CN109773099A - 基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及加工方法，属于金属热塑性成形领域。该方法利用工件的形状设计坯料，采用梯度感应加热线圈对坯料变形量不同的部位进行快速感应加热至不同的温度，进而实现坯料不同变形部位的温度不同，并保证坯料表面上温度的连续性，利用材料塑性变形抗力对温度的敏感性，有效降低难变形区的塑性变形抗力，这可以有效降低设备吨位，同时，不同变形量部位在温度和变形量的耦合作用下，可以保证整个锻件的微观组织的均匀性，并显著提高材料的力学性能。此外，还可以显著改善劳动环境，整体成形出尺寸精度高、微观组织均匀、综合性能优良的锻件，并实现自动化、标准化的生产。

Description

基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及加工方法

技术领域

本发明属于金属热塑性成形领域，更具体地，涉及一种基于梯度感应加热的锻造成形方法。

背景技术

大型构件作为航空航天、船舶、矿山、机械等领域的制造装备的关键构件，其性能的优劣直接关系到成套装备的技术水平、工作性能和运行可靠性。因此大型构件的发展受到各个国家的高度重视。由于整体锻造成形可以有效保证锻件的晶粒度要求以及流线的完整性，可以显著提高构件的服役性能，降低生产成本，其已成为大型构件成形制造的发展趋势。

而目前大型构件的整体锻造过程中，常采用等温锻造成形或者热锻成形方法。等温锻造成形要求模具与坯料加热到相同的温度，这要求模具材料具有很高的高温强度、冲击韧性和冷热疲劳性能等，对模具材料综合性能要求很高，并且模具寿命严重缩短，成本很高。此外，该方法需要对模具也进行高温加热，工序复杂，危险性很高，工作环境恶劣，生产条件过于苛刻。而热锻成形方法整体锻造大型复杂构件时，由于坯料的变形抗力很大，需要很大的成形力才能成形出符合要求的产品，相应的，对设备的吨位要求也很高。对于具有尖角、凸起、枝芽等局部塑性变形剧烈的区域，往往会产生材料在模具中充填不满等缺陷。对于锻件最终力学性能而言，不论是等温锻造还是热锻，坯料都是采用均匀加热，该过程中材料的微观组织相对均匀，但在变形时不同部位变形量不同，那么材料的再结晶程度必然不同，势必导致锻件的微观组织差异较大，这显然会导致锻件不同部位的力学性能存在较大差异，难以控制。

大型复杂构件由于具有尖角、凸起、枝芽等变形剧烈区域，这些部位在锻造过程中充填极为困难，为了有效降低剧烈变形区在变形过程中的塑性变形抗力，可以充分利用金属材料塑性变形抗力的温度敏感性，通过在剧烈变形区提升变形温度，进而有效减小其塑性变形抗力，增加该区域处材料的充填能力。对于剧烈变形区域而言，虽然高温会导致晶粒长大，但大变形又会显著细化晶粒；对于变形不剧烈的区域，由于坯料温度较低，也不会导致锻件的晶粒粗化。在温度和变形量的耦合作用下，可以得到更加均匀的微观组织，这将全面提升材料的力学性能，进而提升锻件的服役性能。因此，根据目标锻件形状，充分利用坯料在锻造过程中不同部位的变形量的差异，以及材料变形抗力对温度的敏感性，通过对温度的梯度控制，进而实现对材料流动及微观组织的控制，这对提升材料的综合力学性能、整体成形出满足生产需求的锻件具有至关重要的意义。

中国专利CN 103878284 B采用保温棉局部包覆坯料来实现温度的变化，以便使坯料在锻造时更好的局部流动，从而有效降低了坯料的局部塑性变形抗力，该方法为复杂构件的加工提供了一种很好的选择。但是该方法存在以下不足：坯料需要先在加热炉内预热、然后再包覆保温棉，最后再次放进加热炉加热，工艺流程繁琐；由于包套形状的限制，不能实现连续的变温，只能实现坯料局部化的恒温，只能实现坯料表面相邻部位的温度呈现出阶梯形状，这显然不能充分发挥温度对变形抗力的影响；电阻炉加热时热量主要是通过辐射方式进行传递，坯料各部位温度难以精确控制，工艺参数难以量化，工艺稳定性差；电阻炉的加热效率比较低，在长时间加热过程中很容易出现由于热传导而使坯料各部分温度均匀化，难以有效产生期望的温差。此外，电阻炉热量利用率很低、加热周期长，坯料氧化严重。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及加工方法，其目的在于，通过根据目标工件的形状确定坯料形状，并在材料热变形特性的基础上根据不同的变形量分区计算加热温度，根据计算结果分区设计感应线圈，从而针对不同温度及变形区域进行梯度感应加热，进而解决现有技术中无法对坯料不同部位进行温度差异化精确控制的问题，尤其适用于解决大型构件热锻成形时工艺繁琐、模具寿命短、对模具材料性能要求苛刻、对设备吨位要求较高、综合生产成本高、劳动环境恶劣、工艺参数难以量化、材料填充性不好、微观组织不均匀等问题。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，包括如下步骤：

步骤1：根据目标工件结构及尺寸确定初始坯料的形状，基于塑性变形体积不变理论计算出初始坯料的尺寸参数，据此加工出目标锻件的初始坯料；

步骤2：将步骤1所加工出的初始坯料的形状与目标锻件的形状进行对比，分析初始坯料不同位置在锻造过程的流动情况，根据初始坯料不同部位的变形程度及变形难度，将初始坯料进行分区，并结合材料的热变形行为，确定各区的变形温度；

步骤3：根据步骤2中坯料的分区情况及其形状、尺寸，初步设计配套的梯度感应加热线圈参数，在梯度感应加热线圈的过渡部分，采取渐变式设计；

步骤4：根据步骤1中初始坯料的形状尺寸、步骤2中初始坯料的分区及温度分布、步骤3中梯度感应加热线圈的参数，建立有限元模型，并进行模拟，如果模拟结果符合目标工件的设计要求，则认为当前设计的各个参数合理，否则返回步骤1～3，在已有各参数的基础上进行调整，重新进行参数设计及模拟判断；

步骤5：根据步骤4中所确定的梯度感应加热线圈参数，加工线圈，并将其置于成套的感应加热炉中，将初始坯料置于感应加热炉中进行加热，并利用辐射温度计对坯料各个部位的温度进行实时测温，直至各部位温度达到目标温度。

进一步地，步骤2中所述的分区通过变形量大小来判定；各区变形参数的确定包括参考具体锻件材料相应的热加工图确定最佳的应变速率、变形温度、变形量，以及参考相应材料的CCT曲线确定坯料的始锻温度与终锻温度。

进一步地，步骤3中所述的梯度感应加热线圈是从如下形式的线圈中择一选取或混合使用：

(1)梯度感应加热线圈为一个整体环形的等匝间距线圈，通过改变线圈断面方向尺寸实现温度的变化；

(2)梯度感应加热线圈为断面形状尺寸一致的线圈，通过调节线圈的匝间距来实现温度的变化，或者断面形状与匝间距均匀变化的复杂线圈；

(3)梯度感应加热线圈为组合式环形线圈，对坯料先设计一个整体的感应加热线圈，再在变形大的局部区域单独设计梯度感应加热线圈；或者根据坯料的不同位置形状分别单独设计小的感应加热线圈，进行组合式使用；

(4)梯度感应加热线圈为平面线圈，用于实现坯料局部的感应加热。

进一步地，用于锻件的初始坯料加热、预锻前的坯料加热和/或终锻前坯料的加热。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种基于梯度感应加热的热变形加工方法，包括如前所述的任意一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其中，步骤5中初始坯料加热至目标温度后，迅速转移至热变形工艺的工位进行热变形加工；所述热变形工艺为模锻工艺、自由锻工艺、热挤压工艺或热轧制工艺。

进一步地，所述热变形工艺为模锻工艺，步骤1中还需根据初始坯料的尺寸参数加工出配套的锻模；

步骤2中还根据材料在各分区的热变形行为确定配套锻模相应部位的温度；

步骤4中的设计要求为材料能够充满模具，且无明显的折皱、流线紊乱缺陷，晶粒尺寸均匀，坯料断面心部及表面最大温差小于100℃；

步骤5还包括根据步骤4确定的模具各部分的温度对锻模进行加热，加热至指定温度后保温一定时间，然后迅速将锻模转移至热锻压力机中；初始坯料加热至目标温度后迅速转移至热锻压力机上的锻模中进行模锻；或者初始坯料加热至目标温度后迅速转移至保温中的锻模中，然后随锻模一同迅速转移至热锻压力机中进行模锻。

进一步地，步骤5中，锻模的加热温度在100℃～500℃，对于初始坯料上变形量大的区域，锻模对应部位的温度相应高一些。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤6：锻造完毕后迅速对有余热的锻模进行回火处理，回火温度为150℃～350℃,保温4h～6h。

进一步地，步骤5中锻模采用加热炉进行加热或者采用梯度感应线圈进行加热；

对于感应加热线圈加热，感应加热线圈可以设计成环状，将锻模置于感应加热线圈中进行加热，使模具温度由外而内的传输、变化；或者，将感应加热线圈直接置于锻模型腔内，对模具型腔内部直接加热。

进一步地，对于锻模型腔局部复杂形状部位，单独设计随形线圈，对该部位进行有效加热。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用基于梯度感应加热的热锻成形方法，可以实现对锻件的控形设计。通过对坯料的不同变形区加热至不同的温度，充分利用温度对材料塑性变形抗力的影响，使材料能够更加充分的流动，可以增加材料的充填性能，保证锻件的尺寸精度，做到近净成形，保证锻造流线的完整性，增加锻件的综合力学性能，提升锻件的服役性能，；可以显著提高锻件的成形性能，有效降低材料的塑性变形抗力，进而降低设备吨位，延长模具寿命，为大型复杂构件的整体成形提供一种积极有效的方法，为满足国家大设备的制造提供有力支持。

2、本发明采用基于梯度感应加热的热锻成形方法，可以实现度锻件的控性设计。通过对材料的任意部位的温度进行控制，进而实现对材料整体流动行为的控制，通过对温度及变形量的综合控制实现对材料微观组织演变的有效控制，得到均匀细化的等轴晶，在细晶强化的作用下，同时提升材料的强度和韧性，使锻件能更好的在苛刻的环境中服役。避免了传统的等温加热中，由于需要使整个锻件温度均匀化而长时间保温，进而造成晶粒粗化的组织缺陷，避免了传统热锻时由于锻件局部流动剧烈而造成的材料折叠等成形缺陷。

3、本发明工艺柔性好。本发明采用梯度感应线圈对坯料、模具进行加热，由于线圈采用延展性很好黄铜制作，故感应线圈的形状可以制作成复杂的空间结构形状来满足实际的加工需求。感应加热线圈对坯料的加热可以实现坯料表面相邻部位的温度呈现出光滑曲线形状，并且曲线的形状可以根据需要进行调控，调控方式只需对线圈结构进行改动或加载的电参数进行调节即可。

4、本发明的加热效率高。采用梯度感应加热线圈加热的方法，可对各种断面形状、断面与长度尺寸比值不同的毛坯均匀加热。感应加热线圈加热速度快，可以大大缩短坯料的加热时间，提高加工效率，可以避免由于长时间加热而带来的晶粒粗大等问题。并且梯度感应加热的坯料几乎无氧化皮，可以显著的节约材料、提高模具寿命，改善劳动环境。

5、本发明针对性强。梯度感应加热线圈的设计根据坯料形状及变形程度牢牢结合产品特点，有针对性的进行设计加工，有效的提高了加热效率，大大提升了生产效率，节约资源，更加贴合绿色制造这一理念。

6、本发明工艺稳定性强。采用梯度感应加热线圈加热，由于感应加热工艺的稳定性，一旦得到合适的加热参数，便可制定相应的加热规范，有效避免了传统加热方式由于加热不稳定而造成的资源以及生产力的浪费。

7、本发明适应性广泛，成本相对较低。采用梯度感应加热线圈加热方法可对各种金属材料进行加热，对于不同的锻件，只需要单独设计一套加热线圈即可，感应加热所需的电容器组、配水系统、进出料机构等均为通用组件，只需购买一套即可。

8、本发明可控性强。并且利用辐射温度计，可实时测量坯料表面各处的温度，有效进行温度量化，当加热温度达到设定温度后，只需断开电源即可停止加热。此外，由于温度的实时量化，为加热规范的制定提供有力保障。

附图说明

图1是本发明实施例1的流程图；

图2是本发明实施例1的目标锻件形状示意图；

图3是本发明实施例1初始坯料及其分区示意图；

图4是本发明实施例1梯度感应加热主线圈结构示意图；

图5是本发明实施例1梯度感应加热副线圈结构示意图；

图6是本发明实施例1梯度感应加热主线圈加热坯料的示意图；

图7是本发明实施例1梯度感应加热副线圈加热坯料的示意图；

图8是本发明实施例2目标锻件形状三维示意图；

图9是本发明实施例2主梯度感应加热线圈结构示意图；

图10是本发明实施例2副线圈的结构示意图；

图11是本发明实施例2主副线圈布局示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及对应的热变形加工方法，充分利用工件的形状，采用梯度感应加热线圈对坯料变形量不同的部位进行快速感应加热至不同的温度，进而实现坯料不同变形部位的温度不同，并保证坯料表面上温度的连续性，利用材料塑性变形抗力对温度的敏感性，有效降低难变形区的塑性变形抗力，这可以有效降低设备吨位，同时，不同变形量部位在温度和变形量的耦合作用下，可以保证整个锻件的微观组织的均匀性，并显著提高材料的力学性能。此外，还可以显著改善劳动环境，整体成形出尺寸精度高、微观组织均匀、综合性能优良的工件，并实现自动化、标准化的生产。

以模锻工艺为例，本发明的加热方法及对应的热变形加工方法主要包括如下步骤：

步骤1：标锻件结构及尺寸确定初始坯料的形状，基于塑性变形体积不变理论计算出毛坯的尺寸参数，并从铸锭中下料，加工出锻件毛坯，设计并加工配套的锻模。

步骤2：将步骤1所加工出的初始毛坯形状与目标锻件形状进行对比，分析初始毛坯不同位置在锻造过程的流动情况，根据坯料不同部位的变形程度及变形难度，将坯料进行分区，可分为大变形区、小变形区、不变形区等，并结合材料的热变形行为，确定各区的变形温度以及相应部位模具的温度。

步骤3：根据步骤2中坯料的分区情况及其形状、尺寸，设计配套的梯度感应加热线圈，在梯度感应加热线圈的过渡部分，采取渐变式设计。

步骤4：根据步骤1确定的模具及坯料尺寸、步骤2中坯料的分区及坯料和模具上的温度分布、步骤3中梯度感应加热线圈参数的确定，建立有限元模型，并进行模拟，如果材料能够充满模具，且无明显的折皱、流线紊乱等缺陷，晶粒尺寸均匀，坯料断面心部及表面最大温差小于100℃，则认为设计的参数合理，否则返回步骤1，在已有各参数的基础上进行调整，重新进行参数设计。

步骤5：根据步骤4中所确定的坯料及模具各部分的温度，对热锻模具进行加热，加热至一定温度后保温一定时间，然后迅速将模具移至压力机中。

根据步骤4中所确定的梯度感应加热线圈参数，加工线圈，并将其置于成套的感应加热炉中，将初始坯料置于感应加热炉中进行加热，并利用辐射温度计对坯料各个部位的温度进行实时测温，待各部位温度达到目标温度后迅速将坯料置于步骤5中的热锻模中进行锻造成形。

步骤6：锻造完毕，对尚有余热的锻模进行回火处理。

作为进一步的优选，步骤1中所述的锻件材料为合金钢、钛合金、高温合金、镁合金等常温下塑性变形困难的金属，目标锻件为大型复杂构件。

作为进一步的优选，步骤1中所述的锻造模具，其材料可为热锻常用材料5CrMnMo以及新型热锻模材料CH95钢等，热锻模的型腔在布局设计时，将型腔形状复杂、有较大应力集中的部位顺着纤维方向布置，以提高热锻模的使用寿命。同时，对于自由锻等不需要模具的热成形过程，则无需设计模具。

作为进一步的优选，步骤2中所述的分区主要通过变形量来判定，如在尖角位置，属于大变形区；各区变形参数的确定需参考具体锻件材料的相应的热加工图确定最佳的应变速率、变形温度、变形量，参考相应材料的CCT曲线确定坯料的始锻温度与终锻温度。

作为进一步的优选，步骤2中所述材料的热变形行为通常可以通过坯料在不同温度、不同应变速率、不同变形量、不同受力方式下的热模拟实验时得到的流动曲线来分析，同时可以结合上述热模拟实验所得材料微观组织演化情况，确定合理的变形温度。

作为进一步的优选，步骤2中模具加热的温度与坯料的材料、模具结构以及变形程度有关。对于坯料变形大的区域，模具温度相应的要高一些，这样可以有效避免由于坯料与模具温差过大而带来的热量损耗。可以通过镶嵌模等方式实现模具局部温度的变化。模具的加热温度在100～500℃。

作为进一步的优选，步骤3中所述的梯度感应加热线圈可以设计成一个整体环形线圈，设计成等匝间距线圈，通过改变线圈断面方向尺寸实现温度的变化，也可以设计成断面形状尺寸一致的线圈，通过调节线圈的匝间距来实现温度的变化，也可以设计成断面形状与匝间距均匀变化的复杂线圈；可以设计成组合式环形线圈，对坯料先设计一个整体的感应加热线圈，再在变形大的局部区域单独设计梯度感应加热线圈，以便更好的对温度进行调节，也可以根据坯料的不同位置形状分别单独设计小的感应加热线圈，进行组合式使用，这样加热的灵活度更高；感应加热线圈还可以设计成平面线圈，通过平面线圈来实现坯料局部的感应加热。对于大型构件的加热而言，上述各种形式、各种组合的线圈可以单独使用，也可以混合使用，具体组合方式应通过相应的模拟结果进行来最终确定。感应加热线圈的形式可以是环形的线圈，也可以是平板线圈，也可以是其它复杂形状的线圈。感应线圈的匝数可以为单匝线圈，也可以是多匝线圈。感应加热线圈可以设计为梯度感应加热线圈，也可以是恒温感应加热线圈，具体情况依据坯料的变形程度确定相应的加热温度，最终确定线圈的形式。

作为进一步的优选，步骤4中所述有限元分析方法是一种优化工艺参数的方法。线圈的初步参数设计以及各部分温度的初步确定都是依赖于现有的知识以及经验，采用有限元分析可以得到最优组合。

作为进一步的优选，步骤4中所述的晶粒尺寸均匀，尺寸的均匀程度及尺寸大小与零件具体的服役环境相关，针对不同的零件有相应的标准。

作为进一步的优选，步骤5中锻模的加热可以采用加热炉进行加热，也可以采用梯度感应线圈进行加热。对于形状极度复杂的锻件，优先采用感应加热线圈对模具进行加热，感应线圈可以设计成环状，将模具置于感应加热线圈中进行加热，使模具温度由外而内的传输、变化；也可以将线圈直接置于模具型腔内，对模具型腔内部直接加热。对于型腔局部复杂部位，可以单独设计随形线圈，对该部位进行有效加热。由于感应加热线圈的加工柔性比较好，很容易加工出与目标形状一致的梯度感应加热线圈，这样可以更充分的温度对材料变形抗力的影响。对于形状不复杂的锻件，其模具可以采用加热炉进行均匀加热，这样可以节约生产成本。

作为进一步的优选，步骤7中热锻模回火温度为150℃～350℃,保温4h～6h，以便有效减小由于变形过程中的受力不均以及温差导致的应力集中，提高模具寿命。

需要强调的是，本发明的上述加热方法不局限于对初始坯料进行加热，适用于锻造过程的各个道次的加热，比如预锻前的坯料加热、终锻前坯料的加热等。

此外，上述方法也不局限于模锻工艺，对于其它热变形行为也同样适用，比如自由锻工艺、热挤压工艺、热轧制工艺等热变形工艺。

下面，结合两个具体的实施例及相应的附图对本发明的主要构思进行说明。

【实施例1】

本实施例以飞机前起落架外筒从初始坯料到锻件的锻造过程为例来说明本发明，锻件材料为300M钢，图1所示为基于梯度感应加热的热锻成形飞机前起落架外筒方法流程图。

1、飞机前起落架外筒锻件的形状如图2所示。根据塑性变形体积不变理论，考虑飞边尺寸，结合现有的坯料设计方法，设计加工如图3所示的初始坯料。并根据目标锻件形状及尺寸设计相应的模具，模具材料采用5CrMnMo。由于根据零件形状及尺寸设计初始坯料及模具的方法已经很成熟，在这里不过多赘述。

2、将图2中飞机前起落架外筒锻件与图3所示的初始坯料进行对比分析，确定坯料的分区，将坯料分为五部分，如图3所示。其中1区和4区为低温区，5区为中温区，2区和3区为高温区。结合300M钢的热加工图以及CCT曲线，确定坯料初锻温度在1090℃～1110℃，终锻温度在850℃以上。1区和4区，由于变形量很小，变形温度初定为900℃，以尽量避免晶粒长大；5区由于变形量稍大，变形温度初定为1050℃，以变在温度和应变的作用下尽可能细化晶粒；1区和4区由于具有枝芽结构，材料流动很剧烈，变形温度初定为1150℃，这样可以更充分的降低材料流动的塑性变形抗力，使材料的充填性更好。

3、根据步骤2中坯料分区及温度的确定，模具的温度定为300℃。梯度感应加热线圈采用变匝间距、变截面的组合式梯度感应加热线圈，梯度感应加热线圈结构示意图如图4和图5所示，其中图4所示为主感应加热线圈，对整个坯料进行加热，图5所示为副感应加热线圈，主要针对于3区进行加热，感应线圈加热坯料的示意图如图6和图7所示，图6为整个坯料感应加热示意图，图7为3区副感应线圈加热坯料示意图。主、副感应线圈是同时进行加热的，附图中为了更清晰的展示其细节特征，将主、副感应线圈分别展示。

4、根据步骤1确定的坯料参数及模具参数、步骤2中的分区以及各区的温度、步骤3梯度感应加热线圈的结构，利用ANSYS建立有限元模型，模拟电-磁-热耦合过程，并将最终的热参数导出到ABAQUS软件中，进行锻造工艺及微观组织演变分析，通过有限元验证，以便确定参数设计的合理性。如果模拟结果中，材料能够充满模具，且无明显的折皱、锻造流线紊乱的缺陷，晶粒尺寸均匀，晶粒度等级大于8级，晶粒度差在2级以内，平均晶粒尺寸在30～63μm之间，坯料断面心部及表面最大温差小于100℃，则认为设计的参数合理，否则返回步骤1，在已有参数的基础上进行调整，重新确定个参数。有限元模拟技术不是本发明的重点，在此不过多赘述。

5、将步骤1设计制造的模具置于加热炉进行加热至300℃，并迅速移至压力机上。将坯料置于设计好的感应加热线圈中进行加热，采用辐射温度计进行实时测温，当温度达到目标温度后，迅速将坯料移至预热好的模具中进行热锻成形，得到目标锻件。

6、成形完后，热锻件采用空冷处理。将热锻模单独在热处理炉中进行回火处理，回火温度为250℃,保温5h。

【实施例2】

本发明以十字交叉筋形锻件的成形为例来说明本发明，材料为A100高强钢。锻件目标形状如图6所示。

1、通过分析目标锻件，根据塑性变形体积不变理论，可以确定初始坯料形状及尺寸，并加工出相应的模具，模具材料采用55NiCrMoV7。坯料尺寸及形状的具体计算过程，以及模具相应的设计方法不是本发明的重点，在此不做过多赘述。

2、对比初使坯料及目标锻件可以发现，两条筋相交部分为大变形区，两条筋的其他部分为中变形区，其余部位为小变形区。则可将大变形区的温度定为1150℃，中变形区的温度定为1100℃，小变形区的温度定为1000℃。

3、根据坯料的分区情况及其形状，以及各区的温度确定，设计相应的感应加热线圈。梯度感应加热线圈设计为组合式，主线圈沿长度方向分布，在中间部位线圈匝间距变密，两端线圈匝间距稀疏，其结构示意图如图7所示。副线圈沿宽度方向分布，只在中间筋位置出现，为匀匝间距线圈，其结构示意图如图8所示。主副线圈布局示意图如图9所示。通过设计两个不同的线圈并将其组合，获得所需要的磁场，进而得到相应的温度场。

4、采用ANSYS有限元软件和deform软件进行电场、磁场、温度场以及应力场的耦合，以便进一步验证上述所确定的参数合理性。如果模拟结果中，材料能够充满模具，且无明显的折皱等缺陷，晶粒尺寸均匀，坯料断面心部及表面最大温差小于100℃，则认为设计的参数合理，否则返回步骤1重新进行参数设计。有限元模拟技术不是本发明的重点，在此不过多赘述。

5、用加热炉预热模具，用设计的梯度感应加热线圈加热坯料，模具温度达到300℃～350℃后迅速移至压力机上，并将达到设定温度的坯料置于模具中进行锻造，并得到目标锻件。

6、将成形完的热锻模进行回火处理，回火温度300℃,保温5h。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据目标工件结构及尺寸确定初始坯料的形状，基于塑性变形体积不变理论计算出初始坯料的尺寸参数，据此加工出目标锻件的初始坯料；

步骤2：将步骤1所加工出的初始坯料的形状与目标锻件的形状进行对比，分析初始坯料不同位置在锻造过程的流动情况，根据初始坯料不同部位的变形程度及变形难度，将初始坯料进行分区，并结合材料的热变形行为，确定各区的变形温度；

步骤3：根据步骤2中坯料的分区情况及其形状、尺寸，初步设计配套的梯度感应加热线圈参数，在梯度感应加热线圈的过渡部分，采取渐变式设计；

步骤4：根据步骤1中初始坯料的形状尺寸、步骤2中初始坯料的分区及温度分布、步骤3中梯度感应加热线圈的参数，建立有限元模型，并进行模拟，如果模拟结果符合目标工件的设计要求，则认为当前设计的各个参数合理，否则返回步骤1～3，在已有各参数的基础上进行调整，重新进行参数设计及模拟判断；

步骤5：根据步骤4中所确定的梯度感应加热线圈参数，加工线圈，并将其置于成套的感应加热炉中，将初始坯料置于感应加热炉中进行加热，并利用辐射温度计对坯料各个部位的温度进行实时测温，直至各部位温度达到目标温度。

2.如权利要求1所述的一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其特征在于，步骤2中所述的分区通过变形量大小来判定；各区变形参数的确定包括参考具体锻件材料相应的热加工图确定最佳的应变速率、变形温度、变形量，以及参考相应材料的CCT曲线确定坯料的始锻温度与终锻温度。

3.如权利要求1或2所述的一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其特征在于，步骤3中所述的梯度感应加热线圈是从如下形式的线圈中择一选取或混合使用：

(1)梯度感应加热线圈为一个整体环形的等匝间距线圈，通过改变线圈断面方向尺寸实现温度的变化；

(2)梯度感应加热线圈为断面形状尺寸一致的线圈，通过调节线圈的匝间距来实现温度的变化，或者断面形状与匝间距均匀变化的复杂线圈；

(3)梯度感应加热线圈为组合式环形线圈，对坯料先设计一个整体的感应加热线圈，再在变形大的局部区域单独设计梯度感应加热线圈；或者根据坯料的不同位置形状分别单独设计小的感应加热线圈，进行组合式使用；

(4)梯度感应加热线圈为平面线圈，用于实现坯料局部的感应加热。

4.如权利要求1～3任意一项所述的一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其特征在于，用于锻件的初始坯料加热、预锻前的坯料加热和/或终锻前坯料的加热。

5.一种基于梯度感应加热的热变形加工方法，其特征在于，包括权利要求1～4任意一项所述的一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其中，步骤5中初始坯料加热至目标温度后，迅速转移至热变形工艺的工位进行热变形加工；所述热变形工艺为模锻工艺、自由锻工艺、热挤压工艺或热轧制工艺。

6.如权利要求5所述的一种基于梯度感应加热的热变形加工方法，其特征在于，所述热变形工艺为模锻工艺，步骤1中还需根据初始坯料的尺寸参数加工出配套的锻模；

步骤2中还根据材料在各分区的热变形行为确定配套锻模相应部位的温度；

步骤4中的设计要求为材料能够充满模具，且无明显的折皱、流线紊乱缺陷，晶粒尺寸均匀，坯料断面心部及表面最大温差小于100℃；

步骤5还包括根据步骤4确定的模具各部分的温度对锻模进行加热，加热至指定温度后保温一定时间，然后迅速将锻模转移至热锻压力机中；初始坯料加热至目标温度后迅速转移至热锻压力机上的锻模中进行模锻；或者初始坯料加热至目标温度后迅速转移至保温中的锻模中，然后随锻模一同迅速转移至热锻压力机中进行模锻。

7.如权利要求6所述的一种基于梯度感应加热的热变形加工方法，其特征在于，步骤5中，锻模的加热温度在100℃～500℃，对于初始坯料上变形量大的区域，锻模对应部位的温度相应高一些。

8.如权利要求6或7所述的一种基于梯度感应加热的热变形加工方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤6：锻造完毕后迅速对有余热的锻模进行回火处理，回火温度为150℃～350℃,保温4h～6h。

9.如权利要求6或7所述的一种基于梯度感应加热的热变形加工方法，其特征在于，步骤5中锻模采用加热炉进行加热或者采用梯度感应线圈进行加热；

对于感应加热线圈加热，感应加热线圈可以设计成环状，将锻模置于感应加热线圈中进行加热，使模具温度由外而内的传输、变化；或者，将感应加热线圈直接置于锻模型腔内，对模具型腔内部直接加热。

10.如权利要求9所述的一种基于梯度感应加热的热变形加工方法，其特征在于，对于锻模型腔局部复杂形状部位，单独设计随形线圈，对该部位进行有效加热。