CN109822026A - 一种异形坯料的制造方法及所用模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异形坯料的制造方法及所用模具，该方法对异形坯料的外形尺寸进行设计，采用有限元模拟的方法将坯料的外形设计成沙漏形；按照设计的异形坯料的外形尺寸进行模具加工；采用胎模锻工艺进行异形坯料的制造。本发明采用反向计算的方法设计坯料外形尺寸，可有效避免后续锻造过程中可能产生的失稳、折叠等缺陷，而且胎模锻工艺可以实现精确成形，减少加工余量20％，并有效降低异形坯料在锻造过程中开裂的风险。

Description

一种异形坯料的制造方法及所用模具

技术领域

本发明涉及金属材料的制造技术，具体涉及一种异形坯料的制造方法及所用模具。

背景技术

在制备大型金属材料或复合金属材料时，现有方法提出以铸坯、锻坯、轧坯为基元，通过表面加工和清洁后，将多个基元封装在一起，并使界面内部保持高真空状态，然后施加以镦粗变形、锻间保温、多向锻造为特点的锻焊工艺，最终制备大型金属器件。在这些方法中，预制坯的形状为长方体形状或圆柱体形状，在构筑过程中，长方体形状或圆柱体形状的坯料在最大鼓肚位置(坯料侧面中心位置)焊缝容易开裂。这是因为最大鼓肚位置(坯料侧面中心位置)的应力会随变形量的增加，压应力不断减小，最终变为0，如果继续变形该位置的应力将转化为拉应力。表面的应力状态是受鼓肚程度控制的。鼓肚越严重，表面拉应力越大。表面拉应力大于焊缝强度时，就会造成焊缝开裂。

异形构筑坯具有其自身优势，中国专利申请201710837992.7公开了一种异形金属构筑成形方法，通过将预制坯制成沙漏形模块，然后对沙漏形模块加热后实施沿高度方向的镦粗变形和锻间保温，将预制坯锻焊成毛坯，最后可将毛坯加工成部件或零件。沙漏形的构筑坯料可以使镦粗过程的变形集中于界面位置，且避免了表面拉应力的产生，使坯料均匀地受到较大压应力，明显改善坯料表面的拉应力状态。可见，异形构筑坯具有界面位置面积小，变形集中，所需压力较小，对设备要求低的特点，在较小的压力下，即可实现构筑坯料的界面结合。但由于异形构筑坯的外形是一种异形结构，与传统坯料外形差异很大，如果坯料外形设计不当会导致局部应力集中，锻造过程中产生失稳、折叠等问题，或在锻造中出现裂纹。而且，异形坯料通过传统方法在油压机上自由锻造时，无法直接锻造成型，后续需进行大量机械加工。

发明内容

本发明的目的是针对异形构筑坯料的特点，提供一种异形坯料的制造方法及所用模具，从而实现异形坯料的精确成形，减少加工余量，并且可以避免锻造过程中可能产生的失稳、折叠、开裂等问题。

本发明的技术方案如下：一种异形坯料的制造方法，包括：

(1)对异形坯料的外形尺寸进行设计，采用有限元模拟的方法将坯料的外形设计成沙漏形；

(2)按照设计的异形坯料的外形尺寸进行模具加工；

(3)采用胎模锻工艺进行异形坯料的制造。

进一步，如上所述的异形坯料的制造方法，步骤(1)中采用有限元模拟的方法进行沙漏形坯料外形设计的步骤如下：

(1-1)从初始状态开始，计算坯料的下压过程，把坯料压至一定变形量，然后切除坯料侧面由于下压产生的鼓肚；

(1-2)沿一个切面的纵向中心线取若干参考点，进行反向计算，求得切面所取各参考点在初始状态时对应的位置，以这些参考点的初始位置作为坯料外形的设计依据；

(1-3)对依据参考点的初始位置设计好的坯料外形进行建模计算，验证在与步骤(1-1)相同压下量时的鼓肚情况；

(1-4)根据初次建模计算的鼓肚情况，对坯料外形设计尺寸进行修正，使坯料外形在变形至相同压下量时，不会产生明显鼓肚现象，从而确定坯料最终的外形尺寸。

进一步，如上所述的异形坯料的制造方法，步骤(1-1)所述坯料的初始状态时为方形坯料或圆柱形坯料或其它空间对称形状的坯料，在步骤(1-2)中进行坯料外形设计时，以所述参考点的初始位置为基准，将坯料的侧面进行对称设计，形成沙漏形坯料。

进一步，如上所述的异形坯料的制造方法，步骤(2)中，将步骤(1)中设计的沙漏形坯料的外形分成上下两部分，进行模具加工。

进一步，如上所述的异形坯料的制造方法，步骤(3)中，先将构筑坯料锻造成圆柱形棒料或直接使用连铸圆棒，再进行胎模锻。

上述异形坯料的制造方法中所用的模具，是根据有限元模拟的方法进行沙漏形坯料的外形设计后，将沙漏形坯料的外形分成对称的上下两部分，再根据其中一部分的外形尺寸加工而成，所述模具由上段、中段、下段组成，上段包括一个圆柱形腔体以及位于圆柱形腔体下方的圆弧面腔体，中段为与上段腔体平滑过渡的圆弧面腔体，从上段的圆弧面腔体上端至中段的圆弧面腔体下端，腔体的直径逐渐减小，下段为与中段腔体平滑过渡的圆柱形腔体。

进一步，如上所述的模具，其中，下段圆柱形腔体具有1°～3°的倾斜角度，以便于坯料的脱模。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的异形坯料的制造方法，先采用有限元模拟的方法将坯料的外形设计成沙漏形，然后根据设计的坯料外形尺寸加工模具，采用胎模锻工艺进行异形坯料的制造。该反向计算的设计方法可有效避免后续锻造过程中可能产生的失稳、折叠等缺陷，而且胎模锻工艺可以实现精确成形，减少加工余量20％，并有效降低异形坯料在锻造过程中开裂的风险。

附图说明

图1为本发明的异形坯料制造方法的原理示意图；

图2为本发明的异形坯料制造方法中坯料外形的设计流程图；

图3为本发明的异形坯料制造方法中设计的沙漏形不锈钢坯料外形立体图；

图4为本发明的异形坯料制造方法中所用模具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供了一种采用胎模锻工艺进行异形坯料制造的方法，包括：

(1)对异形坯料的外形进行详细尺寸设计；

(2)按上述设计的尺寸进行模具加工；

(3)将构筑坯料首先锻造成圆柱形棒料或直接使用连铸圆棒，再进行胎模锻。

上述制造方法中异形构筑坯料的外形设计是采用有限元模拟的方法，设计的坯料外形为沙漏形，具体设计方法如图2所示，包括如下步骤：

(1-1)从初始状态开始，计算方形坯料的下压过程，把坯料压至一定变形量，然后切除坯料侧面由于下压产生的鼓肚，具体实施例中坯料的所述变形量为20％-35％；坯料的初始状态时为方形坯料或圆柱形坯料或其它空间对称形状的坯料，如六棱柱形、八棱柱形等；

(1-2)沿切面的纵向中心线取若干参考点，根据等体积原则，进行反向计算，求得切面所取各参考点在初始状态时对应的位置，以这些参考点的初始位置作为坯料外形的设计依据；具体来说，就是以所述参考点的初始位置为基准，将坯料的各个侧面或者外圆周面进行对称设计，形成沙漏形坯料；

(1-3)对依据参考点的初始位置设计好的坯料外形进行建模计算，验证在与步骤(1-1)相同压下量时的鼓肚情况；因沙漏形坯料在变形过程中应力应变分布与初始形状的坯料不同，以切面点为参考的坯料外形在变形至相同压下量时，会有轻微鼓肚出现；

(1-4)根据初次建模计算的鼓肚情况，对坯料外形设计尺寸进行修正，对坯料中间位置做平滑过渡处理，使坯料外形在变形至相同压下量时，不会产生明显鼓肚现象，从而确定坯料最终的外形尺寸。

由此设计成的沙漏形坯料的外形如图3所示。具体的设计实例可以参考申请人同期申请的专利“一种异形构筑坯料的设计方法”。

根据反变形法设计的模具结构如图4所示，该模具是根据有限元模拟的方法进行沙漏形坯料的外形设计后，将沙漏形坯料的外形分成上下两部分，再根据其中一部分的外形尺寸加工而成。所述模具由上段a、中段b、下段c组成，上段a包括一个圆柱形腔体以及位于圆柱形腔体下方的圆弧面腔体，中段b为与上段腔体平滑过渡的圆弧面腔体，从上段的圆弧面腔体上端至中段的圆弧面腔体下端，腔体的直径逐渐减小，下段c为与中段腔体平滑过渡的圆柱形腔体。为方便制造过程中的脱模，下段圆柱形腔体可设计成具有1°～3°的倾斜角度。

本实施例以制造40吨不锈钢异形坯料为例，具体的胎模锻工艺包括如下步骤：

第一步，将宽度为1500mm，长度为1500mm，高度为2800mm的构筑坯料加热至1240±20℃。将加热后的构筑坯料放在压机操作台上，使高度方向沿竖直方向。

第二步，使用上平砧对构筑坯料进行镦粗(避免错砧)，快速沿竖直方向镦粗至1300mm。保压30分钟后，回炉。加热至1240±20℃，保温24小时。出炉后倒棱、倒角，修正外形至Φ21O0mm。

第三步，将坯料移到风场冷却。粗车单边加工量为30mm。

第四步，将坯料重新加热至1240±20℃。交替镦粗直径两个方向到1250mm。滚圆、镦粗、整型至Φ1550mm，平整两端。

第五步，根据上述反向变形法采用有限元模拟设计模具的尺寸，制成相应的模具。

第六步，将Φ1550mm的圆柱形棒料入模锻造，镦粗，平整。锻造结束后，冷却至室温，按照要求机加工上、下表面成重量为40吨的不锈钢异形坯料。此时制成的异形坯料为锥台形结构，将两个制造好的锥台形结构坯料的小面叠放在一起，进行真空电子束焊接，便可形成沙漏形结构的坯料。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种异形坯料的制造方法，包括：

(1)对异形坯料的外形尺寸进行设计，采用有限元模拟的方法将坯料的外形设计成沙漏形；

(2)按照设计的异形坯料的外形尺寸进行模具加工；

(3)采用胎模锻工艺进行异形坯料的制造。

2.如权利要求1所述的异形坯料的制造方法，其特征在于：步骤(1)中采用有限元模拟的方法进行沙漏形坯料外形设计的步骤如下：

(1-1)从初始状态开始，计算坯料的下压过程，把坯料压至一定变形量，然后切除坯料侧面由于下压产生的鼓肚；

(1-2)沿一个切面的纵向中心线取若干参考点，进行反向计算，求得切面所取各参考点在初始状态时对应的位置，以这些参考点的初始位置作为坯料外形的设计依据；

(1-3)对依据参考点的初始位置设计好的坯料外形进行建模计算，验证在与步骤(1-1)相同压下量时的鼓肚情况；

(1-4)根据初次建模计算的鼓肚情况，对坯料外形设计尺寸进行修正，使坯料外形在变形至相同压下量时，不会产生明显鼓肚现象，从而确定坯料最终的外形尺寸。

3.如权利要求2所述的异形坯料的制造方法，其特征在于：步骤(1-1)所述坯料的初始状态时为方形坯料或圆柱形坯料或其它空间对称形状的坯料，在步骤(1-2)中进行坯料外形设计时，以所述参考点的初始位置为基准，将坯料的侧面进行对称设计，形成沙漏形坯料。

4.如权利要求1所述的异形坯料的制造方法，其特征在于：步骤(2)中，将步骤(1)中设计的沙漏形坯料的外形分成对称的上下两部分，进行模具加工。

5.如权利要求1所述的异形坯料的制造方法，其特征在于：步骤(3)中，先将构筑坯料锻造成圆柱形棒料或直接使用连铸圆棒，再进行胎模锻。

6.一种权利要求1-5中任意一项所述异形坯料的制造方法所用模具，其特征在于：该模具是根据有限元模拟的方法进行沙漏形坯料的外形设计后，将沙漏形坯料的外形分成对称的上下两部分，再根据其中一部分的外形尺寸加工而成，所述模具由上段、中段、下段组成，上段包括一个圆柱形腔体以及位于圆柱形腔体下方的圆弧面腔体，中段为与上段腔体平滑过渡的圆弧面腔体，从上段的圆弧面腔体上端至中段的圆弧面腔体下端，腔体的直径逐渐减小，下段为与中段腔体平滑过渡的圆柱形腔体。

7.如权利要求6所述的模具，其特征在于：下段圆柱形腔体具有1°～3°的倾斜角度，以便于坯料的脱模。