CN110883287A - 一种基于平锻机的多向顶锻坯设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及叶片模锻制坯领域，特别是涉及一种基于平锻机的多向顶锻坯设计方法。利用平锻机具备两个相互垂直的锻造方向：主锻造方向水平，次锻造方向竖直，选取直径介于哑铃形坯料头部直径与杆部直径之间棒料，在平锻机第一工步中，先利用次锻造方向压扁棒料中部，再利用主锻造方向镦粗棒料的一端，在第二工步，先利用次锻造方向再次压扁棒料中部，再利用主锻造方向镦粗棒料的另一端。本发明利用平锻机具备两个相互垂直的锻造方向的特点，在一次行程中，从两个不同方向分别压扁棒料中部和镦粗棒料端部，在两部分锻造变形量不关联的前提下分别进行减薄和加粗，使顶锻坯在模锻时的变形量分布与哑铃形坯料一致。

Description

一种基于平锻机的多向顶锻坯设计方法

技术领域

本发明涉及叶片模锻制坯领域，特别是涉及一种基于平锻机的多向顶锻坯设计方法。

背景技术

某种小型双安装板静子叶片锻件(总长度为90mm左右)，安装板与叶身在锻造方向上的厚度比超过6，材料对锻造变形量(取值范围为15％～45％)敏感。

现有技术为满足上述工艺参数要求，将棒料车加工成哑铃形，通过减小其中部与锻件叶身对应处直径的方法调节变形量。这种工艺方法导致材料浪费，棒料金属流线被切断，生产效率低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，利用平锻机，在一火次中顶锻出满足后续模锻变形量要求的坯料，取代现有的哑铃形坯料。

本发明的技术方案是：

一种基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，利用平锻机具备两个相互垂直的锻造方向：主锻造方向水平，次锻造方向竖直，选取直径介于哑铃形坯料头部直径与杆部直径之间棒料，在平锻机第一工步中，先利用次锻造方向压扁棒料中部，再利用主锻造方向镦粗棒料的一端，在第二工步中，先利用次锻造方向再次压扁棒料中部，再利用主锻造方向镦粗棒料的另一端。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，因锻造方向不同，棒料端部与中部的变形不关联，分别选取变形量。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，设计顶锻坯料时的操作步骤如下：

步骤一：将哑铃形坯料尺寸转化至顶锻坯上，包括坯料总长度、各部分长度，以及坯料头部直径及杆部厚度等厚度方向的尺寸；

步骤二：根据棒料顶锻时端部镦粗变形量及坯料头部直径，计算顶锻用棒料直径及初步计算顶锻棒料长度；

步骤三：将顶锻坯杆部截面设计为椭圆形，其中短半轴尺寸由哑铃形坯料杆部直径决定，长半轴尺寸由截面积决定；

步骤四：棒料长度修定

由于压扁部分延长的体积进入头部镦粗，对棒料长度进行减小修定，根据步骤三中所获得的杆部截面面积计算获得。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，步骤一：给出基于模锻变形量设计的原哑铃形坯料的尺寸参数，其中D₀是头部直径，D₁是杆部直径，L₀是坯料总长，L₁是杆部长度；基于哑铃形坯料尺寸，保证模锻变形量不变，设定顶锻坯尺寸参数，其中D₀、L₀、L₁与哑铃形坯料的尺寸一致，L₃为顶锻坯中间杆部厚度，L₃＝D₁；

步骤二：顶锻用棒料直径d₀及棒料长度预算值l₀′

设定顶锻头部镦粗的变形量为A时，棒料直径d₀满足d₀ ²＝(1-A)D₀ ²，棒料长度预算值l₀′满足l₀′＝(L₀-L₁)/(1-A)+L₁；

步骤三：顶锻坯中间杆部截面设计

顶锻坯中间杆部截面为椭圆形，顶锻坯中间杆部截面的长半轴为L₄，短半轴即顶锻坯中间杆部厚度为L₃，其中L₃＝D₁，L₄由椭圆面积S计算得到；由于压扁区伸长会导致截面积减小，根据顶锻坯中间杆部压扁的计算机模拟验证，S＝B(d₀/2)²·π，当20mm≤d₀≤30mm时，常数B＝75％～80％；由此计算出L₄＝(75％～80％)(d₀/2)²/D₁；

步骤四：棒料长度l₀修定

根据步骤二计算得出的l₀′未考虑步骤三中杆部压扁伸长量，需修定；根据模拟验证，当20mm≤d₀≤30mm时，20mm≤L₁≤40mm时，l₀＝l₀′-(1-B)L₁。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，步骤三中，由于压扁部分的延长，其截面积小于棒料直径；通过计算机模拟估算其截面积减少量，进而获得长半轴尺寸。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，冲头一、阴模一组成第一工步，冲头一伸至阴模一的一端开口内部，此工步完成棒料中部第一次压扁及一端镦粗，形成顶锻坯一；冲头二、阴模二组成第二工步，冲头二伸至阴模二的一端开口内部，此工步完成棒料中部第二次压扁及另一端镦粗，形成顶锻坯二。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，为防止第一工步所产生的毛刺与第二工步阴模间的干涉，将顶锻模型腔设计为贯通结构。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，为防止后置挡料板对压扁变形的伸长限制，使用顶锻快速定位装置：第一工步中，顶锻快速定位装置的挡料顶杆伸至阴模一的另一端开口；第二工步中，顶锻快速定位装置的挡料顶杆伸至顶阴模二的另一端开口。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，顶锻快速定位装置包括：滑动部件、固定部件、螺栓、螺栓孔、挡料顶杆、导轨，具体结构如下：滑动部件和固定部件上下设置，滑动部件的上部设有挡料顶杆，滑动部件的下部设有导轨，滑动部件通过导轨与固定部件滑动配合，固定部件与导轨相对的一侧开设螺栓孔，螺栓安装于螺栓孔，其端部与导轨顶触。

所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，顶锻时，顶锻快速定位装置辅助摆放棒料，通过控制变形部分的长度来控制变形部分的体积；顶锻前，将滑动部件推入至固定部件，当顶锻件伸长时，滑动部件后退，其对顶锻件的阻力不超过5牛顿，如不需要滑动时，通过螺栓将其锁紧。

本发明的优点及有益效果是：

(1)小型双安装板静子叶片安装板与叶身在锻造方向上的厚度比大，材料对锻造变形量敏感。现有技术通过车加工哑铃形坯料来调节变形量，成本高，效率低。本发明利用平锻机具备两个相互垂直的锻造方向的特点，在一次行程中，从两个不同方向分别压扁棒料中部和镦粗棒料端部，在两部分锻造变形量不关联的前提下分别进行减薄和加粗，使顶锻坯在模锻时的变形量分布与哑铃形坯料一致。

(2)本发明可将原材料利用率提高15％以上，优化坯料流线，提高50％以上的下料生产效率。

(3)本发明棒料金属流线保留完整。

附图说明

图1(a)-(b)为顶锻快速定位装置总图。其中，图1(a)为主视图，图1(b)为侧视图。

图2(a)-(b)为滑动部件示意图。其中，图2(a)为主视图，图2(b)为侧视图。

图3(a)-(b)为顶锻模示意图。其中，图3(a)为顶锻模组合一，图3(b)为顶锻模组合二。

图4为哑铃形坯料示意图。

图5(a)-(b)为顶锻坯示意图。其中，图5(a)为主视图，图5(b)为俯视图。

图6为顶锻坯中部截面示意图。

图7为压扁伸长示意图。

图8为端面毛刺示意图。

图9为阴模贯通型腔示意图。

图中，1滑动部件，2固定部件，3螺栓，4螺栓孔，5挡料顶杆，6导轨，7冲头一，8顶锻坯一，9阴模一，10冲头二，11顶锻坯二，12阴模二。

具体实施方式

与现有技术相比，本发明给出了一种多向顶锻坯的设计方法，其中包含一种顶锻坯的新结构图，体积动态变化的控制与计算以及一些辅助工装的设计图。

(1)顶锻快速定位装置

如图1(a)-(b)、图2(a)-(b)所示，顶锻快速定位装置包括：滑动部件1、固定部件2、螺栓3、螺栓孔4、挡料顶杆5、导轨6，具体结构如下：

滑动部件1和固定部件2上下设置，滑动部件1的上部设有挡料顶杆5，滑动部件1的下部设有导轨6，滑动部件1通过导轨6与固定部件2滑动配合，固定部件2与导轨6相对的一侧开设螺栓孔4，螺栓3安装于螺栓孔4，其端部与导轨6顶触。

顶锻时，需要顶锻快速定位装置辅助摆放棒料，通过控制变形部分的长度来控制变形部分的体积。但由于本发明中棒料压扁阶段会伸长，若采用后置挡料板，则会出现伸长量不足导致实物偏离计算或挡料板定位压入顶锻件。故设计一种带导轨6的分体快速定位装置，顶锻前，将滑动部件1推入至固定部件2，当顶锻件伸长时，滑动部件1后退，其对顶锻件的阻力不超过5牛顿，如不需要滑动时，可通过螺栓3将其锁紧。

(2)顶锻模

如图3(a)所示，冲头一7、阴模一9组成第一工步，冲头一7伸至阴模一9的一端开口内，顶锻快速定位装置的挡料顶杆5伸至阴模一9的另一端开口内，此工步完成棒料中部第一次压扁及一端镦粗，形成顶锻坯一8。

如图3(b)所示，冲头二10、阴模二12组成第二工步，冲头二10伸至阴模二12的一端开口内，顶锻快速定位装置的挡料顶杆5伸至阴模二12的另一端开口内，此工步完成棒料中部第二次压扁及另一端镦粗，形成顶锻坯二11。

按照本发明方法设计顶锻模具时的具体操作步骤如下：

步骤一：如图4所示，顶锻坯主要尺寸设定(基于哑铃形坯料尺寸，保证模锻变形量不变)原哑铃形坯料的尺寸参数，其中D₀是头部直径(mm)，D₁是杆部直径(mm)，L₀是坯料总长(mm)，L₁是杆部长度(mm)。

如图5(a)-(b)所示，设定顶锻坯尺寸参数，其中D₀、L₀、L₁与哑铃形坯料的尺寸一致，L₃为顶锻坯中间杆部厚度(mm)，即中部压扁区的厚度，L₃＝D₁。

步骤二：顶锻用棒料直径d₀(mm)及棒料长度预算值l₀′(mm)

设定顶锻头部镦粗的变形量为A(％)时，棒料直径d₀满足d₀ ²＝(1-A)D₀ ²，棒料长度预算值l₀′满足l₀′＝(L₀-L₁)/(1-A)+L₁。若杆部压扁变形量(d₀-L₃)/d₀不在材料变形量范围内，超出不多时可通过调节A的方式将其修正，若变形量较大，则顶锻过程需要两次压扁。

步骤三：顶锻坯中间杆部截面设计(基于Deform的逆向设计)

如图6所示，顶锻坯中间杆部截面为椭圆形，顶锻坯中间杆部截面的长半轴为L₄(mm)，短半轴(即顶锻坯中间杆部厚度)为L₃(mm)，其中L₃＝D₁，L₄由椭圆面积S计算得到。由于压扁区伸长会导致截面积减小，根据顶锻坯中间杆部压扁的计算机Deform模拟，由于图示位置的伸长(图7)，导致椭圆的截面积S小于(d₀/2)²·π，根据模拟验证，S＝B(d₀/2)²·π，当20mm≤d₀≤30mm时，常数B≈75％～80％。由此可计算L₄＝(75～80％)(d₀/2)²/D₁。若d₀超出上述范围时，需根据具体模拟结果测算S的平均值。

步骤四：棒料长度l₀修定

根据步骤二计算得出的l₀′未考虑步骤三中杆部压扁伸长量，需修定。根据模拟验证，当20mm≤d₀≤30mm时，20mm≤L₁≤40mm时，l₀＝l₀′-(1-B)L₁。

根据上述步骤，可计算出顶锻坯尺寸及下料棒料尺寸。为防止第一工步所产生的毛刺与第二工步阴模间的干涉(图8、图9)，需将顶锻模型腔设计为贯通结构。为防止后置挡料板对压扁变形的伸长限制，需使用顶锻快速定位装置。

实施例结果表明，本发明采用顶锻坯结构及尺寸计算过程、顶锻模结构、顶锻快速定位装置。此设计已经进行试验及理化分析，能够生产出组织及性能合格的锻件。该设计方法可应用于各种小型双安装板静子叶片制坯设计。本设计方法已应用到小批量生产中，节省单件棒料下料时间15min，节省单件材料及加工费用108元。若推广使用，仅一级叶片每年就可节省100余万元。

Claims (10)

1.一种基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，利用平锻机具备两个相互垂直的锻造方向：主锻造方向水平，次锻造方向竖直，选取直径介于哑铃形坯料头部直径与杆部直径之间棒料，在平锻机第一工步中，先利用次锻造方向压扁棒料中部，再利用主锻造方向镦粗棒料的一端，在第二工步中，先利用次锻造方向再次压扁棒料中部，再利用主锻造方向镦粗棒料的另一端。

2.按照权利要求1所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，因锻造方向不同，棒料端部与中部的变形不关联，分别选取变形量。

3.按照权利要求1所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，设计顶锻坯料时的操作步骤如下：

步骤一：将哑铃形坯料尺寸转化至顶锻坯上，包括坯料总长度、各部分长度，以及坯料头部直径及杆部厚度等厚度方向的尺寸；

步骤二：根据棒料顶锻时端部镦粗变形量及坯料头部直径，计算顶锻用棒料直径及初步计算顶锻棒料长度；

步骤三：将顶锻坯杆部截面设计为椭圆形，其中短半轴尺寸由哑铃形坯料杆部直径决定，长半轴尺寸由截面积决定；

步骤四：棒料长度修定

由于压扁部分延长的体积进入头部镦粗，对棒料长度进行减小修定，根据步骤三中所获得的杆部截面面积计算获得。

4.按照权利要求3所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，步骤一：给出基于模锻变形量设计的原哑铃形坯料的尺寸参数，其中D₀是头部直径，D₁是杆部直径，L₀是坯料总长，L₁是杆部长度；基于哑铃形坯料尺寸，保证模锻变形量不变，设定顶锻坯尺寸参数，其中D₀、L₀、L₁与哑铃形坯料的尺寸一致，L₃为顶锻坯中间杆部厚度，L₃＝D₁；

步骤二：顶锻用棒料直径d₀及棒料长度预算值l₀′

设定顶锻头部镦粗的变形量为A时，棒料直径d₀满足d₀ ²＝(1-A)D₀ ²，棒料长度预算值l₀′满足l₀′＝(L₀-L₁)/(1-A)+L₁；

步骤三：顶锻坯中间杆部截面设计

顶锻坯中间杆部截面为椭圆形，顶锻坯中间杆部截面的长半轴为L₄，短半轴即顶锻坯中间杆部厚度为L₃，其中L₃＝D₁，L₄由椭圆面积S计算得到；由于压扁区伸长会导致截面积减小，根据顶锻坯中间杆部压扁的计算机模拟验证，S＝B(d₀/2)²·π，当20mm≤d₀≤30mm时，常数B＝75％～80％；由此计算出L₄＝(75％～80％)(d₀/2)²/D₁；

步骤四：棒料长度l₀修定

根据步骤二计算得出的l₀′未考虑步骤三中杆部压扁伸长量，需修定；根据模拟验证，当20mm≤d₀≤30mm时，20mm≤L₁≤40mm时，l₀＝l₀′-(1-B)L₁。

5.按照权利要求3所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，步骤三中，由于压扁部分的延长，其截面积小于棒料直径；通过计算机模拟估算其截面积减少量，进而获得长半轴尺寸。

6.按照权利要求1所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，冲头一、阴模一组成第一工步，冲头一伸至阴模一的一端开口内部，此工步完成棒料中部第一次压扁及一端镦粗，形成顶锻坯一；冲头二、阴模二组成第二工步，冲头二伸至阴模二的一端开口内部，此工步完成棒料中部第二次压扁及另一端镦粗，形成顶锻坯二。

7.按照权利要求6所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，为防止第一工步所产生的毛刺与第二工步阴模间的干涉，将顶锻模型腔设计为贯通结构。

8.按照权利要求6所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，为防止后置挡料板对压扁变形的伸长限制，使用顶锻快速定位装置：第一工步中，顶锻快速定位装置的挡料顶杆伸至阴模一的另一端开口；第二工步中，顶锻快速定位装置的挡料顶杆伸至顶阴模二的另一端开口。

9.按照权利要求8所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，顶锻快速定位装置包括：滑动部件、固定部件、螺栓、螺栓孔、挡料顶杆、导轨，具体结构如下：滑动部件和固定部件上下设置，滑动部件的上部设有挡料顶杆，滑动部件的下部设有导轨，滑动部件通过导轨与固定部件滑动配合，固定部件与导轨相对的一侧开设螺栓孔，螺栓安装于螺栓孔，其端部与导轨顶触。

10.按照权利要求9所述的基于平锻机的多向顶锻坯设计方法，其特征在于，顶锻时，顶锻快速定位装置辅助摆放棒料，通过控制变形部分的长度来控制变形部分的体积；顶锻前，将滑动部件推入至固定部件，当顶锻件伸长时，滑动部件后退，其对顶锻件的阻力不超过5牛顿，如不需要滑动时，通过螺栓将其锁紧。

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