CN112170747B - 高温合金盆形环锻件辗轧成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金盆形环锻件辗轧成形方法，通过充分利用材料特性，优选地设计坯料尺寸，使矩形环坯下半部分受主辊和芯辊共同约束，壁厚变薄，外径增大，环坯上半段自由态部分，受坯料下半部分径轴尺寸双向变化带来的拉拽力影响，以及材料本身流动性的共同作用，径向尺寸增大并逐步向芯辊靠拢，只使用专用异形芯辊和通用直筒主辊实现最终成形。在盆形环锻件成型过程中减少异形主辊、异形芯辊、专用异形衬套等难加工、通用性差的轧制工装的使用，延长了辗环机主辊及芯辊的使用寿命。节约了生产成本，提高了生产效率，保证了产品的按时交付。这种高温合金盆形环锻件辗轧成形方法主要用于航空、航天的高温合金盆形环锻件加工中。

Description

高温合金盆形环锻件辗轧成形方法

技术领域：

本发明涉及一种异形环锻件辗轧成形方法，特别是涉及了一种高温合金盆形环锻件辗轧成形的方法。

背景技术：

异形环锻件是指截面为非矩形状态的环形锻件，是航空发动机的一类重要零件，通常由锻造厂提供的毛坯环锻件机加而成。在现有的技术中，如果要通过辗轧成形异形环锻件毛坯。需要利用辗环机的专用异形芯辊和异形主辊配合锥辊共同作用才能完成加工。或者在通用主辊和通用芯辊上套装与异形环锻件最终尺寸相配套的主辊衬套和芯辊衬套，之后通过辗轧成形异形环锻件。这样的加工方式需要在前期准备专用的异形芯辊和异形主辊，或者是专用的主辊衬套和芯辊衬套。极大延长了生产周期，还会造成非通用工装的大量浪费。

常见的航空发动机高温合金盆形零件是一类通过大型高温合金盆形环锻件坯料加工得到的零件。现有高温合金盆形环锻件普遍采用异形环坯环轧成形，因内外径均有型面，故采用异形芯辊和异形主辊共同约束完成辗轧过程。此方案需用专用异形芯辊和异形主辊，且进行环轧的高温合金盆形环锻件原始坯料必须在最后成型之前就制成与最后成型尺寸相近形状的荒型。异形主辊及异形芯辊加工难度大，周期长，锻件制荒型困难，步骤繁琐。且异形芯辊在加工环锻件的过程中极易变形报废。高温合金盆形环锻件整体交付周期受异形主辊及异形芯辊加工周期影响较大，普遍交付周期较长。

2019年2月22日公开的中国发明专利CN 109365700A公开了一种复杂变截面锻件合锻碾轧成形方法。其本质是通过在通用主辊和通用芯辊上套装专用衬套，利用辗环机加工C形异形环锻件。该方法通过设计对称环锻件坯料，提高了精确制造的可能性，降低了复杂截面异形环锻件的制造难度。但前期制作专用衬套困难，且衬套在辗环时极易变形，会卡死在主辊和芯辊上。造成衬套、主辊、芯辊大量报废。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种成形效果良好，可在一定程度上减少使用辗环机专用异形工装的高温合金盆形环锻件成形方法。该方法通过充分利用材料特性，优选地设计坯料尺寸，采用多次小角度弯曲拉拽变形。只使用专用异形芯辊和通用直筒主辊，生产出满足性能及尺寸要求的高温合金盆形环锻件。

为解决上述问题，本发明所述的高温合金盆形环锻件辗轧成形方法，其技术方案包括以下步骤：

根据高温合金盆形环锻件最终成形尺寸要求，设计制作专用芯辊。同时对轧制高温合金坯料尺寸进行优选设计，通过三个火次完成高温合金矩形环坯轧制。之后将制作好的专用芯辊安装在辗环机上，放置预制好的高温合金矩形环坯，启动辗环机分三次进行小角度弯曲拉拽变形轧制。

第一次小角度弯曲拉拽变形轧制：将完成加热保温的高温合金矩形环坯套在专用芯辊上。原始高温合金矩形坯料较厚，在轧制时变形抗力大。启动辗环机使芯辊向主辊方向进给，进给速率设定为0.3～0.5mm/s，主辊转速设置为10～20rad/min，锥辊施压控制原始高温合金矩形坯料整体轴向尺寸不改变。高温合金矩形环坯下半部分受主辊和芯辊共同约束，壁厚变薄，外径增大。上半部分为自由态，受高温合金坯料下半部分径轴尺寸双向变化带来的拉拽力影响，以及材料本身流动性的共同作用，径向尺寸增大并逐步向芯辊靠拢，与水平面形成瞬时夹角α。当倾斜角度达到最终成形的高温合金盆形环锻件要求的角度的1/3时芯辊停止进给，主辊保持转速20s。取下高温合金坯料回炉加热保温。

第二次小角度弯曲拉拽变形轧制：将第一次轧制完成的高温合金坯料取出套在专用芯辊上。因已经过一次弯曲拉拽变形，高温合金坯料厚度减小，变形抗力相应减小。芯辊向主辊方向进给，调整进给速率为0.5～1.0mm/s,主辊转速设置为10～20rad/min，锥辊施压控制高温合金矩形坯料整体轴向尺寸不改变。高温合金环坯下半部分受主辊和芯辊共同约束，壁厚进一步变薄，外径进一步增大。上半部分为自由态，受高温合金坯料下半部分径轴尺寸双向变化带来的拉拽力影响，以及材料本身流动性的共同作用，径向尺寸进一步增大并再次逐步向芯辊靠拢，与水平面形成瞬时夹角α。当倾斜角度达到最终成形的高温合金盆形环锻件要求的角度的2/3时芯辊停止进给，主辊保持转速20s。取下坯料回炉加热保温。

第三次小角度弯曲拉拽变形轧制：将完成两次轧制的高温合金坯料取出套在专用芯辊上。因已经过两次弯曲拉拽变形，高温合金坯料厚度已经很小，变形抗力也很小。芯辊向主辊方向进给，调整进给速率为1.0～1.5mm/s,主辊转速设置为10～20rad/min，锥辊施压控制高温合金矩形坯料整体轴向尺寸不改变。高温合金环坯下半部分受主辊和芯辊共同约束，壁厚再变薄，外径再增大。上半部分为自由态，受高温合金坯料下半部分径轴尺寸双向变化带来的拉拽力影响，以及材料本身流动性的共同作用，径向尺寸再增大并再次逐步向芯辊靠拢，与水平面形成瞬时夹角α。当倾斜角度达到最终成形的高温合金盆形环锻件要求的角度时芯辊停止进给，主辊保持转速30s。此时高温合金坯料已完成轧制，上半部分完全贴合芯辊，高温合金坯料整体尺寸达到要求。

进一步地，所述高温合金盆形环锻件辗轧成形方法所用坯料为GH4169。

进一步地，所述高温合金盆形环锻件辗轧成形方法芯辊为专用异形芯辊，主辊为通用直筒主辊。

进一步地，所述高温合金盆形环锻件辗轧成形方法中原始坯料的优选尺寸设计基于以下经验公式：

高温合金原始坯料高度H₀按下列公式计算确定：

H₀＝H+L·sinα——公式1

式中：

H₀——原始高温合金坯料高度，mm；

H——受芯辊及主辊共同约束的高温合金坯料下半部分高度，mm；

L——高温合金坯料自由态部分长度，mm；

α——上半部分自由态高温合金坯料与水平面夹角；

原始坯料内径D与外径D₁按下列公式计算确定：

式中：

D——原始高温合金坯料内圆直径，mm；

D₁——原始高温合金坯料外圆直径，mm；

D₂——最终成形锻件下半部分内圆直径，mm；

D₃——最终成形锻件下半部分外圆直径，mm；

H₀——原始高温合金坯料高度，mm；

H——受芯辊及主辊共同约束的高温合金坯料下半部分高度，mm；

D₁＝(0.5～0.7)D₃——公式3

式中：

D₁——原始高温合金坯料外圆直径，mm；

D₃——最终成形锻件下半部分外圆直径，mm；

在以上公式中，H、L、α、D₂、D₃都可在锻件图纸中获得，原始高温合金坯料全部尺寸均可通过联立公式1～3计算确定。

进一步地，所述高温合金盆形环锻件辗轧成形方法D₁的取值范围为(0.5～0.7)D₃。经大量实验证明，当D₁<0.5D₃时会出现高温合金坯料自由态部分无法与芯辊贴合，尺寸不合格；当D₁>0.7D₃时高温合金坯料自由态部分会出现严重堆料，造成最终高温合金盆形锻件上厚下薄，尺寸不合格。

进一步地，所述高温合金盆形环锻件辗轧成形方法上半部分自由态坯料与水平面夹角α的适用范围为60～90°。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过充分利用材料特性，优选地设计坯料尺寸，使高温合金矩形环坯下半部分受主辊和芯辊共同约束，壁厚变薄，外径增大。高温合金环坯上半段自由态部分，受高温合金坯料下半部分径轴尺寸双向变化带来的拉拽力影响，以及材料本身流动性的共同作用，径向尺寸增大并逐步向芯辊靠拢，最终成形。该方法只使用专用异形芯辊和通用直筒主辊，生产出满足性能及尺寸要求的高温合金盆形环锻件。在高温合金盆形环锻件成型过程中减少异形主辊、异形芯辊、专用异形衬套等难加工、易损坏、通用性差的轧制工装的使用，在一定程度上延长了辗环机主辊及芯辊的使用寿命。在不降低高温合金盆形环锻件组织性能及满足尺寸要求的情况下。节约了生产成本，提高了生产效率，缩短了生产周期，保证了产品的按时交付。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地说明。

图1是本发明所述高温合金盆形锻件辗轧成形装配示意图。

图2是本发明所述三次小角度拉拽弯曲成形轧制过程截面效果示意图。

图3是本发明所述最终成形高温合金盆形锻件截面示意图。

图4是本发明所述原始高温合金矩形坯料截面示意图。

具体实施方式

实施本发明所述的高温合金盆形环锻件辗轧成形方法需要提供锻造加热炉、压力机、辗环机、机械手等设备。下面以我国材料牌号为GH4169的高温合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：

本方法的具体步骤如下：

步骤一：GH4169合金矩形环坯优选尺寸轧制

航空发动机GH4169合金盆形环锻件最终形状要求如图3所示。图纸尺寸为H＝200mm、L＝230mm、α＝70°、D₂＝1080mm、D₃＝1200mm。

根据上述高温合金盆形环锻件辗轧成形方法中的原始坯料优选尺寸设计的经验公式：

原始高温合金坯料高度H₀按下列公式计算确定：

H₀＝H+L·sinα——公式1

式中：

H₀——原始高温合金坯料高度，mm；

H——受芯辊及主辊共同约束的高温合金坯料下半部分高度，mm；

L——高温合金坯料自由态部分长度，mm；

α——上半部分自由态高温合金坯料与水平面夹角；

原始高温合金坯料内径D与外径D₁按下列公式计算确定：

式中：

D——原始高温合金坯料内圆直径，mm；

D₁——原始高温合金坯料外圆直径，mm；

D₂——最终成形锻件下半部分内圆直径，mm；

D₃——最终成形锻件下半部分外圆直径，mm；

H₀——原始高温合金坯料高度，mm；

H——受芯辊及主辊共同约束的高温合金坯料下半部分高度，mm；

D₁＝(0.5～0.7)D₃——公式3

式中：

D₁——原始高温合金坯料外圆直径，mm；

D₃——最终成形锻件下半部分外圆直径，mm；

在本实施例中优选D₁＝0.6D₃，在上述公式中，H、L、α、D₂、D₃都已在锻件图纸中获得，GH4169合金坯料全部尺寸均可通过联立公式1～3计算确定。

经计算得：坯料高度H₀＝417mm，坯料外圆直径D₁＝720mm，坯料内圆直径D＝485mm。

GH4169合金棒材取两件经下料、加热、墩粗冲孔后进行三火次预轧成如图4所示矩形坯料，尺寸要求Ф720±5×Ф485±5×417mm。

GH4169合金坯料实际尺寸如下表：

编号	外圆直径(mm)	内圆直径(mm)	整体高度(mm)	质量(kg)
					1	735	490	418	184.8
2	728	488	419	182.6

步骤二：三次小角度拉拽弯曲变形轧制

第一次小角度拉拽弯曲变形轧制：如图1所示，将完成加热保温的GH4169合金矩形环坯4套在专用芯辊3上。因原始GH4169合金矩形坯料较厚，在轧制时变形抗力大。启动辗环机使芯辊3向主辊6方向进给，进给速率设定为0.3～0.5mm/s，主辊6转速设置为10～20rad/min，锥辊1和锥辊2施压控制矩形环坯4整体轴向尺寸不改变。矩形环坯4下半部分受主辊6和芯辊3共同约束，壁厚变薄，外径增大。上半部分为自由态，受坯料下半部分径轴尺寸双向变化带来的拉拽力影响，以及材料本身流动性的共同作用，径向尺寸增大并逐步向芯辊3靠拢，与水平面形成瞬时夹角α。当倾斜角度达到最终成形的GH4169合金盆形环锻件要求的角度的1/3时，即当α＝83°时芯辊3停止进给，主辊6保持转速20s。取下坯料回炉加热至1020℃±10℃保温6小时。

第二次小角度拉拽弯曲变形轧制：将第一次轧制完成的GH4169合金坯料4取出套在专用芯辊3上。因已经过一火轧制，坯料厚度减小，变形抗力相应减小。芯辊3向主辊6方向进给，调整进给速率为0.5～1.0mm/s,主辊6转速设置为10～20rad/min，锥辊1和锥辊2施压控制GH4169合金矩形坯料4整体轴向尺寸不改变。GH4169合金矩形坯料4下半部分受主辊6和芯辊3共同约束，壁厚进一步变薄，外径进一步增大。上半部分为自由态，受坯料下半部分径轴尺寸双向变化带来的拉拽力影响，以及材料本身流动性的共同作用，径向尺寸进一步增大并再次逐步向芯辊3靠拢，与水平面形成瞬时夹角α。当倾斜角度达到最终成形的GH4169合金盆形环锻件要求的角度的2/3时，即当α＝76°时芯辊3停止进给，主辊6保持转速20s。取下坯料回炉加热至1020℃±10℃保温6小时。

第三次小角度拉拽弯曲变形轧制：将完成两次轧制的GH4169合金坯料4取出套在专用芯辊3上。因已经过两火轧制，GH4169合金坯料厚度已经很小，变形抗力也很小。芯辊3向主辊6方向，调整进给速率为1.0～1.5mm/s,主辊6转速设置为10～20rad/min，锥辊1和锥辊2施压控制GH4169合金矩形坯料4整体轴向尺寸不改变。GH4169合金矩形环坯4下半部分受主辊6和芯辊3共同约束，壁厚再变薄，外径再增大。上半部分为自由态，受坯料下半部分径轴尺寸双向变化带来的拉拽力影响，以及材料本身流动性的共同作用，径向尺寸再增大并再次逐步向芯辊3靠拢，与水平面形成瞬时夹角α。当倾斜角度达到最终成形的GH4169合金盆形环锻件要求的角度时，即当α＝70°时芯辊3停止进给，主辊6保持转速30s。此时GH4169合金坯料已完成轧制，坯料上半部分完全贴合芯辊。

整个变形过程如图2所示，原始GH4169合金矩形坯料4逐步向芯辊3完全贴合。图2展示了三次小角度拉拽弯曲变形轧制时GH4169合金环坯的形态。

完成轧制的GH4169合金盆形环锻件具体尺寸如下表：

编号	H(mm)	L(mm)	α	D2(mm)	D3(mm)
						1	203	235	69°	1078	1235
2	202	233	70°	1081	1226

经粗加工后对GH4169合金盆形环锻件进行理化检测。抗拉强度976MPa，屈服强度566MPa，延伸率32％。机加后尺寸稳定，不发生严重变形，椭圆度0.15mm。符合图纸和标准要求。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高温合金盆形环锻件辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

该方法根据高温合金盆形环锻件最终成形尺寸要求，设计制作专用芯辊，同时对轧制坯料尺寸进行优选设计，将制作好的专用芯辊安装在辗环机上，放置预制好的矩形环坯，启动辗环机分三次进行小角度弯曲拉拽变形轧制；

第一次小角度弯曲拉拽变形轧制：将完成加热保温的矩形环坯套在专用芯辊上，芯辊向主辊方向进给，进给速率设定为0.3～0.5mm/s，主辊转速设置为10～20rad/min，锥辊施压控制原始坯料整体轴向尺寸不改变；当坯料自由态部分倾斜角度达到最终成形的高温合金盆形环锻件要求的角度的1/3时芯辊停止进给，主辊保持转速20s，取下坯料回炉加热保温；

第二次小角度弯曲拉拽变形轧制：将第一次轧制完成的坯料取出套在专用芯辊上，芯辊向主辊方向进给，调整进给速率为0.5～1.0mm/s,主辊转速设置为10～20rad/min，锥辊施压控制坯料整体轴向尺寸不改变；当坯料自由态部分倾斜角度达到最终成形的高温合金盆形环锻件要求的角度的2/3时芯辊停止进给，主辊保持转速20s，取下坯料回炉加热保温；

第三次小角度弯曲拉拽变形轧制：将完成两次轧制的坯料取出套在专用芯辊上，芯辊向主辊方向进给，调整进给速率为1.0～1.5mm/s,主辊转速设置为10～20rad/min，锥辊施压控制坯料整体轴向尺寸不改变；当坯料自由态部分倾斜角度达到最终成形的高温合金盆形环锻件要求的角度时芯辊停止进给，主辊保持转速30s，此时坯料已完成轧制，坯料上半部分完全贴合芯辊。

2.根据权利要求1所述的一种高温合金盆形环锻件辗轧成形方法，其特征在于，所述锻件材料为GH4169。

3.根据权利要求1所述的一种高温合金盆形环锻件辗轧成形方法，其特征在于，所述芯辊为专用异形芯辊，主辊为通用直筒主辊。

4.根据权利要求1所述的一种高温合金盆形环锻件辗轧成形方法，其特征在于，所述原始坯料的优选尺寸设计基于以下经验公式：

原始坯料高度H₀按下列公式计算确定：

公式①:

H₀＝H+L·sinα

式中：

H₀——原始坯料高度，mm；

H——受芯辊及主辊共同约束的坯料下半部分高度，mm；L——最终成形盆形环锻件自由态部分长度，mm；

α——最终成形盆形环锻件自由态上半部分与水平面夹角；

原始坯料内径D与外径D₁按下列公式计算确定：

公式②:

式中：

D——原始坯料内圆直径，mm；

D₁——原始坯料外圆直径，mm；

D₂——最终成形锻件下半部分内圆直径，mm；

D₃——最终成形锻件下半部分外圆直径，mm；

H₀——原始坯料高度，mm；

H——受芯辊及主辊共同约束的坯料下半部分高度，mm；

公式③:

D₁＝(0.5～0.7)D₃

式中：

D₁——原始坯料外圆直径，mm；

D₃——最终成形锻件下半部分外圆直径，mm。

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