CN113084054B - 大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法 - Google Patents

大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法 Download PDF

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CN113084054B CN202110321194.5A CN202110321194A CN113084054B CN 113084054 B CN113084054 B CN 113084054B CN 202110321194 A CN202110321194 A CN 202110321194A CN 113084054 B CN113084054 B CN 113084054B
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Abstract

本发明公开了一种大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，包括步骤：S1、将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯；S2、将预轧成形后的环坯放置在挤压模具上，挤压模具包括两端设有限位凸缘的芯模和若干个绕轴心均布的瓣模，瓣模沿轴向设有多级挤压块且每级挤压块都由各自的高压推杆控制工作，采用多向连续局部增量式径向挤压，沿轴向分步成形环坯外表面突变轮廓，获得异形环坯；S3、将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环件。该方法成形力更小，能耗更低，能抑制环件外径长大，材料利用率高，产品综合性能大幅度提升。

Description

大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法
技术领域
本发明属于塑性加工技术领域，具体涉及一种大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法。
背景技术
大型外轮廓突变截面环件具有内表面直壁、外表面带有若干个突变台阶的几何特征，常应用于航空、航天、能源及特种运载装备，该类环件的服役环境复杂多变且恶劣，因此对整体性能提出了极高的要求。
环件轧制是一种制造高质量无缝环件的高效塑性成形技术，传统的锻造方式难以精确成形大型外轮廓突变截面环件外表面突变轮廓，目前主要通过环件轧制成形出矩形截面环件，再通过切削的方法加工出外表面突变台阶，这种方法不仅造成材料大量浪费、加工效率低，而且破坏金属流线的完整性，削弱了环件的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，该方法成形力更小，能耗更低，能抑制环件外径长大，材料利用率高，产品综合性能大幅度提升。
本发明所采用的技术方案是：
一种大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，包括步骤：
S1、将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯；
S2、将预轧成形后的环坯放置在挤压模具上，挤压模具包括两端设有限位凸缘的芯模和若干个绕轴心均布的瓣模，瓣模沿轴向设有多级挤压块且每级挤压块都由各自的高压推杆控制工作，采用多向连续局部增量式径向挤压，沿轴向分步成形环坯外表面突变轮廓，获得异形环坯；
S3、将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环件。
优选地，绕轴心均布有三个瓣模。
优选地，挤压块工作端的侧边设有倒角。
优选地，芯模的一端凸缘可拆卸。
在步骤S1中，进行预轧成形时，在驱动辊和芯辊的共同作用下实现坯料的壁厚减薄、内外直径扩大、高度基本保持不变，待内外径达到设计尺寸时，径向轧制成形完成。
进一步地，根据扩径比和体积不变原则，预轧成形后的环坯尺寸由下式计算，
Figure GDA0003326451730000021
其中，D、d、B分别为预轧成形后的环坯外径、内径、高度；df为目标环件内径；Bfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面高度；n为突变型面个数；Kf为扩径比；V是目标环件体积，且
Figure GDA0003326451730000022
其中Dfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面直径；
根据当量轧制比，轧制前后环坯的高度及体积不变原则，预轧成形前的环坯尺寸由下式计算，
Figure GDA0003326451730000023
其中，D0、B0、d0分别为预轧成形前的环坯外径、高度、内径；K为当量轧制比。
在步骤S2中，进行多向连续局部增量式径向挤压时，多个瓣模从多个方向同时对环坯进行挤压，通过控制高压推杆，先使第一级挤压块对环坯外表面进行挤压，成形出环坯外表面第一组台阶和凹槽型面并且保持第一级挤压块在最终的挤压位不动，然后沿轴向依次操作，直至成形出环坯外表面最后一组台阶和凹槽型面，然后使所有挤压块复位，完成第一轮径向挤压，然后芯模带动环件旋转一个固定角度，进行第二轮径向挤压，直至环件整个外表面台阶完全成形。
进一步地，根据体积及轴向高度不变原则，异形环坯沿轴向各外台阶外径及内径由下式计算，
Figure GDA0003326451730000024
其中，d1为异形环坯内径，d为预轧成形后的环坯内径，Di为异形环坯沿轴向第i个突变型面外径，Dfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面直径，df为目标环件内径；
瓣模的径向移动距离U由下式计算，
Figure GDA0003326451730000031
其中，D为预轧成形后的环坯外径,Di-min为异形环坯最薄壁厚处外径，ΔS为异形环坯最大壁厚处与瓣模之间间距；
芯模和瓣模之间的转动角度θ按下式计算，
Figure GDA0003326451730000032
其中，Bp为瓣模宽度，Di-min为异形环坯最薄壁厚处外径，δ为挤压重叠角。
在步骤S3中，进行径向闭式近净轧制成形时，由异形外表面的驱动辊及直壁的芯辊形成闭式轧制孔型，在初始阶段，芯辊低速进给以满足环坯咬入孔型的条件，在主轧制阶段，增加芯辊进给速度，促使环件外径增大、截面轮廓成形，在整圆阶段，芯辊低速进给，进行定径整圆，待尺寸达到设计目标时，停止轧制。
进一步地，在径向闭式近净轧制成形中，轧制总进给量ΔH按下式计算，
Figure GDA0003326451730000033
其中，Di-max为异形环坯最厚壁厚处外径，d1为异形环坯内径，Dfi-max为目标环件最厚壁厚处外径，df为目标环件内径；
各阶段的进给量及进给速度按下式确定，
初始阶段的进给量为
ΔH1＝(0.05～0.2)ΔH
初始阶段的进给速度为
Figure GDA0003326451730000034
主轧制阶段的进给量为
ΔH2＝(0.6～0.8)ΔH
主轧制阶段的进给速度为
Figure GDA0003326451730000035
整圆阶段的进给量为
ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2
整圆阶段的进给速度为
Figure GDA0003326451730000036
其中，vmax为芯辊最大进给速度，vmin为芯辊最小进给速度，且有
Figure GDA0003326451730000041
Figure GDA0003326451730000042
其中，n1为驱动辊转速，r1为驱动辊最大凸台半径，r2为芯辊半径，β为接触摩擦角。
本发明的有益效果是：
该方法对预轧成形的矩形截面环坯进行多向连续局部增量式径向挤压，沿轴向分步成形环坯外表面突变轮廓，成形力更小，能耗更低，每道次成形一组突变台阶，由于环坯大部分处于未变形状态具有自约束作用能抑制环件外径长大，同时，多个瓣模从多个方向局部加载的布局方式，使环坯外圆处于多向受压状态，进一步抑制环件外径长大，促进金属沿轴向流动充型，而且芯模两端的限位凸缘可以防止挤压时环件金属轴向窜动，有利于挤压台阶成形填充，材料利用率大大提高，可以获得流线分布完整、高精度尺寸的环形锻件，产品综合性能大幅度提升。
附图说明
图1是本发明实施例中大型外轮廓突变截面环件的截面示意图。
图2是本发明实施例中大型外轮廓突变截面环件轧挤复合净近成形的流程示意图。
图3是本发明实施例中环坯预轧成形时以图2中A-A截面方向为视角的示意图，其中(a)为预轧开始、(b)为预轧结束。
图4是本发明实施例中瓣模的结构示意图。
图5是图4中E-E截面示意图。
图6是本发明实施例中进行多向连续局部增量式径向挤压时以图2中B-B截面方向为视角的示意图，其中(a)为挤压开始，(b)为R1、R2对应挤压块工作，(c)为R3、R4对应挤压块工作，(d)为R5、R6对应挤压块工作，(e)为瓣模复位，(f)为挤压结束。
图7是本发明实施例中进行多向连续局部增量式径向挤压时以图6中C-C截面方向为视角的示意图，其中(a)为开始挤压、(b)为一次挤压结束、(c)为转动角度、(d)为挤压结束。
图8是本发明实施例中进行径向闭式近净轧制成形时以图2中D-D截面方向为视角的示意图，其中(a)为开始轧制、(b)为轧制结束。
图9是本发明实施例中进行径向闭式近净轧制成形时芯辊速度进给曲线示意图。
图中：1-高压推杆，2-瓣模壳体，3-瓣模，4-环坯，5-芯模，6-限位凸缘，7-R5、R6对应的挤压块，8-R3、R4对应的挤压块，9-R1、R2对应的挤压块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，包括步骤：
S1、将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯；如图2和图3所示，进行预轧成形时，在驱动辊和芯辊的共同作用下实现坯料的壁厚减薄、内外直径扩大、高度基本保持不变，待内外径达到设计尺寸时，径向轧制成形完成。
根据扩径比和体积不变原则，预轧成形后的环坯4尺寸由下式计算，
Figure GDA0003326451730000051
其中，D、d、B分别为预轧成形后的环坯4外径、内径、高度；df为目标环件内径；Bfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面高度；n为突变型面个数；Kf为扩径比，通常取1.5～3；V是目标环形锻件体积，且
Figure GDA0003326451730000052
其中Dfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面直径；
根据当量轧制比，轧制前后环坯的高度及体积不变原则，预轧成形前的环坯尺寸由下式计算，
Figure GDA0003326451730000053
其中，D0、B0、d0分别为预轧成形前的环坯外径、高度、内径；K为当量轧制比，通常取1.2～2.5。
S2、如图2所示，将预轧成形后的环坯4放置在挤压模具上，如图2以及图4至图7所示，和挤压模具包括两端设有限位凸缘6的芯模5和若干个绕轴心均布的瓣模3，瓣模3沿轴向设有多级挤压块且每级挤压块都由各自的高压推杆1控制工作，挤压块紧密排列在瓣模壳体2内，采用多向连续局部增量式径向挤压，沿轴向分步成形环坯4外表面突变轮廓，获得异形环坯。
如图2和图7所示，在本实施例中，绕轴心均布有三个瓣模3；如图6所示，在本实施例中，芯模的一端凸缘可拆卸，方便环坯的安装和异形环坯的取下；在本实施例中，挤压块工作端的侧边设有倒角，保证挤压后环坯的成形质量，防止出现折叠及穿筋等缺陷。
如图2、图6和图7所示，进行多向连续局部增量式径向挤压时，多个瓣模3从多个方向同时对环坯4进行挤压，通过控制高压推杆1，先使第一级挤压块9(即R1、R2对应的挤压块9)对环坯4外表面进行挤压，成形出环坯4外表面第一组台阶和凹槽型面并且保持第一级挤压块9在最终的挤压位不动，然后使第二级挤压块8(即R3、R4对应的挤压块8)对环坯4外表面进行挤压，成形出环坯4外表面第二组台阶和凹槽型面并且保持第二级挤压块8在最终的挤压位不动，然后使第三级挤压块7(即R5、R6对应的挤压块7)对环坯4外表面进行挤压，成形出环坯4外表面第三组台阶和凹槽型面并且保持第三级挤压块7在最终的挤压位不动，如此沿轴向依次操作直至成形出环坯4外表面最后一组台阶和凹槽型面，然后使所有挤压块复位，完成第一轮径向挤压，然后芯模5带动环件旋转一个固定角度，进行第二轮径向挤压，直至环件4整个外表面台阶完全成形。
根据体积及轴向高度不变原则，异形环坯沿轴向各外台阶外径及内径由下式计算，
Figure GDA0003326451730000061
其中，d1为异形环坯内径，d为预轧成形后的环坯内径，Di为异形环坯沿轴向第i个突变型面外径，Dfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面直径，df为目标环件内径；
瓣模3的径向移动距离U由下式计算，
Figure GDA0003326451730000062
其中，D为预轧成形后的环坯外径,Di-min为异形环坯最薄壁厚处外径，ΔS为异形环坯最大壁厚处与瓣模3之间间距，通常取5～15mm；
芯模5和瓣模3之间的转动角度θ按下式计算，
Figure GDA0003326451730000063
其中，Bp为瓣模3宽度，Di-min为异形环坯最薄壁厚处外径，δ为挤压重叠角，通常取2～4°。
S3、如图2所示，将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环形锻件——进行径向闭式近净轧制成形时，如图8所示，由异形外表面的驱动辊及直壁的芯辊形成闭式轧制孔型，如图9所示，在初始阶段，芯辊低速进给以满足环坯咬入孔型的条件，在主轧制阶段，增加芯辊进给速度，促使环件外径增大、截面轮廓成形，在整圆阶段，芯辊低速进给，进行定径整圆，待尺寸达到设计目标时，停止轧制。
在径向闭式近净轧制成形中，轧制总进给量ΔH按下式计算，
Figure GDA0003326451730000071
其中，Di-max为异形环坯最厚壁厚处外径，d1为异形环坯内径，Dfi-max为目标环件最厚壁厚处外径，df为目标环件内径；
各阶段的进给量及进给速度按下式确定，
初始阶段的进给量为
ΔH1＝(0.05～0.2)ΔH
初始阶段的进给速度为
Figure GDA0003326451730000072
主轧制阶段的进给量为
ΔH2＝(0.6～0.8)ΔH
主轧制阶段的进给速度为
Figure GDA0003326451730000073
整圆阶段的进给量为
ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2
整圆阶段的进给速度为
Figure GDA0003326451730000074
其中，vmax为芯辊最大进给速度，vmin为芯辊最小进给速度，且有
Figure GDA0003326451730000075
Figure GDA0003326451730000076
其中，n1为驱动辊转速，r1为驱动辊最大凸台半径，r2为芯辊半径，β为接触摩擦角。
以图1所示的6个外表面突变型面的环形锻件为成形对象，预轧成形后的环坯内径d＝3000mm，目标环件外表面沿轴向的突变型面直径及高度依次分别为：Df1＝3258mm，Bf1＝88mm，Df2＝3155mm，Bf2＝108mm，Df3＝3258mm，Bf3＝68mm，Df4＝3369mm，Bf4＝90mm，Df5＝3258mm，Bf5＝68mm，Df6＝3346mm，Bf6＝80mm；进行轧挤复合近净成形，S1、将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯，预轧成形后的环坯尺寸为d＝1200mm，B＝502mm，D＝1769mm，预轧成形前的环坯尺寸为：d0＝545mm，B0＝502mm，D0＝1410mm；S2、将预轧成形后的环坯放置在挤压模具上，采用多向连续局部增量式径向挤压，沿轴向分步成形环坯外表面突变轮廓，获得异形环坯，瓣模的径向移动距离U＝121mm，芯模带动环坯旋转的固定角度为58.5°，异形环坯沿轴向各外台阶内外径分别为：d＝1200mm，D1＝1747mm，D2＝1547mm，D3＝1747mm，D4＝1947mm，D5＝1747mm，D6＝1907mm，B1＝502mm；S3、将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环形锻件，初始阶段的进给量ΔH1＝28mm，初始阶段的进给速度为v1＝1mm/s，主轧制阶段的进给量ΔH2＝151mm，主轧制阶段的进给速度为v2＝2.5mm/s，整圆阶段的进给量ΔH3＝10mm，整圆阶段的进给速度为v3＝0.25mm/s。
该方法对预轧成形的矩形截面环坯进行多向连续局部增量式径向挤压，沿轴向分步成形环坯外表面突变轮廓，成形力更小，能耗更低，每道次成形一组突变台阶，由于环坯大部分处于未变形状态具有自约束作用能抑制环件外径长大，同时，多个瓣模从多个方向局部加载的布局方式，使环坯外圆处于多向受压状态，进一步抑制环件外径长大，促进金属沿轴向流动充型，而且芯模两端的限位凸缘可以防止挤压时环件金属轴向窜动，有利于挤压台阶成形填充，材料利用率大大提高，可以获得流线分布完整、高精度尺寸的环形锻件，产品综合性能大幅度提升。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：包括步骤，S1、将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯；S2、将预轧成形后的环坯放置在挤压模具上，挤压模具包括两端设有限位凸缘的芯模和若干个绕轴心均布的瓣模，瓣模沿轴向设有多级挤压块且每级挤压块都由各自的高压推杆控制工作，采用多向连续局部增量式径向挤压，沿轴向分步成形环坯外表面突变轮廓，获得异形环坯；S3、将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环件；
在步骤S2中，进行多向连续局部增量式径向挤压时，多个瓣模从多个方向同时对环坯进行挤压，通过控制高压推杆，先使第一级挤压块对环坯外表面进行挤压，成形出环坯外表面第一组台阶和凹槽型面并且保持第一级挤压块在最终的挤压位不动，然后沿轴向依次操作，直至成形出环坯外表面最后一组台阶和凹槽型面，然后使所有挤压块复位，完成第一轮径向挤压，然后芯模带动环件旋转一个固定角度，进行第二轮径向挤压，直至环件整个外表面台阶完全成形；
根据体积及轴向高度不变原则，异形环坯沿轴向各外台阶外径及内径由下式计算，
Figure FDA0003326451720000011
其中，d1为异形环坯内径，d为预轧成形后的环坯内径，Di为异形环坯沿轴向第i个突变型面外径，Dfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面直径，df为目标环件内径；
瓣模的径向移动距离U由下式计算，
Figure FDA0003326451720000012
其中，D为预轧成形后的环坯外径,Di-min为异形环坯最薄壁厚处外径，ΔS为异形环坯最大壁厚处与瓣模之间间距；
芯模和瓣模之间的转动角度θ按下式计算，
Figure FDA0003326451720000013
其中，Bp为瓣模宽度，δ为挤压重叠角；
在步骤S3中，进行径向闭式近净轧制成形时，由异形外表面的驱动辊及直壁的芯辊形成闭式轧制孔型，在初始阶段，芯辊低速进给以满足环坯咬入孔型的条件，在主轧制阶段，增加芯辊进给速度，促使环件外径增大、截面轮廓成形，在整圆阶段，芯辊低速进给，进行定径整圆，待尺寸达到设计目标时，停止轧制；
在径向闭式近净轧制成形中，轧制总进给量ΔH按下式计算，
Figure FDA0003326451720000021
其中，Di-max为异形环坯最厚壁厚处外径，d1为异形环坯内径，Dfi-max为目标环件最厚壁厚处外径，df为目标环件内径；
各阶段的进给量及进给速度按下式确定，
初始阶段的进给量为
ΔH1＝(0.05～0.2)ΔH
初始阶段的进给速度为
Figure FDA0003326451720000022
主轧制阶段的进给量为
ΔH2＝(0.6～0.8)ΔH
主轧制阶段的进给速度为
Figure FDA0003326451720000023
整圆阶段的进给量为
ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2
整圆阶段的进给速度为
Figure FDA0003326451720000024
其中，vmax为芯辊最大进给速度，vmin为芯辊最小进给速度，且有
Figure FDA0003326451720000025
Figure FDA0003326451720000026
其中，n1为驱动辊转速，r1为驱动辊最大凸台半径，r2为芯辊半径，β为接触摩擦角。
2.如权利要求1所述的大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：绕轴心均布有三个瓣模。
3.如权利要求1所述的大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：挤压块工作端的侧边设有倒角。
4.如权利要求1所述的大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：芯模的一端凸缘可拆卸。
5.如权利要求1至4任一所述的大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：在步骤S1中，进行预轧成形时，在驱动辊和芯辊的共同作用下实现坯料的壁厚减薄、内外直径扩大、高度基本保持不变，待内外径达到设计尺寸时，径向轧制成形完成。
6.如权利要求5所述的大型外轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：根据扩径比和体积不变原则，预轧成形后的环坯尺寸由下式计算，
Figure FDA0003326451720000031
其中，D、d、B分别为预轧成形后的环坯外径、内径、高度；df为目标环件内径；Bfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面高度；n为突变型面个数；Kf为扩径比；V是目标环件体积，且
Figure FDA0003326451720000032
其中Dfi为目标环件外表面沿轴向第i个突变型面直径；
根据当量轧制比，轧制前后环坯的高度及体积不变原则，预轧成形前的环坯尺寸由下式计算，
Figure FDA0003326451720000033
其中，D0、B0、d0分别为预轧成形前的环坯外径、高度、内径；K为当量轧制比。
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