CN113458248B - 一种带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于制造领域，具体为一种带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，可用于锥形筒件的挤压制造。该工艺包括：首先机加工制备内径相等、外径上大下小的圆台形与圆柱形一体管坯；然后利用下凹模将管坯进行一次热压缩口，形成下端小径的直筒；最后利用扩口压模进行两次扩口，形成上端大径、下端小径的锥形筒零件。为防止管坯缩口时失稳，在缩口变形前对管坯上端进行冷却(冷却方式为水冷)，并在凹模内加置保护模具。与传统自由锻造工艺相比，本发明所涉及的成形工艺，成形效率高、尺寸精度好，成形工序和加热火次少，提高零件组织性能。

Description

一种带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法
技术领域
本发明属于制造领域，具体为一种带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，可用于锥形筒件的挤压制造。
背景技术
传统自由锻造制造方法是自由锻造工艺，将钢锭下料后经过镦拔、冲孔、扩孔，然后用V型砧芯棒拔长为锥状坯料，之后再进行马杠扩孔制成大型锥形筒体，最后对基本成型的筒体整形或使用特殊模具完成成型。该工艺的成形步骤繁琐复杂，且在拔长、扩孔的过程中难以控制坯料的形状尺寸，需要较大的工作余量来保证产品的尺寸精度，造成材料的浪费，生产过程中多火次加热易使坯料的晶粒粗大，导致零件性能下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，以解决带直筒锥形筒件自由锻造存在的成品余量大，材料利用率低，锻压稳定性差等问题。该方法通过固定尺寸的模具保证成形尺寸精度，减小火次提高成形效率和成品质量，满足构件设计尺寸要求。
本发明的技术方案：
一种带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，利用垂直挤压机，采用模具配合的热压缩口、热压扩口混合成形，所需模具包括下凹模、支撑套筒、第一次扩口压模、第二次扩口压模和压板，具体步骤如下：
步骤一：将等壁厚的管坯机械加工成内径相等、外径上大下小的圆台形与圆柱形一体管坯，圆台形与圆柱形一体管坯为第一圆台形管坯、圆柱形管坯、第二圆台形管坯同轴上下一体结构；
步骤二：将圆台形与圆柱形一体管坯高温加热均匀后取出，将冷却区浸入水中快速冷却，冷却区包括第一圆台形管坯和一部分圆柱形管坯，其他部分为非冷却区；
步骤三：将水冷后的圆台形与圆柱形一体管坯，按非冷却区在下、冷却区在上穿过支撑套筒放入下凹模中，在下凹模的顶部设置压板，利用垂直挤压机整体压下，使圆台形与圆柱形一体管坯沿下凹模内腔向下滑动进行缩口变形为挤压成型工件；
步骤四：将缩口后的挤压成型工件重新加热均匀后取出，放入下凹模中，利用第一次扩口压模对缩口后挤压成型工件上段部分进行初步扩口成形为第一次扩口工件；
步骤五：将初步扩口后第一次扩口工件再次加热均匀后取出，放入下凹模中，利用第二次扩口压模完成锥形筒件的最终成型。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤一中，第一圆台形管坯的最大壁厚差为70mm，第二圆台形管坯的最大壁厚差为20mm。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤二中，圆台形与圆柱形一体管坯高温加热温度为1200℃±50℃，圆台形与圆柱形一体管坯上段的冷却区浸入水中冷却，冷却至800～900℃。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤三中，在圆台形与圆柱形一体管坯放入下凹模之前，将支撑套筒装入下凹模中，使支撑套筒与下凹模完全契合。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤三中，圆台形与圆柱形一体管坯放入下凹模中，其下段完全进入支撑套筒中心孔内腔，将非冷却区挤压至下凹模第二柱形部分内，使非冷却区的下部一次热压缩口。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤三中，在垂直挤压机整体压下前，将下凹模与支撑套筒预热至300～400℃。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤三中，下凹模的内腔与带直筒锥形筒件的外形尺寸相匹配，所述内腔为下凹模第一柱形部分、下凹模圆台形部分、下凹模第二柱形部分同轴上下一体结构，下凹模圆台形部分的直径上大下小，下凹模第一柱形部分的直径与圆台形部分上端的直径相同，下凹模第二柱形部分的直径与下凹模圆台形部分下端的直径相同。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤三中，支撑套筒为支撑套筒柱形部分、支撑套筒圆台形部分同轴上下一体结构，支撑套筒的外侧与下凹模圆台形部分和一部分下凹模第一柱形部分的大小和形状相匹配，支撑套筒中心孔贯穿支撑套筒，圆柱形管坯的外径与支撑套筒中心孔的直径相匹配。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤四中，第一次扩口压模为扩口压模第一圆台形部分、扩口压模第二圆台形部分、扩口压模第一柱形部分同轴上下一体结构，扩口压模第一柱形部分的外侧与挤压成型工件的缩口部分大小和形状相匹配，扩口压模第二圆台形部分上端的直径与扩口压模第一圆台形部分下端的直径相同，扩口压模第二圆台形部分下端的直径与扩口压模第一柱形部分的直径相同，扩口压模第二圆台形部分与带直筒锥形筒件圆台形内腔下部的大小和形状相匹配。
所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，步骤五中，第二次扩口压模为扩口压模第二柱形部分、扩口压模第三圆台形部分同轴上下一体结构，扩口压模第二柱形部分直径与带直筒锥形筒件圆柱形内腔直径相匹配，扩口压模第三圆台形部分上端的直径与扩口压模第二柱形部分的直径相同，扩口压模第三圆台形部分外侧与带直筒锥形筒件圆台形内腔上部相匹配。
本发明的设计思想是：
本发明涉及的大型锥形筒件，上下端直径差较大，两端均带有直筒段，并且要求拥有高强、高韧、高尺寸精度和均匀的综合力学性能，传统制造方法难以实现一体化成形制造。为解决上述难题，本发明结合零件形状特点，针对下端小径直筒段提出缩口方法，针对上端大径锥口提出两次扩口方法。该复合工艺操作简单，成形性好。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明的一种带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，能够通过缩口和扩口的结合锻造出带直筒锥形筒件，省去自由锻造多次旋转锻压的过程减小加工工时，提高成形效率。
2、本发明锻造方法利用模具成形，能够保证锻件具有良好尺寸精度。
3、本发明锻造方法操作相对自由锻造方法简单，加热火次远少于通过自由锻造的传统方法，能够减轻加热导致的金属晶粒长大，提高成品材料力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为管坯形状示意图。
图2(a)为下凹模形状示意图；图2(b)为支撑套筒示意图。
图3为第一次扩口压模示意图。
图4为第二次扩口压模示意图。
图5(a)为缩口流程图；图5(b)为第一次扩口流程图；图5(c)为最终扩口流程图。
图6为成品机加工后零件示意图。
图中，1下凹模，11下凹模第一柱形部分，12下凹模圆台形部分，13下凹模第二柱形部分，2支撑套筒，21支撑套筒柱形部分，22支撑套筒圆台形部分，23支撑套筒中心孔，3第一次扩口压模，31扩口压模第一圆台形部分，32扩口压模第二圆台形部分，33扩口压模第一柱形部分，4第二次扩口压模，41扩口压模第二柱形部分，42扩口压模第三圆台形部分，5压板，6圆台形与圆柱形一体管坯，61第一圆台形管坯，62圆柱形管坯，63冷却区，64非冷却区，65第二圆台形管坯，7挤压成型工件，71缩口部分，8第一次扩口工件，9第二次扩口工件，91带直筒锥形筒件圆柱形内腔，92带直筒锥形筒件圆台形内腔，93直筒内腔。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法包括：首先机加工厚壁管得到初始管坯，制备内径相等、外径上大下小的圆台形与圆柱形一体管坯；然后利用下凹模将管坯进行一次热压缩口，形成下端小径的直筒；最后利用扩口压模进行两次扩口，形成上端大径、下端小径的锥形筒零件。为了防止管坯缩口时失稳，在缩口变形前对管坯上端不变形区进行冷却(冷却方式为水冷)，并在凹模内加置保护模具。
实施例
如图1-图6所示，本实施例带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法如下：
步骤一：如图1所示，将壁厚180mm、内径730mm的钢管经过机械加工切削成所需形状的圆台形与圆柱形一体管坯6。
其中，圆台形与圆柱形一体管坯6为第一圆台形管坯61、圆柱形管坯62、第二圆台形管坯65同轴上下一体结构，圆台形与圆柱形一体管坯6的内径相等均为730mm，第一圆台形管坯61的外径上大下小，第一圆台形管坯61上端的外径为1090mm，圆柱形管坯62下端的外径为940mm，第一圆台形管坯61的高度为850mm；圆柱形管坯62的外径与第一圆台形管坯61下端的外径相同，圆柱形管坯62的高度为830mm；第二圆台形管坯65的外径上大下小，第二圆台形管坯65上端的外径与圆柱形管坯62的外径相同，第二圆台形管坯65下端的外径为910mm，第二圆台形管坯65的高度为650mm。
步骤二：将圆台形与圆柱形一体管坯6放入箱式电阻炉加热至1200℃，保温1h；准备冷却水槽，在冷却水槽中放入垫块以调整水冷时冷却区长度；取出加热完成后的圆台形与圆柱形一体管坯6，快速将其倒置放入冷却水槽中，冷却30s～40s，使冷却区63表面温度在800～900℃，冷却区63包括第一圆台形管坯61和一部分圆柱形管坯62，冷却区63的高度为1065mm，其他部分为非冷却区64。
步骤三：如图5(a)所示，在挤压前，将下凹模1置于垂直挤压机平台上的合适位置，将支撑套筒2放置于下凹模1中，用工具敲实防止在挤压时歪斜；将下凹模1(含支撑套筒2)表面预热300℃；将经过部分水冷的圆台形与圆柱形一体管坯6，非冷却区64(高温区)在下、冷却区63在上快速放入下凹模1中，支撑套筒2位于圆台形与圆柱形一体管坯6的下部外侧；在下凹模1的顶部设置压板5，启动垂直挤压机开始压下，将非冷却区64挤压至下凹模第二柱形部分13内，使非冷却区64的下部一次热压缩口，挤压结束后移开压板5，取出挤压成型工件7。
如图2(a)所示，下凹模1的内腔与带直筒锥形筒件的外形尺寸相匹配，所述内腔为下凹模第一柱形部分11、下凹模圆台形部分12、下凹模第二柱形部分13同轴上下一体结构，下凹模圆台形部分12的直径上大下小，下凹模圆台形部分12上端的直径为1750mm，下凹模圆台形部分12下端的直径为700mm，下凹模圆台形部分12的高度为800mm；下凹模第一柱形部分11的直径与圆台形部分12上端的直径相同，下凹模第一柱形部分11的高度为200mm；下凹模第二柱形部分13的直径与下凹模圆台形部分12下端的直径相同，下凹模第二柱形部分13的高度为400mm。
如图2(b)所示，支撑套筒2为支撑套筒柱形部分21、支撑套筒圆台形部分22同轴上下一体结构，支撑套筒2的外侧与下凹模圆台形部分12和一部分下凹模第一柱形部分11的大小和形状相匹配，支撑套筒柱形部分21的高度为100mm；支撑套筒中心孔23贯穿支撑套筒2，圆柱形管坯62的外径与支撑套筒中心孔23的直径相匹配。
步骤四：缩口后挤压成型工件7送入箱式电阻炉内继续加热至1200℃，保温1h；如图5(b)所示，在扩口开始前，取出支撑套筒2，并对下凹模1内腔进行清洁，将第一次扩口压模3固定在垂直挤压机上正对下凹模1中心；挤压成型工件7出炉后直接放入下凹模1中，垂直挤压机下压带动第一次扩口压模3对挤压成型工件7进行预扩口后取出，形成第一次扩口工件8。
如图3所示，第一次扩口压模3为扩口压模第一圆台形部分31、扩口压模第二圆台形部分32、扩口压模第一柱形部分33同轴上下一体结构，扩口压模第一柱形部分33直径为474mm，扩口压模第一柱形部分33的外侧与挤压成型工件7的缩口部分71(即带直筒锥形筒件的直筒内腔93)大小和形状相匹配；扩口压模第一圆台形部分31上端的直径为1130mm，扩口压模第一圆台形部分31下端的直径为730mm，扩口压模第一圆台形部分31的高度为1000mm；扩口压模第二圆台形部分32上端的直径与扩口压模第一圆台形部分31下端的直径相同，扩口压模第二圆台形部分32下端的直径与扩口压模第一柱形部分33的直径相同，扩口压模第二圆台形部分32的高度为300mm，扩口压模第二圆台形部分32与带直筒锥形筒件圆台形内腔92下部的大小和形状相匹配。
步骤五：如图5(c)所示，第一次扩口工件8送入箱式电阻炉内继续加热至1200℃，保温1h；并对下凹模1内腔进行清洁，将第二次扩口压模4装配在垂直挤压机上正对下凹模1中心；将加热后第一次扩口工件8直接放入下凹模1中，垂直挤压机下压带动第二次扩口压模4对第一次扩口工件8进行第二次扩口后取出，形成第二次扩口工件9，即带直筒锥形筒件。
如图4所示，第二次扩口压模4为扩口压模第二柱形部分41、扩口压模第三圆台形部分42同轴上下一体结构，扩口压模第二柱形部分41直径为1530mm，扩口压模第二柱形部分41高度为300mm，扩口压模第二柱形部分41直径与带直筒锥形筒件圆柱形内腔91直径相匹配；扩口压模第三圆台形部分42上端的直径与扩口压模第二柱形部分41的直径相同，扩口压模第三圆台形部分42外侧与带直筒锥形筒件圆台形内腔92上部相匹配，扩口压模第三圆台形部分42高度为706mm。
步骤六：挤压结束后，缩比件形状基本符合预期，通过机械精加工去除外表氧化皮，切除直筒壁和锥形筒壁上的多余金属，最终所得实物。
如图6所示，带直筒锥形筒件内腔为带直筒锥形筒件圆柱形内腔91、带直筒锥形筒件圆台形内腔92、直筒内腔93同轴上下一体结构，带直筒锥形筒件圆柱形内腔91的直径为1530mm，带直筒锥形筒件圆柱形内腔91的高度为200mm；带直筒锥形筒件圆台形内腔92的上端直径为1530mm，带直筒锥形筒件圆台形内腔92的下端直径为474mm，带直筒锥形筒件圆台形内腔92的高度为800mm；直筒内腔93的直径为474mm，直筒内腔93的高度为400mm。
结果表明，与传统自由锻造工艺相比，本发明所涉及的成形工艺，成形效率高、尺寸精度好，成形工序和加热火次少，提高零件组织性能。

Claims (9)

1.一种带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，利用垂直挤压机，采用模具配合的热压缩口、热压扩口混合成形，所需模具包括下凹模、支撑套筒、第一次扩口压模、第二次扩口压模和压板，具体步骤如下：
步骤一：将等壁厚的管坯机械加工成内径相等、外径上大下小的圆台形与圆柱形一体管坯，圆台形与圆柱形一体管坯为第一圆台形管坯、圆柱形管坯、第二圆台形管坯同轴上下一体结构；
步骤二：将圆台形与圆柱形一体管坯高温加热均匀后取出，将冷却区浸入水中快速冷却，冷却区包括第一圆台形管坯和一部分圆柱形管坯，其他部分为非冷却区；
步骤三：将水冷后的圆台形与圆柱形一体管坯，按非冷却区在下、冷却区在上穿过支撑套筒放入下凹模中，在下凹模的顶部设置压板，利用垂直挤压机整体压下，使圆台形与圆柱形一体管坯沿下凹模内腔向下滑动进行缩口变形为挤压成型工件；
步骤四：将缩口后的挤压成型工件重新加热均匀后取出，放入下凹模中，利用第一次扩口压模对缩口后挤压成型工件上段部分进行初步扩口成形为第一次扩口工件；
步骤五：将初步扩口后第一次扩口工件再次加热均匀后取出，放入下凹模中，利用第二次扩口压模完成锥形筒件的最终成型；
步骤四中，第一次扩口压模为扩口压模第一圆台形部分、扩口压模第二圆台形部分、扩口压模第一柱形部分同轴上下一体结构，扩口压模第一柱形部分的外侧与挤压成型工件的缩口部分大小和形状相匹配，扩口压模第二圆台形部分上端的直径与扩口压模第一圆台形部分下端的直径相同，扩口压模第二圆台形部分下端的直径与扩口压模第一柱形部分的直径相同，扩口压模第二圆台形部分与带直筒锥形筒件圆台形内腔下部的大小和形状相匹配。
2.根据权利要求1所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，步骤一中，第一圆台形管坯的最大壁厚差为70mm，第二圆台形管坯的最大壁厚差为20mm。
3.根据权利要求1所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，步骤二中，圆台形与圆柱形一体管坯高温加热温度为1200℃±50℃，圆台形与圆柱形一体管坯上段的冷却区浸入水中冷却，冷却至800～900℃。
4.根据权利要求1所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，步骤三中，在圆台形与圆柱形一体管坯放入下凹模之前，将支撑套筒装入下凹模中，使支撑套筒与下凹模完全契合。
5.根据权利要求1所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，步骤三中，圆台形与圆柱形一体管坯放入下凹模中，其下段完全进入支撑套筒中心孔内腔，将非冷却区挤压至下凹模第二柱形部分内，使非冷却区的下部一次热压缩口。
6.根据权利要求1所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，步骤三中，在垂直挤压机整体压下前，将下凹模与支撑套筒预热至300～400℃。
7.根据权利要求1所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，步骤三中，下凹模的内腔与带直筒锥形筒件的外形尺寸相匹配，所述内腔为下凹模第一柱形部分、下凹模圆台形部分、下凹模第二柱形部分同轴上下一体结构，下凹模圆台形部分的直径上大下小，下凹模第一柱形部分的直径与圆台形部分上端的直径相同，下凹模第二柱形部分的直径与下凹模圆台形部分下端的直径相同。
8.根据权利要求1所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，步骤三中，支撑套筒为支撑套筒柱形部分、支撑套筒圆台形部分同轴上下一体结构，支撑套筒的外侧与下凹模圆台形部分和一部分下凹模第一柱形部分的大小和形状相匹配，支撑套筒中心孔贯穿支撑套筒，圆柱形管坯的外径与支撑套筒中心孔的直径相匹配。
9.根据权利要求1所述的带直筒锥形筒件缩口、扩口混合成形方法，其特征在于，步骤五中，第二次扩口压模为扩口压模第二柱形部分、扩口压模第三圆台形部分同轴上下一体结构，扩口压模第二柱形部分直径与带直筒锥形筒件圆柱形内腔直径相匹配，扩口压模第三圆台形部分上端的直径与扩口压模第二柱形部分的直径相同，扩口压模第三圆台形部分外侧与带直筒锥形筒件圆台形内腔上部相匹配。
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