CN110404994B - 大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法 - Google Patents

Abstract

一种大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法，包括以下步骤：(1)制作组合冲头，冲头数量由整体成形大型筒形件所需成形力与现有生产设备吨位确定，各冲头直径尺寸和底面圆角半径尺寸由筒形件筒底直径根据冲头个数进行确定；(2)将镦拔获得的圆柱状坯料放入反挤压凹模中，在可锻温度范围内利用组合冲头顺次挤压坯料，经多道次反挤成形后，完成大型筒形件整体成形。该方法通过组合冲头按照每道次挤压深度顺次挤压坯料，并经多道次累积成形，实现了因设备吨位不足而难以整体成形的大型筒形件的整体成形，显著减少了加工工时，同时更显著提高了大型带底筒形件的整体力学性能。

Description

大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法

技术领域

本发明涉及一种采用组合冲头多道次顺次反挤方式成形大型带底筒形件的工艺方法，属于锻造技术领域。

背景技术

随着电力、化工、运输等行业的飞速发展，对大型筒形件的需求量越来越大。对于带底的大型筒形件，因设备吨位限制，难以采用整体方式锻造成形出来。现有的制造方式为：筒体部分通常由钢锭镦拔开坯后镦粗至一定尺寸进行冲孔，然后经过马杠扩孔(或称为芯棒扩孔)锻造而成，之后与板型筒底采用焊接方法合为一体或装配成一体，其加工制造流程如图1所示。采用焊接或装配方式制造的大型带底筒形件，与整体成形相比，综合力学性能低且生产流程长、效率低。

发明内容

本发明针对现有的大型带底筒形件成形方式存在的在设备吨位限制条件下难以整体锻造成形的问题，提出一种成形载荷低、能够整体锻造成形的大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法，该方法采用一组不同直径的冲头多道次顺次反挤坯料整体成形方式。

本发明的大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法，包括以下步骤：

(1)设计制作组合冲头，根据生产设备吨位及筒形件整体挤压成形力的关系确定组合冲头中的冲头数量，并依据筒底尺寸及组合冲头中的冲头数量确定各个冲头的直径尺寸和冲头底面圆角半径大小；

(2)将钢锭镦拔成形为外径尺寸为筒形件外壁尺寸的圆柱形坯料，其高度尺寸根据筒形件需要的坯料体积进行计算；

(3)将镦拔成形的圆柱形坯料放置于圆筒形反挤凹模中，在可锻温度范围内，采用组合冲头中直径尺寸由小到大的各个冲头在圆筒形凹模中顺次反挤圆柱形坯料；

(4)实现一个道次的反挤成形(一个道次各冲头顺次挤压完成)后，进行下一道次的挤压成形，直至达到大型筒形件挤压深度的要求，在可锻温度范围内完成大型带底筒形件整体成形。

所述组合冲头中的冲头数量n根据生产设备吨位P与整体成形筒形件所需的成形载荷F按照F/P向上取整而确定，即[F/P]＝min{n∈Z|F/P≤n}。

所述组合冲头中的冲头直径由小到大依次为D₁、D₂、…、D_n，其中，

D_n＝D，D为筒形件筒底直径，n为冲头数量。

所述组合冲头中直径最大的冲头完成每一道次的最后成形，其底面圆角半径R_n等于筒形件筒底圆角半径R；组合冲头中其他冲头底面圆角半径依据其冲头直径选取，当冲头直径小于1000mm时，圆角半径取为50mm，当冲头直径大于1000mm时，冲头底面圆角半径大于50mm，可适当进一步加大。

每个道次的挤压深度ΔH_i依据最小直径冲头的底面圆角半径R₁选取，ΔH_i≤R₁/2，各道次具体挤压深度相同或依次减小(依据ΔH₁≥ΔH₂…≥ΔH_n对总的挤压深度进行分配)，各道次挤压深度之和为筒形件需要的总的挤压深度。

上述方法中，同一反挤道次中，组合冲头中的每个冲头挤压的深度一致，每个道次反挤的深度依据最小直径尺寸冲头的底面圆角半径尺寸而定。

本发明采用上述设计的组合冲头按照每道次挤压深度顺次挤压坯料，并经多道次累积成形实现因设备吨位不足而难以整体成形的大型带底筒形件的整体成形，既简化了扩孔成形筒体并焊接或装配筒底的大型带底筒形件传统制造方式的制造流程，显著减少了加工工时，同时更显著提高了大型带底筒形件的整体力学性能。

附图说明

图1是大型带底筒形件传统的制造方式。

图2是大型带底筒形件的形状尺寸示意图。

图3是本发明中组合冲头中各冲头直径尺寸和底面圆角半径尺寸设计图。

图4是本发明利用组合冲头顺次挤压成形筒形件的第一道次示意图。

图5是本发明利用组合冲头顺次挤压成形筒形件的第二道次示意图。

图6是本发明利用组合冲头顺次挤压成形筒形件的第三道次示意图。

图7是整体挤压成形筒形件过程模拟结果及成形载荷图。

图8是本发明中第1道次小冲头挤压成形模拟结果示意图。

图9是本发明中第1道次大冲头挤压成形模拟结果示意图。

图10是本发明中第2道次小冲头挤压成形模拟结果示意图。

图11是本发明中第2道次大冲头挤压成形模拟结果示意图。

图12是本发明中第3道次小冲头挤压成形模拟结果示意图。

图13是本发明中第3道次大冲头挤压成形模拟结果示意图。

图14是本发明组合冲头顺次挤压过程各道次大小冲头挤压成形载荷模拟结果。

具体实施方式

本发明是针对大型带底筒形件因设备吨位限制无法整体锻造成形问题，提出的一种采用组合冲头(一组多个直径大小不同的冲头)在凹模套中多道次顺次反挤成形工艺方法进行大型筒形件整体成形，能够显著降低成形载荷，在有限设备吨位生产条件下实现大型带底筒形件的整体成形制造。

本发明实现大型带底筒形件整体成形的具体工艺过程如下：

钢锭出炉镦拔开坯去除夹钳口端，经过再次镦粗及拔长在满足锻比要求后成形为外径接近筒形件外径尺寸的圆柱状毛坯；将圆柱状毛坯放入到本发明给出的组合冲头顺次反挤压圆筒形凹模中，在可锻温度范围内采用直径由小到大的一组冲头(组合冲头)依次对坯料进行每一道次的挤压成形，同一反挤道次中，每个冲头挤压的深度一致；一道次挤压完成后，再次采用组合冲头依次对坯料进行下一道次的挤压成形，如此反复，直至成形到筒形件需求的深度，完成大型带底筒形件的整体成形。

下面以图2所示的大型带底筒形件(材料为45号钢，筒底直径D＝800mm，筒深H＝200mm，筒底厚度100mm，筒底圆角半径R＝20mm，壁厚S＝100mm)为例，对采用组合冲头顺次挤压多道次整体成形的工艺过程及所需载荷进行模拟分析。按照图2筒形件的尺寸，圆柱形初始坯料的外径尺寸为1000mm，高度为170mm。在可锻温度范围内(始锻温度为1150℃，终锻温度为900℃)整体成形需要的吨位为15000吨左右，而生产设备最大吨位为10000吨。

(1)组合冲头中的冲头数量确定

冲头数量依据整体成形力F和现有生产设备吨位P按照[F/P]＝min{n∈Z|F/P≤n}而定，即F/P＝15000/10000＝1.5，向上取整为n＝2，也就是说，组合冲头的个数为2个。

(2)组合冲头中各冲头直径尺寸确定

根据本发明给出的组合冲头直径确定方法，2个冲头中，小冲头的直径：

取600mm；大冲头直径D₂＝D＝800mm。

按照本发明给出的组合冲头直径尺寸确定方法设计的大小冲头直径尺寸如图3所示，(a)为小冲头，(b)为大冲头。

(3)组合冲头中各冲头底面圆角半径确定

大冲头底面圆角半径与筒形件筒底圆角半径R＝20mm相同，即R₂＝20mm。根据本发明给出的其他冲头底面圆角半径的确定方法，小冲头直径600mm，小于1000mm，因此小冲头底面圆角半径R₁＝50mm。上述大小冲头底面圆角半径尺寸设计结果如图3所示，(a)为小冲头，(b)为大冲头。

(4)各道次挤压深度

根据本发明给出的道次挤压深度ΔH_i依据最小直径冲头的底面圆角半径尺寸R₁选取，ΔH_i≤R₁，且各道次具体挤压深度依据相同或依次减小，即ΔH₁≥ΔH₂…≥ΔH_n，对总的挤压深度进行分配。总的挤压深度为初始坯料高度减去筒底厚度，即170mm-100mm＝70mm，每道次挤压深度不超过小冲头底面圆角半径R50的一半，即25mm，因此，需要3道次挤压，各道次挤压深度分配为25mm、25mm、20mm。

根据本发明大型带底筒形件组合冲头多道次顺次挤压成形工艺方法，对图2所示的筒形件进行3道次2冲头顺次挤压整体成形，如图4-图6所示。

(5)成形温度范围

本发明中组合冲头多道次顺次挤压整体成形大型带底筒形件的锻造温度范围与传统大锻件的热锻锻造温度区间一致，即1150℃～900℃。本实例模拟过程中锻造温度取为1050℃。

(6)大型带底筒形件组合冲头多道次顺次挤压成形过程模拟

对于图2所示的大型筒形件的具体尺寸、坯料尺寸及其材料类别、挤压成形温度、组合冲头尺寸及各道次挤压深度进行建模与模拟，模拟结果如下：

该筒形件整体挤压成形过程及其成形载荷曲线如图7所示。整体挤压力为1.48万吨，高于现有1万吨设备的成形能力，无法直接整体成形。

图8为采用设计的大小组合冲头3道次顺次挤压成形过程中第1道次小冲头挤压成形模拟结果。

图9为采用设计的大小组合冲头3道次顺次挤压成形过程中第1道次大冲头挤压成形模拟结果。

图10为采用设计的大小组合冲头3道次顺次挤压成形过程中第2道次小冲头挤压成形模拟结果。

图11为采用设计的大小组合冲头3道次顺次挤压成形过程中第2道次大冲头挤压成形模拟结果。

图12为采用设计的大小组合冲头3道次顺次挤压成形过程中第3道次小冲头挤压成形模拟结果。

图13为采用设计的大小组合冲头3道次顺次挤压成形过程中第3道次大冲头挤压成形模拟结果。

图14为本发明组合冲头顺次挤压成形各道次大小冲头挤压成形载荷模拟结果。第1道次小冲头挤压成形力为6340吨，第1道次大冲头挤压成形力为7950吨；第2道次小冲头挤压成形力为6990吨，第2道次大冲头挤压成形力为7990吨；第3道次小冲头挤压成形力为7260吨，第3道次大冲头挤压成形力为8400吨。

通过上述模拟可见，对于该大型带底筒形件，如果进行整体挤压成形，需要1.48万吨的成形力，现有的1万吨设备无法满足要求；而采用本发明给出的工艺方法，利用大小组合冲头进行3道次顺次挤压成形，大小冲头各道次中的成形力范围为6340～8400吨之间，均在设备成形载荷能力范围之内，能够顺利进行该大型带底筒形件的整体挤压成形。

Claims (4)

1.一种大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)设计制作组合冲头，根据生产设备吨位及筒形件整体挤压成形力的关系确定组合冲头中的冲头数量，并依据筒底尺寸及组合冲头中的冲头数量确定各个冲头的直径尺寸和冲头底面圆角半径大小；

(2)将钢锭镦拔成形为外径尺寸为筒形件外壁尺寸的圆柱形坯料；

(3)将镦拔成形的圆柱形坯料放置于圆筒形反挤凹模中，在可锻温度范围内，采用组合冲头中直径尺寸由小到大的各个冲头在圆筒形凹模中顺次反挤圆柱形坯料；

(4)实现一个道次的反挤成形，进行下一道次的挤压成形，直至达到大型筒形件挤压深度的要求，在可锻温度范围内完成大型筒形件整体成形；

所述组合冲头中的冲头数量n根据生产设备吨位P与整体成形筒形件所需的成形载荷F按照F/P向上取整而确定，即[F/P]＝min{n∈Z|F/P≤n}；

所述组合冲头中的冲头直径由小到大依次为D₁、D₂、…、D_n，其中，

D_n＝D，D为筒形件筒底直径，n为冲头数量。

2.根据权利要求1所述的大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法，其特征是，所述组合冲头中直径最大的冲头完成每一道次的最后成形，其底面圆角半径R_n等于筒形件筒底圆角半径R；组合冲头中其他冲头底面圆角半径依据其冲头直径选取，当冲头直径小于1000mm时，圆角半径取为50mm，当冲头直径大于1000mm时，冲头底面圆角半径大于50mm。

3.根据权利要求1所述的大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法，其特征是，每个道次的挤压深度ΔH_i依据最小直径冲头的底面圆角半径R₁选取，ΔH_i≤R₁/2，各道次具体挤压深度相同或依次减小，各道次挤压深度之和为筒形件需要的总的挤压深度。

4.根据权利要求1所述的大型带底筒形件组合冲头多道次顺次反挤成形方法，其特征是，同一反挤道次中，每个冲头挤压的深度一致。

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