CN111085644A - 一种改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法 - Google Patents

一种改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,能够降低下沉深度,促进晶粒匀细化;包括以下步骤:杆料预处理:对杆料两端面的边缘区域进行减料处理,使得杆料两端面与砧子电极和镦粗缸的接触面积均能够减小;采用凹面型砧子电极在电镦装置上对杆料进行电镦,凹面型砧子电极对蒜头外周面提供预接触,使得预接触部位发生塑性变形,从而阻碍下沉深度的加深;同时,减料处理使得轴向镦粗力集中向蒜头中央传递,从而校正蒜头端面的凹陷;伴随着凹陷程度的改善,蒜头晶粒得到匀细化。

Description

一种改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法
技术领域
本发明属于材料加工工程中金属塑性成形领域。具体为一种改善超大规格气阀坯电镦成形蒜头端面凹陷及形状的工艺改进技术。
背景技术
电镦工艺是一种耦合了电热力三种物理场的成形工艺,电镦机的工作原理示意图如图1所示,在砧子电极1与夹持电极2之间通电流,通过接触电阻和自身电阻加热,并在杆料3右端通过镦粗缸4施加一定的镦粗力,冷端的杆料被送入砧子电极与夹持电极之间的加热区域,使杆料在一定温度条件下逐渐发生塑性变形并完成局部精准连续聚料。
在成形超大规格气阀坯时,特别是当聚料多,变截面率很大的情况下,为达到一定的电镦蒜头直径,电镦成形过程中的镦粗力和电流都需要很大,很容易造成电镦坯蒜头端面“凹陷”缺陷,用电镦坯蒜头端面的下沉深度来表征蒜头端面的凹陷缺陷,参考图2所示:下沉深度为蒜头端面距离蒜头中心的距离,用H表示。一方面,下沉深度太大会使得材料变形不均匀,在电镦成形过程中形成坍塌缺陷即端面凹陷,同时端面凹陷还会导致电镦变形体中央的晶粒发生粗化。另一方面,在后续的模锻成形过程中,下沉深度太大会出现“闭气”问题。因此,减小电镦变形体端面的下沉深度对于改善电镦变形体质量具有重要意义。
发明内容
针对上述技术的不足,本发明提供了一种改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,能够降低下沉深度,促进晶粒匀细化。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:一种改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,包括以下步骤:
杆料预处理:
对杆料两端面的边缘区域进行减料处理,使得杆料两端面与砧子电极和镦粗缸的接触面积均能够减小;
采用凹面型砧子电极在电镦装置上对杆料进行电镦:
凹面型砧子电极的前端面上设有位于中央的锥形盲孔,锥形盲孔的孔径从内向外逐渐增大;锥形盲孔的底面与侧面均为工作面;锥形盲孔的底面为圆形,锥形盲孔呈圆台形,锥形盲孔的侧面为弧面;
将杆料一端作为聚料端,将聚料端的端面作用于凹面型砧子电极的前端面上的锥形盲孔的底面上,杆料另一端由镦粗缸施加镦粗力,轴向镦粗力集中传递到杆料的聚料端的中央位置;杆料、夹持电极、凹面型砧子电极在通电情况下形成闭合的电流回路,杆料依靠接触电阻与自身电阻生热,升温至热塑性变形温度,在镦粗缸与凹面型砧子电极的速度差下,高温部位产生塑性变形,逐渐形成蒜头;
随着镦粗力的增大和温度升高,蒜头端面发生凹陷,蒜头端面中心脱离锥形盲孔的底面,靠近蒜头端面附近的蒜头外周面与锥形盲孔的侧面发生预接触,使得预接触部位发生塑性变形,从而阻碍下沉深度的加深;同时,轴向镦粗力集中向蒜头中央传递,从而校正蒜头端面的凹陷;伴随着凹陷程度的改善,蒜头晶粒得到匀细化。
进一步的,减料处理的方式包括磨圆与倒角;杆料两端面的减料组合形式包括:
两端均磨圆,杆料两端面均为半球面,杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触;
两端均倒角,杆料两端面均为圆形平面,杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触;
一端磨圆一端倒角,磨圆端的杆料端面为半球面,倒角端的杆料端面为圆形平面。
进一步的,杆料两端均通过倒角的方式进行减料处理时,杆料一端面的倒角大于另一端面的倒角,并以大倒角端面作为聚料端。
进一步的,杆料两端均磨圆后,在半球面中央再加工出平面,使得杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触。
进一步的,杆料一端磨圆一端倒角后,在磨圆端的半球面中央再加工出平面,并以磨圆端作为聚料端,杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触。
进一步的,杆料作为聚料端的端面进行减料处理后所形成的圆角随着锥形盲孔锥度的增大而减小,以保证预接触作用。
与现有技术相比,本发明具有的优点包括:
1、本发明通过对杆料两端进行减料预处理与凹面型砧子电极的共同作用来减小下沉深度:凹面型砧子电极提供预接触作用,使预接触部位在蒜头中央继续凹陷(材料径向流动产生的摩擦力会使得凹陷加剧)前发生塑性变形,从而阻碍下沉深度的加深,同时,预接触也减小了径向压强,减缓了材料在高温作用下向中心的流动,协调减小了下沉深度;杆料两端进行减料预处理,使得杆料两端的接触面积变小,从而使得镦粗力集中作用在杆料一端,并沿杆料中央轴向传递至杆料聚料端中央与蒜头中央,可以将内凹看作是蒜头中央受到朝向镦粗缸方向的力的作用,而从镦粗缸传递到蒜头中央的镦粗力,则与使蒜头中央凹陷的力方向相反,从而起到校正蒜头端面凹陷的作用。
2、蒜头端面凹陷会导致内凹处电流密度增大,而使得温度过高,极易引起晶粒粗化;同时,由于蒜头端面凹陷部分与砧子电极无接触,从而蒜头中央难以接受砧子电极的压力,难以产生动态再结晶使蒜头中央晶粒细化,最终导致蒜头中央晶粒较外围的晶粒要粗。但是,由于本发明改善了蒜头端面的凹陷,从而使得蒜头晶粒匀细化程度得到提高。
3、本发明提供了多种减料组合形式,方便实际加工的灵活运用。两端均磨圆的方式,对于减小下沉深度的效果最佳,但是镦粗效率较低。杆料一端磨圆一端倒角后,在磨圆端的半球面中央再加工出平面,这样的方式同时具备优良的凹陷改善效果与镦粗效率。
4、凹面型砧子的锥形盲孔的锥度应与减料处理后的圆角协同配合,减料较多(圆角较大)时,就应当减小锥形盲孔的锥度,避免预接触作用不足。
附图说明
图1为电镦工艺的原理示意图;
图2为蒜头端面在平面型砧子电极上所形成的下沉深度示意图;
图3为本发明所提供的凹面型砧子电极的结构示意图;
图4为图3的剖视图;
图5为减料处理后的杆料;
图6为实施例1中725秒时在平面型砧子电极上形成的蒜头形状;
图7为实施例1中725秒时在凹面型砧子电极上形成的蒜头形状;
图8为实施例1中950秒时在平面型砧子电极上形成的蒜头形状;
图9为实施例1中950秒时在凹面型砧子电极上形成的蒜头形状;
图10为实施例1中电镦完成后在平面型砧子电极上形成的蒜头形状;
图11为实施例1中电镦完成后在凹面型砧子电极上形成的蒜头形状;
图12为实施例2中电镦完成后在凹面型砧子电极上形成的蒜头形状;
图13为实施例3中电镦完成后在凹面型砧子电极上形成的蒜头形状。
具体实施方式
本具体实施方式中所采用的凹面型砧子电极,参考图3与图4所示,凹面型砧子电极1的前端面上设有位于中央的锥形盲孔101,锥形盲孔101的孔径从内向外逐渐增大;锥形盲孔的底面与侧面均为工作面;锥形盲孔的底面为圆形,锥形盲孔呈圆台形,锥形盲孔的侧面为弧面。
基于传统的电镦工艺设备,将平面型砧子改进为凹面型砧子,同时对杆料端面进行形状化处理,在凹面型砧子与端面处理后的杆料两者相互配合下,以降低电镦成形后蒜头端面的下沉深度。考虑到设备整体尺寸,凹面型砧子的外原直径和原始平面型砧子的直径保持一致。
在进行电镦前,对杆料端面进行预处理:对杆料两端面的边缘区域进行减料处理,使得杆料两端面与砧子电极和镦粗缸的接触面积均能够减小。
减料处理的方式包括磨圆与倒角;杆料两端面的减料组合形式包括:
两端均磨圆,杆料两端面均为半球面,杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触;杆料两端均磨圆后,在半球面中央再加工出平面,使得杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触。
参考图5所示,一端磨圆一端倒角,磨圆端的杆料端面为半球面,倒角端的杆料端面为圆形平面;杆料一端磨圆后,在磨圆端的半球面中央再加工出平面L1,并以磨圆端作为聚料端,杆料聚料端的圆角大于另一端面的圆角(倒角也属于圆角),杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触。这样的方式同时具备优良的凹陷改善效果与镦粗效率。下面的实施例1采用此种减料组合形式,圆角为25mm。
两端均倒角,杆料两端面均为圆形平面,杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触;杆料两端均通过倒角的方式进行减料处理时,杆料一端面的倒角大于另一端面的倒角,并以大倒角端面作为聚料端。下面的实施例2与实施例3均采用此种减料组合形式,实施例2中杆料聚料端的圆角为28mm,实施例3中杆料聚料端的圆角为35mm。实施例1、实施例2与实施例3所采用的凹面型砧子电极的锥度相同,均以平面型砧子电极的传统电镦工艺(未进行减料处理)作为对照。
实施例1与实施例2均采用电镦有限元模型对电镦过程进行模拟,材料为Nimonic80A超合金,杆料直径为85mm,长度3700mm,杆料总行程2350mm。对于这种长杆类、聚料多、变截面率大的超大规格气阀坯,在保证电镦过程不失稳的情况下,综合衡量考虑,电镦过程中使用的镦粗力最大为1030KN,最大电流为28.6KA,电镦模拟过程中的最高温度为1130℃。
实施例1
(1)在725秒时,平面型砧子电极与凹面型砧子电极的电镦模拟成形形状如图6与图7所示所示。
在725秒时,两种类型砧子的电镦模拟温度相差不大。采用平面型砧子的电镦模拟温度为1120℃,采用凹面型砧子的电镦模拟温度为1121℃。
在725秒时,采用平面型砧子的电镦蒜头直径为170.12mm,下沉深度为7.25mm;采用凹面型砧子的电镦蒜头直径为174.52mm,下沉深度仅为3.0mm。
(2)在950秒时,两种类型砧子的电镦模拟成形形状分别如图8与图9所示。
在950秒时,两种类型砧子的电镦模拟温度相差不大。采用平面型砧子的电镦模拟温度为1128℃,采用凹面型砧子的电镦模拟温度为1129℃。
在950秒时,采用平面型砧子的电镦蒜头直径为193.24mm,下沉深度为8.29mm;与725秒时刻相比,其电镦蒜头直径变大了,下沉深度也更深。
采用凹面型砧子的电镦蒜头直径为200.08mm,下沉深度仅为3.0mm。与725秒时刻相比,其电镦蒜头直径变大了,下沉深度保持不变。
(3)凹面型砧子和平面型砧子的成形结果对比
两种类型砧子在电镦完成后的电镦蒜头形状分别如图10与图11所示。
采用平面型砧子的电镦蒜头直径为196.88mm,下沉深度为8.3mm;与950秒时刻相比,其电镦蒜头直径变大了,下沉深度也更深。
采用凹面型砧子的电镦蒜头直径为201.58mm,下沉深度仅为3.0mm。与950秒时刻相比,其电镦蒜头直径变大了,下沉深度保持不变。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于:减料组合形式与聚料端的圆角为28mm。
参考图12所示,电镦完成后,采用凹面型砧子的电镦蒜头直径为198.28mm,下沉深度仅为4.64mm。平面型砧子的电镦蒜头直径为196.88mm,下沉深度为8.3mm。与平面型砧子相比,其电镦蒜头直径变大了,下沉深度减小。
实施例3
本实施例与实施例2的区别仅在于:聚料端的圆角为35mm。
参考图13所示,电镦完成后,采用凹面型砧子的电镦蒜头直径为195.12mm,下沉深度为8.27mm。平面型砧子的电镦蒜头直径为196.88mm,下沉深度为8.3mm。与平面型砧子相比,其电镦蒜头直径变大小,下沉深度减小。
从实施例1至实施例3的实验结果可以看出,凹面型砧子与减料处理的结合,始终能减小下沉深度。在与凹型砧子的协同作用下,随着R1的增大,电镦蒜头直径逐渐减小,电镦形状过渡相对比较圆滑,直径变化相对平缓。但是,电镦蒜头端面凹陷逐渐增加(仍然小于平面型砧子)。这是因为在相同电流和力作用下,随着R1的增大,与砧子接触的坯料端面材料减少,预接触作用降低,电镦初期材料变形更加容易,同时R1大的坯料受到的压力更大,因此使得下沉深度加深。不过,可以通过减小锥形盲孔锥度来克服因聚料端圆角增大而引起的下沉深度加深。

Claims (8)

1.一种改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,其特征在于,包括以下步骤:
杆料预处理:
对杆料两端面的边缘区域进行减料处理,使得杆料两端面与砧子电极和镦粗缸的接触面积均能够减小;
采用凹面型砧子电极在电镦装置上对杆料进行电镦:
凹面型砧子电极的前端面上设有位于中央的锥形盲孔,锥形盲孔的孔径从内向外逐渐增大;锥形盲孔的底面与侧面均为工作面;锥形盲孔的底面为圆形,锥形盲孔呈圆台形,锥形盲孔的侧面为弧面;
将杆料一端作为聚料端,将聚料端的端面作用于凹面型砧子电极的前端面上的锥形盲孔的底面上,杆料另一端由镦粗缸施加镦粗力,轴向镦粗力集中传递到杆料的聚料端的中央位置;杆料、夹持电极、凹面型砧子电极在通电情况下形成闭合的电流回路,杆料依靠接触电阻与自身电阻生热,升温至热塑性变形温度,在镦粗缸与凹面型砧子电极的速度差下,高温部位产生塑性变形,逐渐形成蒜头;
随着镦粗力的增大和温度升高,蒜头端面发生凹陷,蒜头端面中心脱离锥形盲孔的底面,靠近蒜头端面附近的蒜头外周面与锥形盲孔的侧面发生预接触,使得预接触部位发生塑性变形,从而阻碍下沉深度的加深;同时,轴向镦粗力集中向蒜头中央传递,从而校正蒜头端面的凹陷;伴随着凹陷程度的改善,蒜头晶粒得到匀细化。
2.根据权利要求1所述的改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,其特征在于,减料处理的方式包括磨圆与倒角;杆料两端面的减料组合形式包括:
两端均磨圆,杆料两端面均为半球面,杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触;
两端均倒角,杆料两端面均为圆形平面,杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触;
一端磨圆一端倒角,磨圆端的杆料端面为半球面,倒角端的杆料端面为圆形平面。
3.根据权利要求1所述的改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,其特征在于,杆料两端均通过倒角的方式进行减料处理时,杆料一端面的倒角大于另一端面的倒角,并以大倒角端面作为聚料端。
4.根据权利要求1所述的改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,其特征在于,杆料两端均磨圆后,在半球面中央再加工出平面,使得杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触。
5.根据权利要求1所述的改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,其特征在于,杆料一端磨圆一端倒角后,在磨圆端的半球面中央再加工出平面,并以磨圆端作为聚料端,杆料两端与砧子电极和镦粗缸均形成面接触。
6.根据权利要求1所述的改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,其特征在于,最高电镦温度为1130℃,最大电镦电流为28.6KA,最大镦粗力为1030KN。
7.根据权利要求1所述的改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,其特征在于,杆料用于作为聚料端的端面的倒角范围25~35mm。
8.根据权利要求1所述的改善大规格电镦端面凹陷及促进晶粒匀细化的方法,其特征在于,杆料作为聚料端的端面进行减料处理后所形成的圆角随着锥形盲孔锥度的增大而减小,以保证预接触作用。
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