴向拉力(N)；

β——锥形环轧件10的半锥角(°)。

所述锥形环轧件10受到压块6施加的轴向压力F₃按下式计算：

F₃＝F₁×tanα×cotβ－G

式中：

F₁——胀形机对芯轴滑块1施加的轴向拉力(N)；

α——芯轴滑块1的半锥角(°)，如图2所示；

β——锥形环轧件10的半锥角(°)；

G——锥形环轧件10的重力(N)。

所述锥形环轧件10在热态下的胀形尺寸按以下公式计算确定：

式中：

r——锥形环轧件10胀形后的热态内径尺寸(mm)；

r₀——锥形环轧件10胀形前的热态内径尺寸(mm)；

R₀——锥形环轧件10胀形前的热态外径尺寸(mm)；

F₂——锥形环轧件10受到的径向胀形力(N)；

E——锥形环轧件10所用HPb59-1合金材料的弹性模量，本发明取91.2GPa；

μ——锥形环轧件10所用HPb59-1合金材料的泊松比，本发明取0.32。

所述锥形环轧件10在高度方向被压块6同步压下的压缩量按以下公式计算确定：

△h——锥形环轧件10在高度方向被压块6同步压下的压缩量(mm)；

H——锥形环轧件10的高度尺寸(mm)；

△r——胀形过程中锥形环轧件10的内径尺寸变化量(mm)。

上式中，对于确定的产品，锥形环轧件10的高度尺寸H是常数，因此，△h与△r之间的关系属于一次函数关系。

上述内、外径尺寸包含了锥形环轧件10纵截面上任何对应点的尺寸，实际操作时，为方便起见，一般只测量锥形环轧件10的大头端面的尺寸，所述大头端面即图1中锥形环轧件10的底端面。

步骤3：校形。

如图5所示，沿径向朝远离芯轴滑块1轴线的方向移开压块6，胀形机驱动芯轴滑块1在径向滑块2内沿轴向向上移动，并驱动径向滑块2沿径向同步移动合拢使胀形块3脱离胀形后的锥形环轧件10，启动胀形机的工作台4上的导辊使其驱动锥形环轧件10在该工作台上沿中心轴线顺时针或逆时针旋转30°，使每个胀形块3对准胀形时两个相邻胀形块3之间的间隙对锥形环轧件10的内圆锥面形成的凸出痕迹，再按步骤2的胀形过程把所述凸出痕迹胀平即可，完成对锥形环轧件10的校形。

校形结束后，沿径向朝远离芯轴滑块1轴线的方向移开压块6，向上移动芯轴滑块1，合拢径向滑块2并使胀形块3脱离锥形环轧件10，用机械手从胀形机中取出锥形环轧件10。

采用上述方法胀形的铜合金锥形环轧件，其内径尺寸范围为：Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm，锥度为3°～60°。

Claims (8)

1.一种铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供胀形机，该胀形机主要由芯轴滑块、径向滑块、胀形块、工作台、导轨及压块组成；所述芯轴滑块呈圆锥形并套装在径向滑块内与径向滑块的锥形内圆周面配合，并且能在径向滑块内沿轴向上下移动挤压径向滑块；所述径向滑块是12块分开的扇形块，安装在胀形机的导轨上并可沿导轨径向来回移动，各扇形块的外圆周面上分别固定安装有外圆周面呈锥形的胀形块，各胀形块的外圆锥面分别与各压块的内圆锥面接触，所述压块可沿胀形块的外圆锥面轴向上下移动并可沿径向来回移动，各扇形块合拢时与胀形块和压块一起形成一个环形状；当所述芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向下移动时能使各径向滑块沿径向同步移动扩散使胀形块胀形锥形环轧件，同时压块也同步挤压所述锥形环轧件；当所述芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上移动时胀形机可驱动各径向滑块沿径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的锥形环轧件；在该胀形机的工作台上还有可驱动锥形环轧件在该工作台上沿中心轴线旋转的导辊；

把热轧铜合金锥形环轧件套装进胀形机，使其内圆锥面套在经预热到150℃～180℃的胀形块的外圆锥面外围，此时，径向滑块处于合拢状态，移动经预热到150℃～180℃的压块使其内圆锥面与胀形块的外圆锥面配合并使其下端面压在锥形环轧件的上端面；

启动胀形机，对芯轴滑块施加轴向拉力F₁使其沿轴向向下移动并沿所述径向滑块的内圆锥面挤压径向滑块使各径向滑块沿径向同步移动扩散，装在径向滑块外圆周面上的胀形块从锥形环轧件的内圆锥面沿径向以胀形力F₂挤压该环轧件，同时所述压块沿轴向以压力F₃同步挤压该环轧件，锥形环轧件发生内外径尺寸扩大、壁厚减薄和高度减小的塑性变形，达到预定尺寸并经保压后完成胀形；在胀形过程中，所述锥形环轧件的胀形温度为500℃～600℃，胀形速度为0.69mm/s～1.69mm/s，压下速度为0.29mm/s～1.29mm/s，保压时间为59s～99s；

移开压块，胀形机驱动芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上移动，并驱动径向滑块沿径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的锥形环轧件，启动胀形机的工作台上的导辊使其驱动锥形环轧件沿中心轴线旋转30°，使每个胀形块对准胀形时两个相邻胀形块之间的间隙对锥形环轧件的内圆锥面形成的凸出痕迹，再按上述胀形过程把所述凸出痕迹胀平即可，完成对锥形环轧件的校形；

校形结束后，移开压块，向上移动芯轴滑块，合拢径向滑块，取出经胀形后的锥形环轧件。

2.根据权利要求1所述的铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其特征在于：所述铜合金是HPb59-1。

3.根据权利要求1或2所述的铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其特征在于：所述胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力F₁按下式计算确定：

F₁＝ξ×σ_0.2×S

式中：

ξ——胀形机胀形系数，取1.26～1.52；

σ_0.2——胀形温度下合金材料的屈服强度，HPb59-1合金取70MPa～110MPa；

S——锥形环轧件的纵截面面积，单位：mm²。

4.根据权利要求1或2所述的铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其特征在于：所述锥形环轧件受到胀形块施加的径向胀形力F₂按下式计算确定：

F₂＝F₁·tanβ

式中：

F₁——胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力，单位：N；

β——锥形环轧件的半锥角，单位：°。

5.根据权利要求1或2所述的铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其特征在于：所述锥形环轧件受到压块施加的轴向压力F₃按下式计算确定：

F₃＝F₁×tanα×cotβ－G

式中：

F₁——胀形机对芯轴滑块1施加的轴向拉力，单位：N；

α——芯轴滑块的半锥角，单位：°；

β——锥形环轧件的半锥角，单位：°；

G——锥形环轧件的重力，单位：N。

6.根据权利要求1或2所述的铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其特征在于：所述锥形环轧件在热态下的胀形尺寸按下式计算确定：

式中：

r——锥形环轧件胀形后的热态内径尺寸，单位：mm；

r₀——锥形环轧件胀形前的热态内径尺寸，单位：mm；

R₀——锥形环轧件胀形前的热态外径尺寸，单位：mm；

F₂——锥形环轧件受到的径向胀形力，单位：N；

E——锥形环轧件所用材料的弹性模量，HPb59-1合金取91.2GPa；

μ——锥形环轧件所用材料的泊松比，HPb59-1合金取0.32。

7.根据权利要求1或2所述的铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其特征在于：所述锥形环轧件在高度方向被压块同步压下的压缩量按下式计算确定：

△h——锥形环轧件在高度方向被压块同步压下的压缩量，单位：mm；

H——锥形环轧件的高度尺寸，单位：mm；

△r——胀形过程中锥形环轧件的内径尺寸变化量，单位：mm。

8.根据权利要求1或2所述的铜合金锥形环轧件的热胀形方法，其特征在于：所述胀形的铜合金锥形环轧件，其内径尺寸范围为Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm，锥度为3°～60°。