CN110640060B - 一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，包括如下步骤：下料：选取指定下料要求的棒状坯料；开坯：对坯料进行多次镦拔；制坯：对完成镦拔的坯料依次经镦粗冲孔、预轧扩孔、旋压轴向分料和锥形冲头胀弯工艺得到符合要求的异形环坯；精密轧制：对异形环坯精密轧制得到所设计的锻件形状。本发明的有益效果是：采用旋压工艺先对环坯的轴向金属体积作与锻件轴向金属体积相似的分配，再通过不同锥度的锥形冲头胀弯环坯，改善轧制过程中的稳定性，整个环坯成形过程中所需设备力能小，并且旋压过程中易于实现温度控制，减少了加工道次，既提高了生产效率又降低了能耗。

Description

一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法

技术领域

本发明涉及塑性加工技术领域，尤其涉及一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法。

背景技术

大型复杂盆形环件是航空发动机的重要零部件，其服役条件恶劣，高温力学性能要求高，而对于这类材料难变形、结构难成形环件，目前成形制造工艺难度大，存在诸多问题。

专利CN104384826A中公开了一种先预轧成形矩形环坯，再利用胎膜锻成形异形机匣的方法，这种方法能够成形直径较小的异形盆形环件(内径通常

)，但对于尺寸更大的盆形环件适用性较差。

专利CN108246937A中公开了一种先利用胎模锻成形异形环坯，再利用环轧工艺成形异形盆形环件，但该方法的异形盆形环件锻件余量较大，材料利用率仍很低，且制坯时所需成形力大。

上述两种成形工艺都使用了胎膜锻工艺，该工艺对坯料金属作轴向体积分配时成形力很大，特别是合模时，成形力会突然陡增，甚至过万吨，这对设备力能提出了较高要求；此外，胎模锻中坯料与模具接触面积大，坯料温度下降快，而大型复杂盆形环件的材料多为特种材料，低温变形抗力大，锻造温度范围普遍较窄，不利于锻造成形。因此，亟需开发一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，包括如下步骤：

S100、下料：选取指定下料要求的棒状坯料；

S200、开坯：对坯料进行多次镦拔；

S300、制坯：对完成镦拔的坯料依次经镦粗冲孔、预轧扩孔、旋压轴向分料和锥形冲头胀弯工艺得到符合要求的异形环坯；

S400、精密轧制：对异形环坯精密轧制得到所设计的锻件形状。

进一步，所述S100具体如下：

S110、计算下料坯料重量：m_坯料＝ρ(V_锻件+V_连皮)(1+ψ)，其中，ρ为材料密度，V_锻件为锻件体积，V_连皮为冲孔时连皮计算体积，ψ为材料烧损率，ψ等于3％～6％；

S120、计算下料坯料长度：L＝(V_锻件+V_连皮)(1+ψ)/S_棒料，S_棒料为坯料轴向截面积。

进一步，所述S200具体如下：

S210、坯料加热至始锻温度，保温一段时间；

S220、以0.1mm/s～1.5mm/s的变形速度对坯料进行反复镦拔，镦粗和拔长每火次变形量控制在40％～80％，变形量逐火次减小，每道次变形量大于等于25％。

进一步，所述S300中镦粗冲孔具体如下：

S310a、将开坯后的坯料加热至始锻温度，保温一段时间；

S320a、经镦粗、冲通孔、整圆、平端面至合适尺寸，得到矩形截面环坯。

进一步，所述S300中预轧扩孔具体如下：

S310b、根据矩形截面环坯的尺寸和材料的塑性变形能力确定当量轧比和轧制火次；

S320b、将环坯加热至始锻温度，保温一段时间；

S330b、经轧制，得到合适尺寸的矩形环件。

进一步，所述S300中旋压轴向分料具体如下：

S310c、根据盆形环件锻件尺寸，确定旋压成形后环坯的尺寸：

S320c、确定减薄旋压道次；

S330c、确定旋轮的进给量，其中，进给量取0.1mm/r～1.5mm/r；

S340c、矩形环件加热至始锻温度，保温一段时间；

S350c、取出旋压。

进一步，所述S300中锥形冲头胀弯具体如下：

使用不同锥度的锥形冲头对旋压成形的坯料进行多次胀弯，使其外表面锥面呈斜度α,以在精密轧制开始时让坯料外表面与驱动辊具有两点以上接触，得到异形环坯。

进一步，所述S400具体如下：

S410、确定给定设备力能条件下的环件轧制每转进给量；

S420、根据锻件和环坯尺寸、每转进给量和预计变形量确定轧制进给速度；

S430、根据确定的每转进给量、进给速度对异形环坯进行多火次轧制，得到所设计的锻件形状。

本发明的有益效果是：

1)通过镦粗冲孔、预轧扩孔、旋压轴向分料和锥形冲头胀弯工艺对环坯进行成形，使环坯的金属轴向体积分配和形状与锻件相似；

2)传统制坯工艺多采用模内挤压成形，但模内挤压成形轴向金属流动以及合模时所需成形力大，对设备力能要求高，能耗高，采用旋压工艺先对环坯的轴向金属体积作与锻件轴向金属体积相似的分配，再通过不同锥度的锥形冲头胀弯环坯，改善轧制过程中的稳定性，整个环坯成形过程中所需设备力能小，并且旋压过程中易于实现温度控制，减少了加工道次，既提高了生产效率又降低了能耗；

3)采用精密环轧工艺对锻件进行终成形，通过控制轧制过程的进给速度、变形量和轧制温度来控制轧制过程中的晶粒，实现大型复杂盆形环件高性能近净轧制成形。

附图说明

图1为本发明一个实施例的盆形环件的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的盆形环件旋压预成形后环坯结构示意图；

图3为本发明一个实施例的盆形环件旋压后坯料与目标机匣锻件的轴向金属体积分配示意图；

图4为本发明一个实施例的盆形环件胀弯预成形后环坯结构示意图；

图5为本发明一个实施例的盆形环件下料、镦粗冲孔整圆和预轧后坯料结构示意图；

图6为本发明一个实施例的制坯流程图；

图7为本发明一个实施例的盆形环件坯料的旋压成形示意图；

图8为本发明一个实施例的盆形环件坯料的胀弯成形示意图；

图9为本发明一个实施例的盆形环件轧制初始坯料放置位置示意图；

图10为本发明一个实施例的盆形环件坯料的轧制成形示意图；

图11为本发明一个实施例的盆形环件轧制进给速度示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.旋轮，2.矩形环件，3.芯模，4.锥形冲头，5.预成形锻件，6.驱动辊，7.芯辊，8.锥辊，9.盆形环件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，包括如下步骤：

S100、下料：选取棒状原材料，按指定的下料要求锯切，得到棒状的坯料；

S200、开坯：对下料的坯料进行多次镦拔，保证足够的变形量，充分细化晶粒；

S300、制坯：对镦拔后的坯料依次经镦粗冲孔、预轧扩孔、旋压轴向分料和锥形冲头胀弯工艺得到符合要求的异形环坯；

S400、精密轧制：对异形环坯精密轧制得到所设计的锻件形状。

所述步骤S100具体如下：

S110、计算下料坯料重量：m_坯料＝ρ(V_锻件+V_连皮)(1+ψ)，其中，ρ为材料密度，锻件体积V_锻件利用三维制图软件测得，V_连皮为冲孔时连皮计算体积，ψ为材料烧损率，ψ一般取3％～6％；

S120、计算下料坯料长度：L＝(V_锻件+V_连皮)(1+ψ)/S_棒料，S_棒料为坯料轴向截面积。

所述步骤S200具体如下：

S210、坯料在加热炉中以合适的加热速度加热到始锻温度(选取锻造温度范围内较高温度)，保温一段时间后取出；

S220、以0.1mm/s～1.5mm/s的变形速度对坯料进行反复镦拔，镦粗和拔长每火次变形量控制在40％～80％，变形量逐火次减小，每道次变形量大于等于25％，以充分细化晶粒，保证坯料组织各向均匀性，镦拔时在模具预热至200℃～300℃，同时在上下表面放置石棉，防止散热过快，镦拔过程中温度应在终锻温度以上。

所述步骤S300中镦粗冲孔具体如下：

S310a、开坯后的坯料以合适的加热速度加热至始锻温度(选取锻造温度范围内较高温度)后保温一段时间；

S320a、将模具预热至200℃～300℃，取出保温后的坯料并置于模具内镦粗、冲通孔、整圆、平端面至合适尺寸，得到环坯，镦粗冲孔过程中模具与坯料接触部位放置石棉，防止散热过快，成形过程中温度应在终锻温度以上。

所述步骤S300中预轧扩孔具体如下：

S310b、根据所需矩形截面坯料的尺寸和材料的塑性变形能力确定当量轧比和轧制火次，对于特种材料热加工，λ选取1.1～1.35，进而确定预轧火次；

S320b、环坯放入加热炉中以合适的加热速度加热至始锻温度(选取锻造温度范围内适中温度)后保温一段时间；

S330b、将模具预热至200℃～300℃，取出保温后的环坯并置于模具内轧制，轧制过程中保证环坯温度在终锻温度以上，得到合适尺寸的矩形环件。

所述步骤S300中旋压轴向分料具体如下：

S310c、根据盆形环件锻件尺寸，确定旋压成形后环坯的尺寸：

基于环件轧制材料流动规律和机匣环件几何特点，轧制用环坯设计为与机匣环件轴向金属体积相似的异形环坯，其几何尺寸设计方法如下：

S311c、首先确定环坯小端内孔直径d₀₁＝d₂/k，

其中d₂为机匣环件小端内孔直径，k为环件小端当量轧比，对于特种材料，其当量轧比k一般为1.05～1.3；

S312c、根据环件轧制轴向体积分配原则，环坯小端截面积应与机匣环件小端截面积相等，因此，环坯小端外径

其中D₃为机匣环件小端外径；

环坯外表面形状大端带外台阶，小端为锥形面，大端台阶和小端锥形面以圆弧过渡，由于大小端内径相同，因此，根据截面积相等原则，环坯大端外径D₀₁可由下式确定；

其中d₁、D₁分别为机匣环件大端内、外直径；

环坯大端外台阶的高度H₀₁＝H₁，圆弧与锥面过度位置高度H₀₂＝H₂，过渡位置外径

环坯高度H₀＝H；

S320c、确定减薄旋压道次，旋压道次可由下式确定：

计算桶形件壁厚减薄率：

其中，D₀——旋压前毛坯外径；

D_f——旋压后毛坯外径；

d_f——毛坯内径；

对于特种材料，普遍为难变形材料，一次减薄率一般取

故旋压道次

S330c、确定旋轮的进给量，对于特种材料，取0.1mm/r～1.5mm/r；

S340c、矩形环件以合适的加热速度加热至始锻温度(选取锻造温度范围内较低温度)后保温一段时间；

S350c、旋压模具预热至200℃～300℃，取出矩形环件置于旋压模具内旋压成形，并采用加热装置降低温度下降速度，成形过程中环件温度应在终锻温度以上，同时在成形位置添加耐热润滑油减小摩擦。

所述S300中锥形冲头胀弯具体如下：

使用不同锥度的锥形冲头对旋压完成的坯料以合适的加热速度加热至始锻温度(选取锻造温度范围内较低温度)，保温一段时间后取出进行多次胀弯，使其外表面锥面呈斜度α,保证精密轧制开始时坯料外表面与驱动辊保证两点以上接触，成形中保证温度在终锻温度以上，模具预热至200℃～300℃，模具与环坯接触面放置石棉放置散热过快；

胀弯次数确定：

针对给定吨位的设备与相应最终胀弯成形件尺寸，可以初步计算出在给定吨位设备上成型出该胀弯件所需的次数：

N＝Kπ(R²-r²)σ/P

其中N(采用进一法取整)为胀弯次数，P为压力机吨位，K为载荷修正系数，取0.8～1.2，根据成型时间，环坯壁厚等合理选择，R环锻件大端内径，r为环锻件小端内径，σ为胀弯温度下材料的屈服极限。

所述S400具体如下：

在采用给定的设备条件下，轧制进给速度可用下面方法确定：

S410、确定给定设备力能条件下的环件轧制每转进给量

P为给定设备的轧制力，σ_s为轧制温度下的机匣材料的屈服强度，B为机匣环件的轴向高度，D_d，D_m分别为驱动辊和芯辊的等效工作外径,对于异形驱动辊和芯辊取直径较小值，n为系数，其值为3～6，机匣材料屈服强度较高时取大值；

S420、根据锻件和环坯尺寸、每转进给量和预计变形量可以确定轧制进给速度；

n_d为驱动辊转速，D_d为驱动辊等效工作外径，对于异形驱动辊取直径较大值，D、D₀分别为锻件和毛坯等效外径，取较小值；

轧制过程中应合理控制轧制进给速度，保证环件平稳顺利长大，轧制过程主要可以分为三个阶段：初始轧制阶段(较低速度0.1v_p～0.2v_p进给，利于环件顺利咬入孔型，进入轧制状态)、主轧制阶段(较大速度0.8v_p～0.9v_p进给，提高生产效率，利于材料动态再结晶，有效细化环件晶粒)和精整轧制阶段(较低速度0.05v_p～0.1v_p进给，利于精确控制环件尺寸，提高环件尺寸精度)；

S430、轧制温度选取锻造温度范围内较低温度，以合适的加热速度加热到轧制温度并保温一段时间后取出轧制，轧制过程还应实时监控环件温度，若环件温度低于材料所允许的终锻温度，应回炉加热，多火次轧制时，为保证环件晶粒得到充分细化，最后一火次，环件的轧制变形量应控制在10％以上，即倒数第二火次，停止轧制时环件大端外径应控制在0.9D₁以内。

应用例

本应用例的目标盆形环件如图1所示，为一上下端为台阶中间圆弧面过渡的非对称异形GH4169高温合金环件，具体尺寸如下：外表面径向尺寸D₁＝1353mm、D₂＝1316mm、D₃＝1104mm，外表面高度尺寸H₁＝46mm、H₂＝142.5mm、H₃＝439mm、H＝504mm，内表面径向尺寸d₁＝1230mm、d₂＝1000mm，内表面高度尺寸H₄＝144mm、H₅＝441.5mm，环件材料GH4169，重量796kg。

(1)环坯设计

基于环件轧制材料流动规律和机匣环件几何特点，轧制用环坯设计为与机匣环件轴向体积分配相似的异形环坯，如图2所示，坯料和锻件的轴向金属体积分布如图3所示，其几何尺寸如下：外表面径向尺寸D₀₁＝953mm、D₀₂＝913mm、D₀₃＝901mm，外表面高度尺寸H₁＝46mm、H₂＝142.5mm、H＝504mm，内表面径向尺寸d₀₁＝770mm；

(2)选择GH4169高温合金棒材，下料质量847.5kg,下料尺寸φ400×818.5mm，如图5a所示，反复镦拔三火次，三火次变形量分别为60％～80％、50％～60％、40％～50％，每道次变形量不低于25％，镦拔后镦粗、冲通孔、整圆、平端面后得到矩形截面环坯，如图5b所示，过程中棒料加热至1040℃～1060℃保温60min，模具预热至200℃～300℃，成形过程中与模具接触面放置石棉，减慢散热；

(3)将模具预热至200℃～300℃,矩形截面环坯放入加热炉中加热至1030℃～1040℃后保温60min，取出矩形截面环坯进行预轧，预轧火次4火，四次当量轧比分别为1.24、1.24、1.25、1.34，得到合适尺寸的矩形环件，如图5c所示；

(4)将模具预热至200℃～300℃，矩形环件在加热炉中加热至1020℃～1030℃保温40min后取出进行旋压，旋轮进给量取0.2mm/r，旋压过程中采用加热装置防止矩形环件温度下降过快，并不断用高温润滑脂润滑，提高旋压过程稳定性，旋压道次2次，过程如图7所示，图7中各部件分别为：旋轮1、矩形环件2和芯模3；

(5)将坯料加热至1020℃～1030℃后保温40min，模具预热至200℃～300℃，在8000T液压机下使用不同锥度的锥形冲头，分三步胀弯，直至外表面锥面角度α＝75°，胀弯完成后坯料形状如图4所示，过程如图8所示，图8中各部件分别为：锥形冲头4和预成形锻件5；

(6)轧制过程规划

将环坯放入加热炉中加热至1020℃～1030℃，待环坯加热保温后保温40min后，利用机械手取出环坯快速转移至轧环机上，夹持环坯的机械手部位应包覆一层保温棉，主辊和芯辊预热至200℃～300℃，过程如图9所示，图8中各部件分别为：驱动辊6、芯辊7、锥辊8和盆形环件9，坯料初始安放位置如图10所示；

采用三火轧制，第一火和第二火进给量为10mm，最后一火轧制过程进给速度按图11所示方案进行控制，第一阶段(初始轧制阶段)的进给量S₁＝1mm，进给速度v₁＝0.2mm/s；第二阶段(主轧制阶段)的进给量S₂＝7.5mm，进给速度v₂＝0.8mm/s；第三阶段(精整轧制阶段)的进给量S₃＝1mm，进给速度v₃＝0.1mm/s。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、下料：选取指定下料要求的棒状坯料；

S200、开坯：对坯料进行多次镦拔；

S300、制坯：对完成镦拔的坯料依次经镦粗冲孔、预轧扩孔、旋压轴向分料和锥形冲头胀弯工艺得到符合要求的异形环坯；

所述旋压轴向分料具体如下：

S310c、根据盆形环件锻件尺寸，确定旋压成形后环坯的尺寸：

S320c、确定减薄旋压道次；

S330c、确定旋轮的进给量，其中，进给量取0.1mm/r～1.5mm/r；

S340c、矩形环件加热至始锻温度，保温一段时间；

S350c、取出旋压；

所述锥形冲头胀弯具体如下：

使用不同锥度的锥形冲头对旋压成形的坯料进行多次胀弯，使其外表面锥面呈斜度α,以在精密轧制开始时让坯料外表面与驱动辊具有两点以上接触，得到异形环坯；

S400、精密轧制：对异形环坯精密轧制得到所设计的锻件形状。

2.根据权利要求1所述的一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，其特征在于，所述S100具体如下：

S110、计算下料坯料重量：m_坯料＝ρ(V_锻件+V_连皮)(1+ψ)，其中，ρ为材料密度，V_锻件为锻件体积，V_连皮为冲孔时连皮计算体积，ψ为材料烧损率，ψ等于3％～6％；

S120、计算下料坯料长度：L＝(V_锻件+V_连皮)(1+ψ)/S_棒料，S_棒料为坯料轴向截面积。

3.根据权利要求1所述的一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，其特征在于，所述S200具体如下：

S210、坯料加热至始锻温度，保温一段时间；

S220、以0.1mm/s～1.5mm/s的变形速度对坯料进行反复镦拔，镦粗和拔长每火次变形量控制在40％～80％，变形量逐火次减小，每道次变形量大于等于25％。

4.根据权利要求1所述的一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，其特征在于，所述镦粗冲孔具体如下：

S310a、将开坯后的坯料加热至始锻温度，保温一段时间；

S320a、经镦粗、冲通孔、整圆、平端面至合适尺寸，得到矩形截面环坯。

5.根据权利要求4所述的一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，其特征在于，所述预轧扩孔具体如下：

S310b、根据矩形截面环坯的尺寸和材料的塑性变形能力确定当量轧比和轧制火次；

S320b、将环坯加热至始锻温度，保温一段时间；

S330b、经轧制，得到合适尺寸的矩形环件。

6.根据权利要求1所述的一种大型复杂盆形环件近净复合成形工艺方法，其特征在于，所述S400具体如下：

S410、确定给定设备力能条件下的环件轧制每转进给量；

S420、根据锻件和环坯尺寸、每转进给量和预计变形量确定轧制进给速度；

S430、根据确定的每转进给量、进给速度对异形环坯进行多火次轧制，得到所设计的锻件形状。

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