CN112008025B - 一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺及模具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺及模具，涉及锻造技术领域，包括步骤一，以长方坯为初始坯料，使用凸面型砧进行高温自由锻成形，得到截面为哑铃形的长条坯料；步骤二，将长条坯料沿中心线切割，得到两块两侧的厚度不同且平滑过渡的预制坯；步骤三，使用带有导流槽和两侧非对称挡板的自由锻终锻拔长模具将切开后的预制坯进行高温锻造拔长，使预制坯外侧区域的材料厚度减薄并沿送进方向伸长，迫使预制坯向内侧弯曲，从而成形得到大型弯刀板类锻件。通过以上所述自由锻工艺方法和模具，实现了大型弯刀板类锻件的锻造成形，能够提高锻件性能和材料利用率，降低设备载荷，改善锻件成形效果并提高生产效率。

Description

一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺及模具
技术领域
本发明涉及锻造技术领域，特别是涉及一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺及模具。
背景技术
大型弯刀板类锻件的成形是大锻件生产的一大难题。特别是数十吨甚至百吨级的大型弯刀锻件，由于其重量大、形状复杂，锻造过程中难以有效控制其成形尺寸和材料内部性能，目前尚未发现大型弯刀板类锻件的合理有效的锻造加工方法。现有的弯刀板类零件加工方式或是采用大尺寸板坯直接切割成弯刀板类零件；或是采用碾环加工方法或环形坯料镦粗减薄方法得到相应尺寸的圆环锻件后再按照尺寸需求切取圆环的一段，得到所需的弯刀板类零件。但当弯刀板类零件尺寸较大时，上述方法会存在诸多问题：(1)用板坯直接切割出弯刀板类零件会造成大量材料浪费，且零件内部组织流线不连续，严重影响其服役性能；(2)采用碾环或圆环锻造切割方法加工大型弯刀板类锻件时，工件的尺寸常常会超出碾环设备和锻压设备的可加工尺寸范围，且对设备工作能力要求极高，当设备吨位不足时难以获得所需尺寸的锻件。此外，大型锻件锻造加工过程时间长、工步多，特别是弯刀板类锻件散热冷却快，变形区域温度难以控制，且弯刀形状难以加工成形，给实际生产带来困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺及模具，以解决上述现有技术存在的问题，成形过程简单、火次少，能够提高材料利用率，改善锻件内部流线分布和组织性能，并且降低压机载荷需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺，包括如下步骤：
步骤一、自由锻预制坯：以大型弯刀板锻件所用材料的长方坯为初始坯料，加热到始锻温度并保温均热，使用上下对称的凸面型砧预制坯模具进行预制坯锻造，得到截面哑铃形的长条坯料；
步骤二、将截面为哑铃形的长条坯料沿中心线切割，得到两块预制坯；
步骤三、自由锻终锻拔长：将预制坯加热到始锻温度并保温均热，送进到终锻模具中；使用上、下砧带有导流槽和两侧带有非对称挡板的终锻模具进行逐步锻造拔长，每次送进压下后仅上下砧之间的材料区域发生变形，使预制坯厚侧区域厚度减薄并使材料向曲线内侧流动，经过多个压下工步的变形累积后，迫使预制坯逐步向内侧弯曲，实现弯刀板类锻件的锻造成形。
可选的，所述预制坯两侧厚度不同，且所述预制坯的薄侧与厚侧的厚度比值为0.4～0.9之间。
可选的，自由锻终锻拔长工艺过程中砧宽比为进砧量与预制坯厚侧厚度的比值，为0.4～1.6之间；料宽比为预制坯宽度与预制坯厚侧厚度的比值，为1～5之间。
可选的，步骤三中，自由锻工艺参数选择根据锻造过程数值仿真分析和实验结果确定，根据不同的锻件形状和工艺条件，确定模具尺寸和工艺参数。
可选的，步骤三中，预制坯在送进自由锻终锻拔长模具前经过模前加热炉进行局部加热和控温。
本发明还提供一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形模具，包括自由锻预制坯模具和终锻模具；所述自由锻预制坯模具包括两个对称设置的矩形模具块，两个所述矩形模具块的对称面上均设置有平滑的弧形凸起；终锻模具包括带有导流槽的上砧、下砧，所述导流槽向锻件弯曲的内侧方向偏转，所述导流槽方向与坯料送进方向之间夹角范围为10°～45°。
可选的，终锻模具为长方形的带导流槽平砧，或内外侧砧宽不同的梯形砧。
可选的，所述终锻模具的两侧设置有非对称结构的挡板；位于弯刀板锻件弯曲内侧的挡板的终止端位置处于上砧和下砧宽区域的1/4处到3/4处之间，且内侧挡板终止端带有圆角；外侧挡板终止端超出上砧和下砧的砧宽区域；所述终锻模具的下模两侧挡板之间距离与预制坯宽度相同。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺及模具通过带有内外侧非对称挡板的自由锻模具对内外侧不等厚的预制坯进行锻造，能够方便、高效率地成形大型弯刀板类锻件，有利于改善锻件质量、提高材料利用率并减少锻造工序。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中预制坯自由锻模具示意图；
图2为本发明中的预制坯制造过程示意图；
图3为本发明中自由锻终锻拔长模具上模示意图；
图4为本发明中自由锻终锻拔长模具下模示意图；
图5为本发明中弯刀板类锻件成形工艺流程示意图；
图6为本发明中弯刀板锻件形状图；
图中：1、长方坯，2、预制坯上模，3、预制坯下模，4、预制坯，5、终锻上模，6、终锻下模；7、模前加热炉，8、弯刀板锻件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺及模具，以解决上述现有技术存在的问题，成形过程简单、火次少，能够提高材料利用率，改善锻件内部流线分布和组织性能，并且降低压机载荷需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺及模具，具体实施方案包括：以长方坯为初始坯料，加热到始锻温度并保温均热，使用上下对称的凸面型砧进行锻造，通过多工步送进和压下，得到截面形状近似为哑铃形的长条坯料。将截面形状近似为哑铃形的长条坯料沿中心线切割，得到两块预制坯，预制坯两侧的厚度不同且平滑过渡。上述预制坯将用于后续的大型弯刀板类锻件自由锻终锻拔长成形，终锻拔长成形后预制坯的厚侧成为弯刀锻件的曲线外侧，预制坯的薄侧成为弯刀锻件的曲线内侧；
预制坯两侧厚度不同，预制坯薄侧，即终锻拔长后成为弯刀锻件的内侧；厚度与厚侧，即终锻拔长后成为弯刀锻件的外侧厚度的比值范围为0.4～0.9；
非等厚预制坯的制备方法仅为本发明提出的一种用于大型弯刀板类锻件生产的预制坯制备方法，并不对本发明构成限制，凡采用两侧不等厚的坯料并使用本发明后续所述的大型弯刀板类锻件自由锻终锻成形工艺方法及模具进行弯刀板类锻件锻造成形的制造方法，均属于本发明保护的权利范围内。
将两侧不等厚的预制坯加热到始锻温度并保温均热，送进到自由锻终锻拔长模具中。使用上、下砧带有导流槽且下模两侧带有非对称挡板的自由锻终锻拔长模具进行多工步锻造拔长，每次送进压下后仅上、下砧之间的材料区域发生变形，经过多个压下工步的变形后，使预制坯厚侧区域的厚度减薄并使材料向弯刀板类锻件的曲线内侧流动，迫使预制坯逐步向内侧弯曲，实现弯刀板类锻件的锻造成形；自由锻终锻拔长过程中，预制坯采用砧型上下对称的自由锻终锻拔长模具进行终锻成形。且在自由锻终锻拔长过程中，预制坯的未变形端由操作机夹持并按照终锻上模压下的速度0.5倍向下运动，以减少和避免由于预制坯的上下非对称变形而引起的锻件翘曲缺陷；大型弯刀板类锻件自由锻终锻拔长模具的上、下砧加工有导流槽，导流槽向弯刀板类锻件弯曲的内侧方向偏转一定角度，以促使材料沿导流槽向弯曲方向的内侧流动，导流槽方向与坯料送进方向之间夹角范围为10°～45°；大型弯刀板类锻件自由锻终锻拔长模具砧宽比(进砧量/预制坯厚侧厚度To)为0.4～1.6，料宽比(预制坯宽度W/预制坯厚侧厚度To)为1～5。
弯刀锻件自由锻终锻拔长模具采用但不限于使用长方形平砧，根据工艺需求可采用内外侧砧宽不同的梯形砧等；大型弯刀板类锻件自由锻终锻拔长模具的下模两侧带有非对称挡板。其中，内侧挡板的终止端位置处于砧宽区域的1/4处到3/4处之间，且内侧挡板终止端带有圆角；外侧挡板终止端超出上下砧的砧宽区域。下模两侧挡板之间距离与预制坯宽度相同W。
采用上述自由锻方法成形弯刀板类锻件，在一定工艺范围内，成形后锻件曲率半径预估方法如公式(1)所示：
R/W＝[exp(1.69t)-1.48]θ+[exp(2.57t)-2.1]λ+exp(0.57t)+1.06 (1)
公式(1)中W与R分别为成形后锻件的宽度和中心线曲率半径，θ为终锻砧宽比，λ为终锻料宽比，t为预制坯薄侧厚度Ti与厚侧厚度To的比值。根据所需成形的锻件尺寸，通过上述公式即可计算合适的锻造工艺参数(θ，λ，t)。
实施例1
为了更清楚地说明本发明的工艺过程，以下采用大型弯刀板支撑件的自由锻锻加工过程为例，对本发明的实施过程做进一步详细说明。锻造过程分为以下步骤：
步骤1：
设计成形模具及预制坯尺寸：如图1、2、3和4所示，成形模具分为自由锻预制坯模具和自由锻终锻拔长模具。根据零件形状尺寸、加工余量和材料热膨胀率确定弯刀板热锻件尺寸。根据弯刀板热锻件形状，确定其厚度T、宽度W0以及中心线曲率半径R。预制坯的宽度W与热锻件宽度W0相同。预制坯薄侧厚度Ti与热锻件厚度T相同。初选预制坯薄侧与厚侧的厚度比的数值t，并确定预制坯的厚侧的厚度To＝Ti/t。进一步的，自由锻终锻拔长过程料宽比λ＝W/To即可确定。将弯刀板热锻件的中心线曲率半径R、自由锻终锻拔长料宽比λ和预制坯薄侧与厚侧的厚度比t代入到预估公式(1)中，可得自由锻终锻拔长工艺的砧宽比为θ，进一步的，确定自由锻终锻拔长模具如图2、3中所示，所用自由锻终锻拔长模具的上下砧为带有导流槽的梯形平砧，并确定其相应的尺寸以及拔长进砧量。
如图1所示，根据确定的预制坯宽度W、薄侧厚度Ti、厚侧厚度To，确定预制坯4的截面轮廓尺寸。根据弯刀板热锻件体积计算预制坯的长度L，L中应包含操作机所需的夹持区域尺寸。根据预制坯截面轮廓尺寸确定自由锻预制坯模具的形状，如图1中所示。
如图1所示，采用一坯两件的自由锻预制坯模具进行预制坯的锻造成形。初始长方坯厚度Tr与预制坯厚侧厚度To相同。初始长方坯截面积等于单块预制坯截面积的2倍加上切割余量。根据体积不变原则计算得到初始长方坯的宽度Wr。初始长方坯长度与预制坯长度L相同。
步骤2：
自由锻预制坯成形：将长方坯加热至始锻温度，按工艺要求保温一定时间，使长方坯温度均匀。如图5所示，将长方坯1放入自由锻预制坯上模2、预制坯下模3之间，使用液压机进行成形，预制坯上模2压下速度为5～25mm/s，经过多工步送进和压下后得到截面为哑铃形的长条坯料。将成形的长条坯料沿中心线切割，得到两块预制坯。
步骤3：
自由锻终锻拔长成形：将预制坯加热至始锻温度，按工艺要求保温一定时间，使温度均匀。如图5所示，将预制坯4送进到自由锻终锻拔长模具的终锻上模5和终锻下模6中，使用液压机进行成形。由于拔长工步多时间长，为保持预制坯4变形区域的温度稳定，在自由锻终锻拔长模具的终锻上模5和终锻下模6前设置模前加热炉7。预制坯4在穿过模前加热炉7的过程中进行局部加热和控温，从而保证预制坯4在合适的成形温度下变形。进砧量按照实施例1的步骤1中的砧宽比θ确定。经过多工步拔长，得到最终的大型弯刀板锻件8。
本实施例用于生产制造大型弯刀板类锻件，成形后锻件尺寸满足机械加工所需的形状要求，如图6所示的弯刀板锻件8。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、自由锻预制坯：以大型弯刀板锻件所用材料的长方坯为初始坯料，加热到始锻温度并保温均热，使用上下对称的凸面型砧预制坯模具进行预制坯锻造，得到截面哑铃形的长条坯料；
步骤二、将截面为哑铃形的长条坯料沿中心线切割，得到两块预制坯；
步骤三、自由锻终锻拔长：将预制坯加热到始锻温度并保温均热，送进到终锻模具中，预制坯在送进自由锻终锻拔长模具前经过模前加热炉进行局部加热和控温；使用上、下砧带有导流槽和两侧带有非对称挡板的终锻模具进行逐步锻造拔长，每次送进压下后仅上下砧之间的材料区域发生变形，使预制坯厚侧区域厚度减薄并使材料向曲线内侧流动，经过多个压下工步的变形累积后，迫使预制坯逐步向内侧弯曲，实现弯刀板类锻件的锻造成形；终锻工艺参数与成形后锻件曲率半径之间关系如公式(1)所示：
R/W＝[exp(1.69t)-1.48]θ+[exp(2.57t)-2.1]λ+exp(0.57t)+1.06 (1)
公式(1)中W与R分别为成形后锻件的宽度和中心线曲率半径，θ为终锻砧宽比，λ为终锻料宽比，t为预制坯薄侧厚度Ti与厚侧厚度To的比值；自由锻终锻拔长工艺过程中砧宽比为进砧量与预制坯厚侧厚度的比值，为0.4～1.6之间；料宽比为预制坯宽度与预制坯厚侧厚度的比值，为1～5之间；根据所需成形的锻件尺寸，通过上述公式即可计算合适的锻造工艺参数θ，λ，t，并进一步确定模具与坯料的尺寸。
2.根据权利要求1所述的大型弯刀板类锻件的自由锻成形工艺，其特征在于：所述预制坯两侧厚度不同，且所述预制坯的薄侧与厚侧的厚度比值为0.4～0.9之间。
3.一种大型弯刀板类锻件的自由锻成形模具，其特征在于：包括自由锻预制坯模具和终锻模具；所述自由锻预制坯模具包括两个对称设置的矩形模具块，两个所述矩形模具块的对称面上均设置有平滑的弧形凸起；终锻模具包括带有导流槽的上砧、下砧，所述导流槽向锻件弯曲的内侧方向偏转，所述导流槽方向与坯料送进方向之间夹角范围为10°～45°；所述终锻模具的两侧设置有非对称结构的挡板；位于弯刀板锻件弯曲内侧的挡板的终止端位置处于上砧和下砧的砧宽区域的1/4处到3/4处之间，且内侧挡板终止端带有圆角；外侧挡板终止端超出上砧和下砧的砧宽区域；所述终锻模具的下模两侧挡板之间距离与预制坯宽度相同。
4.根据权利要求3所述的大型弯刀板类锻件的自由锻成形模具，其特征在于：终锻模具为长方形的带导流槽平砧，或内外侧砧宽不同的梯形砧。
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