CN111185553B - 一种侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，解决了现有技术中难以同时控制电镦件的宏观形状与微观晶粒度的技术问题，具有控形和控性双重优点，当蒜头直径不断增大并达到稳定阶段且晶粒粗化速度大于粗化速度阈值时，将预热完成的多瓣式环状辅助侧模夹持在蒜头表面；在后续电镦的过程中，多瓣式环状辅助侧模随着砧子电极同步轴向运动，并且多瓣式环状辅助侧模保持恒温并保持与蒜头表面的接触，从而向蒜头表面补充热量与施加压力，促进蒜头发生动态再结晶引起晶粒细化，蒜头表面受到多瓣式环状辅助侧模的约束而使得外形得到改善。

Description

一种侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法
技术领域
本发明属于材料加工工程中金属塑性成形领域。具体涉及大规格电镦成形坯件的晶粒匀细化和形状控制工艺改进技术。
背景技术
电镦工艺是应用于气阀这类超大变截面杆形锻件的局部精准聚料制坯工艺。通过加载在电极上的可变直流电，杆料依靠自身电阻迅速将局部杆料加热至热塑性变形温度以上，同时在杆料的冷端面施加一定的镦粗力，使杆料持续进入加热区并产生连续的局部镦粗变形，以实现杆料的局部连续聚料。
在电镦过程中，随着电镦件规格的不断提高，电镦件直径也逐渐增大。电镦件直径的增大，会影响杆料自身电阻产生的热量与外界环境的交换，导致塑性变形部位内部与外部温差较大，引起内部晶粒粗化。另外，杆料的塑性变形部位会由于复杂的参数变化产生波浪和歪斜等宏观的形状缺陷。这些形状缺陷会直接影响锻造过程，造成杆料失稳和折叠，进而影响气阀件的性能。电镦件宏观形状和内部晶粒度都会影响电镦件的性能，传统电镦工艺很难同时控制这两个因素，因此发明一种既能控制电镦件宏形状又能使晶粒匀细化的电镦工艺改进技术不可或缺。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，解决现有技术中难以同时控制电镦件的宏观形状与微观晶粒度的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，杆料、夹持电极、砧子电极在通电情况下形成闭合的电流回路，杆料依靠自身电阻生热，升温至热塑性变形温度，在镦粗缸与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，当蒜头直径不断增大并达到稳定阶段且晶粒粗化速度大于粗化速度阈值时，将预热完成的多瓣式环状辅助侧模夹持在蒜头表面；在后续电镦的过程中，多瓣式环状辅助侧模随着砧子电极同步轴向运动，并且多瓣式环状辅助侧模保持恒温并保持与蒜头表面的接触，从而向蒜头表面补充热量与施加压力，促进蒜头发生动态再结晶引起晶粒细化，蒜头表面受到多瓣式环状辅助侧模的约束而使得外形得到改善。
进一步的，多瓣式环状辅助侧模向蒜头施加恒定压力：多瓣式环状辅助侧模以恒定的压力来保持与蒜头表面的接触，并且随着蒜头直径的增大而扩张。
进一步的，多瓣式环状辅助侧模向蒜头施加变压力：多瓣式环状辅助侧模以恒定的下压量来保持与蒜头表面的接触，在蒜头聚料过程中，蒜头受到多瓣式环状辅助侧模的约束使得蒜头直径不发生增大，但是受到多瓣式环状辅助侧模的动态变化的反作用力。
进一步的，多瓣式环状辅助侧模包括若干形成等间隔环状分布的夹持块，砧子电极基座上对应各个夹持块分别设有支架，各夹持块通过液压机连接在相应的支架上，从而使得各夹持块能够在液压机的作用下径向伸缩。
进一步的，夹持块内表面为凹弧面或平面。
与现有技术相比，本发明具有的优点包括：
1、本发明与传统电镦工艺相比，具有控形和控性双重优点。当侧模与杆料蒜头部位接触时，侧模向蒜头表面补充热量，以减小蒜头内外部的温度差，蒜头内外部均处在利于晶粒细化的温度范围内。蒜头表面温度升高避免蒜头表面温度过低而硬化，从而避免硬化引发的晶粒破碎和形状缺陷，如波纹等，同时蒜头外表面温度仍然低于蒜头内部温度，使蒜头内部能够向外散热，避免蒜头内部温度过高而导致晶粒长大。
2、在温度范围适宜晶粒细化的同时，侧模沿杆料径向的移动对变形部位杆料产生一定压力，促进变形杆料发生动态再结晶引起晶粒细化，降低电镦件的整体晶粒度。此外，侧模的束缚可以避免变形部位波浪、歪斜等宏观缺陷的产生，使电镦件形状饱满平滑更利于模锻。
3、本发明通过恒压力或变压力的方式对蒜头施压，方式十分灵活，且各有益处：恒压力方式时，侧模随着蒜头直径的增大而扩张，使得蒜头能继续增大而获得较大的直径，利于后期加工。变压力方式时，侧模限制了蒜头的径向增大，蒜头直径可根据下压量进行控制。
4、本发明的多瓣式环状辅助侧模可根据需要灵活设置夹持块数量，夹持块内表面形状也可根据需要的蒜头表面形状进行设置。当夹持块内表面为凹弧面时，夹持块与蒜头外表面接触更加均匀，补热效果更加均匀，更能降低硬化现象。
5、将多瓣式环状辅助侧模安装在砧子电极基座上，使得多瓣式环状辅助侧模能够与砧子电极同步轴向移动，并且无需额外轴向移动机构，大大简化了结构，降低了成本。
6、夹持块采用导电材料制成，方便进行电加热，同时，夹持块内表面涂覆有绝缘材料层，避免对电镦电流回路造成影响。
附图说明
图1为本具体实施方式中侧模辅助电镦装置的结构示意图；
图2为本具体实施方式中多瓣式环状辅助侧模的立体结构图；
图3为本具体实施方式中多瓣式环状辅助侧模的正视图；
图4为根据杆料直径d来计算侧模下压量的示意图；
图5为不同侧模预热温度条件下侧模辅助电镦与传统电镦平均晶粒尺寸对比图；
图6为不同侧模下压量条件下侧模辅助电镦与传统电镦平均晶粒尺寸对比图；
图7为采用传统电镦工艺的蒜头外形图；
图8为采用本具体实施方式中侧模辅助电镦工艺的蒜头外形图。
具体实施方式
参考图1所示，对本具体实施方式中所采用的侧模辅助电镦装置进行介绍，在砧子电极5、杆料3、夹持电极2、电阻加热副边线圈6形成的闭合回路中通以可变的直流电流,杆料3依靠自身电阻生热，快速升温至热塑性变形温度。镦粗缸4以一定的镦粗力向左移动送进杆料，砧子电极5以恒定速度后退，两者之间的速度差使高温部位产生塑性变形，实现电镦聚料过程。多瓣式环状辅助侧模 1通过加热线圈7进行加热。
参考图2与图3所示，多瓣式环状辅助侧模包括若干形成等间隔环状分布的夹持块11，砧子电极5的砧子电极基座51上对应各个夹持块11分别设有支架 13，各夹持块11通过液压机12连接在相应的支架13上，从而使得各夹持块11 能够在液压机12的作用下径向伸缩。多瓣式环状辅助侧模具有两个夹持块、三个夹持块、四个夹持块或者五个及以上数量的夹持块。夹持块内表面为凹弧面或平面；夹持块采用导电材料制成，夹持块内表面涂覆有绝缘材料层；通过加热线圈对夹持块进行电加热。
一种侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，杆料、夹持电极、砧子电极在通电情况下形成闭合的电流回路，杆料依靠自身电阻生热，升温至热塑性变形温度，在镦粗缸与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，当蒜头直径不断增大并达到稳定阶段且晶粒粗化速度大于粗化速度阈值时，将预热完成的多瓣式环状辅助侧模夹持在蒜头表面；在后续电镦的过程中，多瓣式环状辅助侧模随着砧子电极同步轴向运动，并且多瓣式环状辅助侧模保持恒温并保持与蒜头表面的接触，从而向蒜头表面补充热量与施加压力，促进蒜头发生动态再结晶引起晶粒细化，蒜头表面受到多瓣式环状辅助侧模的约束而使得外形得到改善。
根据蒜头内外部温度差范围来确定侧模预热温度，蒜头内外部温度差范围限制在430～450℃内，侧模预热温度应大于蒜头内部温度430～450℃。侧模预热温度通过加热线圈的电流来进行控制。蒜头内部温度通过有限元模拟得到。
多瓣式环状辅助侧模可通过以下两种方式性蒜头施加压力：
多瓣式环状辅助侧模向蒜头施加恒定压力：多瓣式环状辅助侧模以恒定的压力来保持与蒜头表面的接触，并且随着蒜头直径的增大而扩张。根据最大镦粗力 FD来确定侧模向蒜头施加的压力FC：FC＝λFD,λ表示系数，λ∈[0.4,0.5]。
多瓣式环状辅助侧模向蒜头施加变压力：多瓣式环状辅助侧模以恒定的下压量来保持与蒜头表面的接触，在蒜头聚料过程中，蒜头受到多瓣式环状辅助侧模的约束使得蒜头直径不发生增大，但是受到多瓣式环状辅助侧模的动态变化的反作用力。下压量与施加压力的平均值存在一定关系，下压量越大，侧模压力施加的压力就越大。
侧模下压量根据杆料直径d来确定或者根据下压量范围来确定：
参考图4所示，由于蒜头半径约等于杆料直径，因此根据杆料直径d来确定侧模下压量h：h＝h0-k·d，其中，h0表示侧模内表面距离杆料中心的最大初始距离，k表示系数，k∈[1.28,1.35]。
根据下压量范围来确定侧模下压量h：从侧模内表面与蒜头表面刚好接触开始，侧模朝向蒜头中心径向移动0～4mm。
下面针对具体的杆料的进行说明，采用的Nimonic 80A超合金杆坯的直径为57mm，长度为800mm，杆坯总行程为529mm，电镦装置的最大镦粗力为520kN。具体的实施方案是在电镦初期，侧模通电加热到预定温度，与砧子电极同步后退。当坯料蒜头形状形成且基本稳定的时候，侧模对蒜头进行压力与热量补偿。
随着坯料聚料的持续进行，当聚料的蒜头直径不断增加并达到稳定阶段且晶粒粗化速率大于4μm/s时，与砧子电极一同后退的四瓣式环状辅助侧模已被加热到预定温度，开始径向运动一定距离与蒜头表面接触，然后停止径向运动(施加变压力)。
以传统电镦参数加载方案作为对照，对比侧模辅助电镦在不同侧模温度和侧模下压量对晶粒尺寸的影响，以及对传统电镦与侧模电镦形状进行对比。
在相同的变形程度条件下，保证侧模下压量相同，分别以650℃、700℃、 750℃、800℃、850℃的侧模温度进行侧模辅助电镦成形。对比结果如图5所示，对照组采用传统电镦工艺，其晶粒尺寸远大于采用侧模辅助工艺的晶粒尺寸， 700℃下的侧模辅助工艺形成的晶粒尺寸最小。
在相同的变形程度条件下，保证侧模温度相同，分别以40mm、41mm、42mm、 43mm、44mm的侧模下压量进行侧模辅助电镦成形。对比结果如图6所示，对照组采用传统电镦工艺，其晶粒尺寸远大于采用侧模辅助工艺的晶粒尺寸，43mm 侧模下压量(平均反作用力为230kN)下的侧模辅助工艺形成的晶粒尺寸最小。
传统工艺形成的蒜头其外形如图7所示，表面发生了明显的波浪和外型的宏观形状缺陷，采用本具体实施方式的侧模辅助电镦工艺的蒜头外形如图8所示，蒜头表面较为平坦，没有明显的歪斜和波浪。
由以上结果对比可以得出以下结论：
①侧模辅助电镦成形工艺与传统电镦工艺相比，能够起到明显的晶粒细化效果，在侧模温度700℃，侧模下压量43mm条件下，晶粒细化效果最为明显。侧模温度过高会影响坯料散热，导致晶粒长大；温度过低时，会导致局部材料硬化，减小坯料与侧模的接触面积，降低散热效率。下压量过小时和过大时细化效果都相对不明显。
②侧模电镦辅助成形工艺聚料形状比传统电镦表面平滑，有效避免了蒜头的波浪、歪等宏观形状缺陷的产生。起到了很好的形状控制效果。
另外，采用恒压控制时，设置液压机的恒定压力230KN，当晶粒粗化速率达到临界值时液压机开始运动直至压力达到230KN，随着蒜头直径的不断扩大，在恒定压力条件下，侧模可以自适应的进行径向位移的调整。

Claims (8)

1.一种侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，杆料、夹持电极、砧子电极在通电情况下形成闭合的电流回路，杆料依靠自身电阻生热，升温至热塑性变形温度，在镦粗缸与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，其特征在于：当蒜头直径不断增大并达到稳定阶段且晶粒粗化速度大于粗化速度阈值时，将预热完成的多瓣式环状辅助侧模夹持在蒜头表面；在后续电镦的过程中，多瓣式环状辅助侧模随着砧子电极同步轴向运动，并且多瓣式环状辅助侧模保持恒温并保持与蒜头表面的接触，从而向蒜头表面补充热量与施加压力，促进蒜头发生动态再结晶引起晶粒细化，蒜头表面受到多瓣式环状辅助侧模的约束而使得外形得到改善；多瓣式环状辅助侧模向蒜头施加恒定压力或变压力，分别按如下方式：
多瓣式环状辅助侧模向蒜头施加恒定压力：多瓣式环状辅助侧模以恒定的压力来保持与蒜头表面的接触，并且随着蒜头直径的增大而扩张；
多瓣式环状辅助侧模向蒜头施加变压力：多瓣式环状辅助侧模以恒定的下压量来保持与蒜头表面的接触，在蒜头聚料过程中，蒜头受到多瓣式环状辅助侧模的约束使得蒜头直径不发生增大，但是受到多瓣式环状辅助侧模的动态变化的反作用力。
2.根据权利要求1所述的侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，其特征在于：根据最大镦粗力FD来确定侧模向蒜头施加的压力FC：FC＝λFD，λ表示系数，λ∈[0.4，0.5]。
3.根据权利要求1所述的侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，其特征在于：粗化速度阈值为3～6μm/s。
4.根据权利要求1所述的侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，其特征在于：根据蒜头内外部温度差范围来确定侧模预热温度，蒜头内外部温度差范围限制在430～450℃内，侧模预热温度应大于蒜头内部温度430～450℃。
5.根据权利要求1所述的侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，其特征在于：侧模下压量根据杆料直径d来确定或者根据下压量范围来确定：
根据杆料直径d来确定侧模下压量h：h＝h0-k·d，其中，h0表示侧模内表面距离杆料中心的最大初始距离，k表示系数，k∈[1.28，1.35]；
根据下压量范围来确定侧模下压量h：从侧模内表面与蒜头表面刚好接触开始，侧模朝向蒜头中心径向移动0～4mm。
6.根据权利要求1所述的侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，其特征在于：多瓣式环状辅助侧模包括若干形成等间隔环状分布的夹持块，砧子电极基座上对应各个夹持块分别设有支架，各夹持块通过液压机连接在相应的支架上，从而使得各夹持块能够在液压机的作用下径向伸缩。
7.根据权利要求1所述的侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，其特征在于：多瓣式环状辅助侧模具有两个夹持块、三个夹持块、四个夹持块或者五个及以上数量的夹持块。
8.根据权利要求6所述的侧模辅助动态调控晶粒细化的电镦成形方法，其特征在于：夹持块内表面为凹弧面或平面；夹持块采用导电材料制成，夹持块内表面涂覆有绝缘材料层；通过加热线圈对夹持块进行电加热。
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