CN109332410A - 一种大长径比空心薄壁轴挤压制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大长径比空心薄壁轴挤压制备装置及方法，属于材料加工制造技术领域，它涉及到制造大长径比空心薄壁轴，不仅可以制备空心通孔轴坯，同时也可以用于制备空心深盲孔轴，将极大满足国内外对于大长径比空心薄壁轴的需求。空心薄壁轴为长度与直径比不小于10、壁厚不大于20mm的空心薄壁轴坯，挤压制备装置包括挤压杆、上垫板、上模座、左半凹模、右半凹模、导柱、挤压模芯、挤压缸、左液压缸、右液压缸、挤压内筒。此装置不仅适合空心薄壁轴挤压成形，也适用于强度低、硬度小的铝合金类金属材料大长径比空心薄壁轴挤压成形；本发明装置可通过调节挤压杆与挤压模芯出口直径达大小，控制其间隙，可得到不同需要的大长径比空心薄壁挤压件。

Description

一种大长径比空心薄壁轴挤压制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种大长径比空心薄壁轴挤压制备装置及方法，属于材料加工制造技术领域，它涉及到制造大长径比空心薄壁轴，不仅可以制备空心通孔轴坯，同时也可以用于制备空心深盲孔轴，将极大满足国内外对于大长径比空心薄壁轴的需求。

背景技术

随着工业技术以及武器装备需求的发展，对于零件的技术要求日益提高。尤其是在高温高强的环境下对空心薄壁轴坯的要求更加苛刻，此类环境下空心轴类零件均是采用高温合金或者超高强度钢，此类材料以其高温强度以及持久蠕变性能优异占据着国内外发动机材料市场，但是也正是由于此类合金高温抗变形能力以及一体化设计限制了挤压技术在空心轴坯制备上的发展；同时要获得良好的使用性能，又要求零件的成形应没有或者少去余量，以免造成制造流线的缺失。而目前对于空心轴坯的制备，主要有机械加工，包括钻、扩、铰、镗、磨等，以及冷成形，包括楔横轧、径向锻造、冷挤压等方法；而对于大长径比空心薄壁轴的制备，目前没有一种高效的工艺技术，仍是使用大直径棒料利用传统机械加工制备而成。大直径棒材成形后，由于变形量的不均匀，局部变形不充分，晶粒很难实现均匀化，而采用多次多方向锻造又会增加制造成本；另外，采用棒材通过机械加工制备的空心轴坯，通过加工过程去除了变形流线，导致零件的使用性能大幅下降；更重要的是超过一定长度后，由于加工工具的自身强度限制，加工过程中易发生挠曲，无法保证加工的精度。因此，探索一种新型的大长径比空心薄壁轴坯制备技术迫在眉睫。

目前，空心挤压在型材制备以及零件成形方面，已有一些应用。专利公开号为CN105057529A的《变截面空心轴锻件挤压成型方法》以及专利公开号为CN106862471A《一种空心挤压C250合金钢长轴类锻件的成型方法》中均介绍了空心轴坯的制备方法，并且得到了组织均匀性好、锻件性能稳定的空心长轴，而且极大程度地降低了锻件原材料的使用率，但是对于大长径比的薄壁管成形，运用此种方法成形，第一需要制造高度极大的下凹模，第二运用下顶杆顶出空心轴坯的过程中，很容易发生轴坯的变形；专利公开号为CN105921671A《一种阶梯空心轴类件的反挤压成形方法及模具》中介绍了一种反挤压制备变截面空心长轴的方法，但是此种制造方法成形的长轴的高度有限，当高度达到一定长度时，挤压杆就会很难出模，甚至因为强度不够被拉断。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提出一种新型的大长径比空心薄壁轴挤压装置及方法。该方法可以得到大长径比薄壁空心轴，满足越来越苛刻的材料使用环境；同时，通过该方法，可以实现原材料利用率提高，极大地缩短生产周期，生产成本降低。

本发明的技术解决方法方案：空心薄壁轴为长度与直径比不小于10、壁厚不大于20mm的空心薄壁轴坯，挤压制备装置包括挤压杆、上垫板、上模座、左半凹模、右半凹模、导柱、挤压模芯、挤压缸、左液压缸、右液压缸、挤压内筒；挤压杆通过联接螺栓与上垫板连接后，安装在挤压机上模座上；左半凹模与右半凹模拼接组装成凹模，挤压模芯置于左半凹模与右半凹模拼接组装成凹模中，导柱置于挤压缸和上垫板之间，左液压缸和右液压缸分别置于左半凹模与右半凹模两侧，挤压缸套在挤压内筒外。

使用大长径比空心薄壁轴挤压制备装置的方法，其操作步骤是，

第一步，将挤压杆通过联接螺栓与上垫板组装好后，安装在挤压机上模座上；

第二步，将左半凹模与右半凹模拼接组装成凹模后，启动左液压缸和右液压缸，使左半凹模与右半凹模相互之间不能移动；

第三步，将挤压模芯放入凹模中；

第四步，将挤压缸和挤压内筒挤压内筒组装成挤压筒后，加热至200℃～300℃，置于凹模上，挤压机上垫板沿着导柱下行至挤压缸上并使挤压杆与挤压模芯同轴，挤压缸与凹模通过紧固螺栓连接固定；

第五步，在挤压坯料表面喷涂抗氧化剂以及润滑剂；

第六步，在挤压内筒内表面喷涂石墨润滑剂；

第七步，将挤压坯料加热至450℃～1150℃，保湿时间3～10小时，转移至挤压凹模中，挤压杆下行对轴坯挤压，成形为大长径比空心薄壁轴；

第八步，挤压杆上行至挤压杆脱离挤压筒；

第九步，松开挤压缸与凹模的紧固螺栓，取出挤压筒；

第十步，将左半凹模与右半凹模两侧的液压缸脱离后，取出大长径比空心薄壁轴挤压件。

导柱根据不同的精度需要，导柱的数量不少于2根。

挤压缸与挤压内筒的配合为过盈配合，通过加热挤压缸，采用热装方式，与挤压内筒配合。

根据大长径比空心薄壁轴材料的不同，使用不同的润滑剂。

根据不同的大长径比空心薄壁轴材料选择不同的挤压坯料加热温度，然后挤压成形。

控制挤压杆的压下量和挤压坯料大小，实现带法兰边的薄壁空心轴挤压件成形。

通过本发明制备装置及方法制得的大长径比空心薄壁轴，具有以下优点：

1.无需机械加工或者少量机械加工，缩短制造周期，降低生产成本，极大地提高了材料的利用率；

2.机械加工去除量少，保证了锻件的流线不被切断，增加了零件的强度，特别是高温服役条件下的材料抗变形性能；

3.挤压变形量大，变形充分，晶粒细化、分布均匀；

4.相较于反挤压进行空心轴坯的制造，变形结束时，贴近挤压杆出模部位的坯料温度变化的少，收缩力小，挤压杆易于取出；

5.利用导柱的装置充分确保了挤压杆的对中定位，保证了空心轴坯壁厚的均匀性；

6.不需要使用顶出杆装置，增加了挤压装置垂直方向的运动空间，同时也减少了挤压凹模的冗余，节省了模具制造成本；

7.装置中挤压筒由挤压缸和挤压内筒过盈配合组成，不仅利用预紧应力保护了挤压内筒，防止横向压力过大导致的开裂，同时在挤压筒内壁发生损坏时，只需要更换挤压内筒即可，降低了制造成本；

8.运用分半凹模技术取代了挤压顶出装置，简化了大长径比空心薄壁挤压件脱模问题，又可有效避免因顶出大长径比空心薄壁轴的挠曲变形；

9.合理设计挤压坯料和挤压压下量，可以制造带有法兰边的空心轴；

10.只要挤压筒及挤压凹模设计允许，理论上可以得到不限长度的大长径比空心薄壁轴；

11.此装置不仅适合难变形材料的空心薄壁轴挤压成形，也适用于强度低、硬度小的铝合金类金属材料大长径比空心薄壁轴挤压成形；

12.本发明装置可通过调节挤压杆与挤压模芯出口直径达大小，控制其间隙，可得到不同需要的大长径比空心薄壁挤压件。

附图说明

图1是本发明的通孔挤压结构示意图。

图2是本发明的盲孔挤压结构示意图。

附图标记说明。

1-上模座；2-上垫板；3-挤压杆；4-导柱；5-挤压缸；6-左半凹模；7-左液压缸；8-右液压缸；9-右半凹模；10-挤压模芯；11-紧固螺栓；12-挤压内筒；13-联结螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

挤压制备装置包括挤压杆3、上垫板2、上模座1、左半凹模6、右半凹模9、导柱4、挤压模芯10、挤压缸5、左液压缸7、右液压缸8、挤压内筒12；挤压杆3通过联接螺栓13与上垫板2连接后，安装在挤压机上模座1上；左半凹模6与右半凹模9拼接组装成凹模，挤压模芯10置于左半凹模6与右半凹模9拼接组装成凹模中，导柱4置于挤压缸5和上垫板2之间，左液压缸7和右液压缸8分别置于左半凹模6与右半凹模9两侧，挤压缸5套在挤压内筒12外。

其操作步骤是，

(1)将挤压杆3通过联接螺栓13与上垫板2组装好后，安装在挤压机上模座1上；

(2)将左半凹模6与右半凹模9拼接组装成凹模后，启动左液压缸7和右液压缸8，使左半凹模6与右半凹模9相互之间不能移动；

(3)将挤压模芯10放入凹模中；

(4)将挤压缸5和挤压内筒挤压内筒12组装成挤压筒后，加热至200℃～300℃，置于凹模上，挤压机上垫板2沿着导柱4下行至挤压缸5上并使挤压杆3与挤压模芯10同轴，挤压缸5与凹模通过紧固螺栓11连接固定；

(5)在挤压坯料表面喷涂抗氧化剂以及润滑剂；

(6)在挤压内筒内表面喷涂石墨润滑剂；

(7)将挤压坯料加热至450℃～1150℃，保湿时间3～10小时，转移至挤压凹模中，挤压杆3下行对轴坯挤压，成形为大长径比空心薄壁轴；

(8)挤压杆3上行至挤压杆3脱离挤压筒；

(9)松开挤压缸5与凹模的紧固螺栓11，取出挤压筒；

(10)将左半凹模6与右半凹模9两侧的液压缸脱离后，取出大长径比空心薄壁轴挤压件。

特别地，当进行通孔空心轴坯挤压时，需要预先加工出一定大小的内孔径。

实施例1

挤压坯料为304不锈钢棒料，规格为Ф200mm*150mm，目标大长径比空心薄壁轴外径为100mm，内径为85mm，长度不小于1500mm。其实施方案如下：

(1)将直径为85mm的挤压杆、上垫板依次安装在挤压机上模座上；

(2)将左半凹模与右半凹模拼接组装成凹模后，启动左液压缸和右液压缸，；

(3)将挤压出口直径为100mm挤压模芯放入凹模中；

(4)将挤压筒加热至200℃～300℃，置于凹模上，挤压机上垫板下行，确保挤压杆对中定位完成后，拧紧紧固螺栓；

(5)在304不锈钢坯料表面喷涂高温润滑剂；

(6)在挤压内筒内表面喷涂石墨润滑剂；

(7)将304不锈钢坯料加热至1100℃，保温时间4小时，转移至挤压凹模中，进行挤压，压下量设置为130mm，达到压下量后即停止挤压；

(8)挤压杆上行至挤压杆脱离挤压筒；

(9)松开挤压缸与凹模的紧固螺栓，取出挤压筒；

(10)将左半凹模与右半凹模两侧的液压缸脱离后，取出带有法兰边的304不锈钢大长径比盲孔空心薄壁轴挤压件。

实施例2

挤压坯料为TC4钛合金棒料，规格为Ф150mm*200mm，中心预先线切割出直径为60mm的通孔，目标大长径比空心薄壁轴外径为80mm，内径为60mm，长度不小于1000mm。其实施方案如下：

(1)将直径为60mm的挤压杆、上垫板依次安装在挤压机上模座上；

(2)将左半凹模与右半凹模拼接组装成凹模后，启动左液压缸和右液压缸，；

(3)将挤压出口直径为80mm的挤压模芯放入凹模中；

(4)将挤压筒加热至200℃～300℃，置于凹模上，挤压机上垫板下行，确保挤压杆对中定位完成后，拧紧紧固螺栓；

(5)在TC4钛合金坯料表面喷涂玻璃润滑剂；

(6)在挤压内筒内表面喷涂石墨润滑剂；

(7)将TC4钛合金坯料加热至950℃，保温时间4小时，转移至挤压凹模中，进行挤压，压下量设置为180mm，达到压下量后即停止挤压；

(8)挤压杆上行至挤压杆脱离挤压筒；

(9)松开挤压缸与凹模的紧固螺栓，取出挤压筒；

(10)将左半凹模与右半凹模两侧的液压缸脱离后，取出带有法兰边的TC4钛合金大长径比通孔空心薄壁轴挤压件。

Claims (8)

1.一种大长径比空心薄壁轴挤压制备装置，其特征在于，空心薄壁轴为长度与最大直径比不小于10、壁厚不大于20mm的空心薄壁轴坯，挤压制备装置包括挤压杆(3)、上垫板(2)、上模座(1)、左半凹模(6)、右半凹模(9)、导柱(4)、挤压模芯(10)、挤压缸(5)、左液压缸(7)、右液压缸(8)、挤压内筒(12)；挤压杆(3)通过联接螺栓(13)与上垫板(2)连接后，安装在挤压机上模座(1)上；左半凹模(6)与右半凹模(9)拼接组装成凹模，挤压模芯(10)置于左半凹模(6)与右半凹模(9)拼接组装成凹模中，导柱(4)置于挤压缸(5和上垫板(2)之间，左液压缸(7)和右液压缸(8)分别置于左半凹模(6)与右半凹模(9)两侧，挤压缸(5)套在挤压内筒(12)外。

2.一种使用权利要求1所述大长径比空心薄壁轴挤压制备装置的方法，其操作步骤是，

第一步，将挤压杆(3)通过联接螺栓(13)与上垫板(2)组装好后，安装在挤压机上模座(1)上；

第二步，将左半凹模(6)与右半凹模(9)拼接组装成凹模后，启动左液压缸(7)和右液压缸(8)，使左半凹模(6)与右半凹模(9)相互之间不能移动；

第三步，将挤压模芯(10)放入凹模中；

第四步，将挤压缸(5)和挤压内筒挤压内筒(12)组装成挤压筒后，加热至200℃～300℃，置于凹模上，挤压机上垫板(2)沿着导柱(4)下行至挤压缸(5)上并使挤压杆(3)与挤压模芯(10)同轴，挤压缸(5)与凹模通过紧固螺栓(11)连接固定；

第五步，在挤压坯料表面喷涂抗氧化剂以及润滑剂；

第六步，在挤压内筒内表面喷涂石墨润滑剂；

第七步，将挤压坯料加热至450℃～1150℃，保温时间3～10小时，转移至挤压凹模中，挤压杆(3)下行对轴坯挤压，成形为大长径比空心薄壁轴；

第八步，挤压杆(3)上行至挤压杆(3)脱离挤压筒；

第九步，松开挤压缸(5)与凹模的紧固螺栓(11)，取出挤压筒；

第十步，将左半凹模(6)与右半凹模(9)两侧的液压缸脱离后，取出大长径比空心薄壁轴挤压件。

3.根据权利要求书1所述的一种大长径比空心薄壁轴挤压制备装置，其特征在于，导柱(4)根据不同的精度需要，导柱的数量不少于2根。

4.根据权利要求书2所述的大长径比空心薄壁轴挤压制备装置的方法，其特征在于，挤压缸(5)与挤压内筒(12)的配合为过盈配合，通过加热挤压缸(5)，采用热装方式，与挤压内筒配合。

5.根据权利要求书2所述的大长径比空心薄壁轴挤压制备装置的方法，其特征在于，根据大长径比空心薄壁轴材料的不同，使用不同的润滑剂。

6.根据权利要求书2所述的大长径比空心薄壁轴挤压制备装置的方法，其特征在于，根据不同的大长径比空心薄壁轴材料选择不同的挤压坯料加热温度，然后挤压成形。

7.根据权利要求书2所述的大长径比空心薄壁轴挤压制备装置的方法，其特征在于，控制挤压杆(3)的压下量和挤压坯料大小，实现带法兰边的薄壁空心轴挤压件成形。

8.根据权利要求书2所述的大长径比空心薄壁轴挤压制备装置的方法，其特征在于，大长径比空心薄壁轴的壁厚由挤压杆与挤压模芯直径的间隙决定。