CN114226623B - 薄壁筒形件半闭式成形模具、成形系统及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄壁筒形件半闭式成形模具，在下模顶部形成挤压筒结构，不仅能够使凹模型腔内由于挤压而溢出的坯料在接触挤压筒结构的内侧壁时向上分流，从而可以有力地阻止坯料早期飞边的形成，飞边减小，减少多余材料外流，提高材料利用率，减小锻件成形所需设备吨位，提高模具使用寿命，而且能够实现对坯料的正反向定向挤压过程，完成上模和下模对坯料的近闭式(或称之为半闭式)挤压。同时与挤压筒结构配合的凸模下部斜度加大设置，可在满足锻件成形的前提下防止锻件通过飞边与凸模抱死。本发明还提供了包含上述成形模具的薄壁筒形件半闭式成形系统以及基于上述成形模具进行的薄壁筒形件半闭式成形方法。

Description

薄壁筒形件半闭式成形模具、成形系统及成形方法

技术领域

本发明属于金属塑性成形领域，涉及一种金属塑性精密成形技术，特别是涉及一种薄壁筒形件半闭式成形模具、成形系统及成形方法。

背景技术

锻钢活塞跟传统铝合金活塞相比主要有强度高、热膨胀系数小以及热力学性能优异的优点，这使得在满足相同使用需求的情况下，锻钢活塞的重量能够降低30％左右；发动机运行工况下，锻钢活塞与缸套之间的间隙变化较小，因而两者之间的摩擦损失显著减小；并且进一步提升了发动机的燃烧温度和爆发压力，这些优点综合作用于发动机就可以为发动机带来显著的节油降耗效果，顺应目前发动机节能减排的发展趋势。

目前，锻钢活塞已经发展为分体式结构，在其生产过程中，首先将活塞头部和裙部分别锻造成形，然后对两者进行粗加工，进而将两者焊接形成一体结构，最后经过焊缝质量检测、精加工以及表面处理等过程形成锻钢活塞成品。

锻钢活塞的裙部是一种典型的薄壁深筒件，其锻造成形的难度很大，目前，锻钢活塞裙毛坯的成形普遍采用在锻造压力机上开式锻造方法，分镦粗、预锻和终锻三个工步成形。这种通用的锻钢活塞裙毛坯开式锻造方法，模具的设计和制造难度不大、生产过程也比较简单，但是存在以下无法克服的缺点：

1、为了满足更高的工作温度要求，锻钢活塞裙毛坯的冷却油道部位的形状变得越来越复杂，由于通用的开式锻造方法在成形过程中对金属材料的约束力小，无法稳定成形；

2、开式锻造形成的毛坯件的成形精度较低，后期需要大量的加工工序，导致活塞机加工厂的加工效率低、刀具费用高；

3、这种通用的开式锻造方法会形成比较大的飞边，材料利用率不高，一般仅80％左右；

4、这种通用的开式锻造方法成形力比较高，模具使用寿命偏低，平均单次寿命不到2500只。

综上所述，有必要提出一种新型的、适用于锻钢活塞裙等薄壁筒(深筒)形件的锻造成形方案，以克服上述现有开式锻造方法所存在的飞边大、材料利用率较低以及机加工余量大、产品尺寸精度低等问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种薄壁筒形件半闭式成形模具，其能够用于薄壁筒形件小飞边精密成形，以解决上述现有开式锻造方法所存在的飞边大、材料利用率较低以及机加工余量大、产品尺寸精度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种薄壁筒形件半闭式成形模具，用于薄壁筒形件的预锻成形和/或终锻成形，包括：

下模，所述下模的顶部具有一下凹的挤压筒结构，所述挤压筒结构的底部设置有用于使所述薄壁筒形件开口朝下成形的凹模型腔，所述凹模型腔的顶部边缘与所述挤压筒结构的内侧壁之间具有径向承载部，以承载锻造过程中外溢的坯料；

上模，所述上模包括能够与所述挤压筒结构配适的凸模，所述凸模沿其轴向至少分为脱模段和闭模段，所述脱模段位于所述凸模的下部，所述闭模段位于所述脱模段的上方；所述脱模段的侧壁由上至下径向向内倾斜形成第一斜面，所述闭模段的侧壁由上至下径向向内倾斜形成第二斜面，且所述第一斜面的斜度大于所述第二斜面的斜度；

其中，所述凸模的底部与所述径向承载部之间的间隙形成供外溢坯料沿径向分流的径向分流腔，所述第一斜面能够与所述挤压筒结构的内侧壁之间形成与所述径向分流腔连通的轴向分流腔，所述第二斜面用于与所述挤压筒结构的内侧壁配合，且所述第二斜面与所述挤压筒结构的内侧壁之间的间隙随着所述上模和所述下模的相互靠近逐渐减小，以迫使所述轴向分流腔内的坯料向所述凹模型腔内反向流动，最终实现正反挤压成形。

可选的，所述上模的上方用于连接下行驱动，以驱使所述上模靠近或远离所述下模。

可选的，所述凹模型腔的底部开设有轴向孔，所述轴向孔朝向远离所述凹模型腔的方向延伸并贯穿所述下模的下方。

可选的，所述轴向孔设置有多个，且多个所述轴向孔在所述凹模型腔的两侧均匀分布。

可选的，所述轴向孔为轴向圆孔，所述轴向圆孔的孔径为φ3mm～φ6mm。

可选的，所述挤压筒结构的轴向长度为5mm～60mm；所述第一斜面与所述挤压筒结构的轴线之间的夹角为15°～30°，所述第二斜面与所述挤压筒结构的轴线之间的夹角为0°～10°；所述径向承载部的径向长度为0mm～30mm；所述上模和所述下模合模时，所述第二斜面与所述挤压筒结构的内侧壁之间的间隙为0.2mm～6mm。

可选的，所述挤压筒结构的轴向长度为25mm；所述第一斜面与所述挤压筒结构的轴线之间的夹角为15°，所述第二斜面与所述挤压筒结构的轴线之间的夹角为3°；所述径向承载部的径向长度为10mm；所述上模和所述下模合模时，所述第二斜面与所述挤压筒结构的内侧壁之间的间隙为1.5mm。

可选的，所述薄壁筒形件为活塞裙。

同时，本发明的另一目的还在于提供一种薄壁筒形件半闭式成形系统，其至少包括预锻模具和终锻模具，所述预锻模具和所述终锻模具中的至少一者为如权利要求1-5任意一项所述的薄壁筒形件半闭式成形模具。

可选的，所述预锻模具和所述终锻模具分别设置一个，且所述预锻模具和所述终锻模具均为所述薄壁筒形件半闭式成形模具。

本发明的再一目的还在于提供一种薄壁筒形件半闭式成形方法，包括步骤:

S1、坯料预处理；

S2、将预处理后的所述坯料置于预锻模具的下模上，使所述预锻模具的上模和下模相互靠近，以挤压所述坯料完成预锻成形，并形成开口朝下的薄壁筒预成形件；

S3、将所述薄壁筒预成形件置于终锻模具的下模上，使所述终锻模具的上模和下模相互靠近，以挤压所述薄壁筒预成形件完成终锻成形，形成开口朝下的薄壁筒形件；

其中，所述预锻模具和所述终锻模具中的至少一者为如权利要求1-5任意一项所述的薄壁筒形件半闭式成形模具。

可选的，所述预锻模具和所述终锻模具均设置为所述薄壁筒形件半闭式成形模具。

可选的，步骤S2中所述预锻成形至少连续进行两次，且任意一预锻工步均采用一套所述预锻模具进行。

可选的，所述薄壁筒形件为活塞裙，所述薄壁筒形件半闭式成形方法还包括步骤：

S4、对所述活塞裙进行切边处理。

可选的，步骤S1中所述坯料预处理至少包括：对所述坯料进行加热后镦粗挤压，以将所述坯料镦粗到设定高度。

可选的，步骤S1中采用中频感应炉将所述坯料加热到1180℃～1240℃后镦粗挤压。

可选的，所述活塞裙的制造材质为38MnVS6或42CrMo4。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明公开的薄壁筒形件半闭式成形模具，结构新颖合理，在下模顶部形成(具有)挤压筒结构，能够使凹模型腔内由于挤压而溢出的坯料在接触挤压筒结构的内侧壁时向上分流，从而可以有力地阻止坯料早期飞边的形成，使锻件成形时形成的飞边较小(也就是说减小了锻件含飞边的轴向投影面积)，有效减少了多余材料的外流，材料利用率大幅度提高，相对传统的筒形件开式模锻工艺，材料利用率可提升5％～10％；同时由于飞边减小，可减小锻件成形所需设备吨位，模具的使用寿命得以提高。同时，在上模和下模相互靠近的过程中，挤压筒结构与凸模之间可形成近似封闭(即半封闭或半闭式)腔体结构，迫使飞边处的坯料向凹模型腔内反向流动，最终实现对坯料的正反向定向挤压过程，完成上模和下模对坯料的近闭式(或称之为半闭式)挤压。

此外，在生产活塞裙这种回转体类薄壁筒(深筒)形状锻件时，形成的飞边边缘首先会进入径向分流腔，然后挤入挤压筒结构内壁与凸模外壁之间的侧面间隙内形成筒形(环形)薄飞边壁，而筒形(环形)薄飞边壁由于壁薄，温度下降较快，尺寸收缩量较大，易与凸模形成抱死现象，当一个锻造节拍结束后，凸模回程时，会将抱死的锻件从下模中带出且较难取下，从而影响锻造过程的流畅性和产品合格率。而本发明通过将上模下部的第二斜面斜度相对第一斜面的斜度加大，从而使得飞边不会紧贴凸模的外壁流动，而是形成喇叭口状的环形结构，由于减少了飞边与凸模外圆的接触面积，加上锻件的自重，可有效改善锻件与凸模之间的抱死问题，有利于锻件脱模。

本发明公开的薄壁筒形件半闭式成形模具，能够用于薄壁筒形件小飞边精密成形，比如预锻成形(工序)或终锻成形(工序)，可解决现有开式锻造方法所存在的飞边大、材料利用率较低以及机加工余量大、产品尺寸精度低的问题。

本发明还提供一种具有上述薄壁筒形件半闭式成形模具的薄壁筒形件半闭式成形系统，具有上述薄壁筒形件半闭式成形模具所具备的成形优势，可用于实现锻钢活塞裙等薄壁筒形件带小飞边的精密成形，同时飞边显著减小，原材料利用率高，有效减小设备成形力，使模具使用寿命明显提升。

另外，本发明还提供有一种基于上述薄壁筒形件半闭式成形模具进行的薄壁筒形件半闭式成形方法，采用多工步近净成形，产品尺寸精度高，加工余量少，有效减小了设备成形力，模具使用寿命提升明显。

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为本发明实施例所公开的薄壁筒形件半闭式成形模具的结构示意图(图中包含锻造工件或毛坯)；

图2为图1中I处的结构放大示意图(图中包含锻造工件或毛坯)；

图3为本发明实施例所公开的径向分流腔和轴向分流腔的结构示意图(图中包含锻造工件或毛坯)；

图4为本发明实施例所公开的薄壁筒形件半闭式成形系统的结构示意图(图中包含锻造工件或毛坯)；

图5为本发明实施例所公开的薄壁筒形件半闭式成形方法的流程示意图。

其中，附图标记为：100、薄壁筒形件半闭式成形模具；101、挤压筒结构；102、凹模型腔；103、径向承载部；104、凸模；105、第一斜面；106、第二斜面；107、轴向孔；108、径向分流腔；109、轴向分流腔；110、飞边；

1、镦粗上模；2、坯料；3、镦粗下模；4、预锻上模；5、预锻下模；6、预锻顶杆；7、终锻上模；8、终锻下模；9、终锻顶杆；10、切边凹模；11、有飞边的锻件；12、切边冲头；13、切边后的锻件。

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。

本发明的目的之一是提供一种薄壁筒形件半闭式成形模具，其能够用于薄壁筒形件小飞边精密成形，以解决上述现有开式锻造方法所存在的飞边大、材料利用率较低以及机加工余量大、产品尺寸精度低的问题。

本发明的另一目的还在于提供一种具有上述薄壁筒形件半闭式成形模具的薄壁筒形件半闭式成形系统。

本发明的再一目的还在于提供有一种基于上述薄壁筒形件半闭式成形模具进行的薄壁筒形件半闭式成形方法。

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。

实施例一：

如图1～图3所示，本实施例提出一种薄壁筒形件半闭式成形模具100，可用于薄壁筒形件的预锻成形或终锻成形，也可同时用于预锻成形和终锻成形，主要包括下模和上模，下模的顶部具有一向下凹设的挤压筒结构101，挤压筒结构101的底部设置有用于使薄壁筒形件开口朝下成形的凹模型腔102，凹模型腔102的顶部边缘与挤压筒结构101的内侧壁之间具有径向承载部103，以承载锻造过程中凹模型腔102内外溢的坯料。上模包括能够与上述挤压筒结构101配适的凸模104，该凸模104沿其轴向至少分为脱模段和闭模段，脱模段位于凸模104的下部(最下端)，闭模段位于脱模段的上方，脱模段的侧壁由上至下径向向内倾斜形成第一斜面105，闭模段的侧壁由上至下径向向内倾斜形成第二斜面106，且第一斜面105的斜度大于第二斜面106的斜度。其中，凸模104的底部(具体指下端面)与径向承载部103之间的间隙形成供外溢坯料沿径向分流的径向分流腔108，该径向分流腔108具体为一种设置在模具桥面(即上模和下模的对接处)处的横向薄飞边分流腔，可实现锻件飞边的可控分流成形(主要是飞边110的径向延展)。由于增设了挤压筒结构101，可以有力地阻止坯料早期飞边的形成，使锻件成形时形成的飞边较小，也就是说减小了锻件含飞边的轴向投影面积，从而减小锻件成形所需设备吨位，模具的使用寿命得以提高。由于挤压筒结构101有效减少了多余材料的外流，材料利用率大幅度提高，相对传统的筒形件开式模锻工艺，材料利用率可提升5％～10％。

本实施例中，凸模104沿其轴向除脱模段和闭模段之外，还可能存在其他延伸段，比如在脱模段和闭模段之间还有延伸段对二者进行连接，再比如在闭模段的上方还设置有另一延伸段用以固定凸模104。当然，在实际操作中，仅脱模段和闭模段与挤压筒结构101之间有配合关系，所以作为优选方式，脱模段和闭模段直接衔接(即二者的斜面交接处为拐角结构，如图2和图3所示)。在薄壁筒形件的锻造过程中，上述第一斜面105由于偏离挤压筒结构101的内侧壁，所以其能够与挤压筒结构101的内侧壁之间形成与径向分流腔108连通的轴向分流腔109，同时由于第一斜面105的斜度大于第二斜面106的斜度，所以轴向分流腔109的上方为近似“尖端”的结构，该“尖端”上方衔接的即是第二斜面106与挤压筒结构101的内侧壁之间的间隙。第二斜面106与挤压筒结构101的内侧壁配合，且第二斜面106与挤压筒结构101的内侧壁之间的间隙随着上模和下模的相互靠近逐渐减小，此时挤压筒结构101与凸模104之间已形成近似封闭(即半封闭或半闭式)腔体结构，迫使轴向分流腔109内的坯料向凹模型腔102内反向流动，最终实现对坯料的正反向定向挤压过程，完成上模和下模对坯料的近闭式(或称之为半闭式)挤压。上述“近似封闭”(或称之为“半封闭”、“半闭式”、“近闭式”)的形成是由于，虽然在上模和下模相互靠近的过程中凸模104和挤压筒结构101之间的缝隙逐渐减小，但是在上模和下模合模(上模和下模之间无法继续相互靠近)后，凸模104和挤压筒结构101之间仍然存在间隙，凸模104和挤压筒结构101之间的腔体并非完全密封，所以称之为“近似封闭”(或称之为“半封闭”、“半闭式”或“近闭式”)。

本实施例中，下模静置，上模的上方用于连接下行驱动，以驱使上模靠近或远离下模，实现上模和下模之间的合模和分模。该下行驱动可为现有的成形设备，比如热模锻压力机或螺旋压力机；也可以是简单的驱动机构，比如液压驱动、丝杆螺母机构等。

本实施例中，上述凹模型腔102的底部开设有轴向孔107，且轴向孔107朝向远离凹模型腔102的方向延伸并贯穿下模的下方。轴向孔107作为筒形件的开口端的分流结构(当筒形件为活塞裙时，其开口端对应的是活塞裙的裙边)，设置数量应尽量多，直径应尽量大，有利于排气、分流和排出润滑剂。轴向孔107的大小、数量以及具体设置位置应根据数值模拟和活塞裙等薄壁筒形件的成形特点，设在裙边最难成形、材料最后流动到达的部位(一般为裙边的四角部位)。作为优选方式，轴向孔107设置有多个，且多个轴向孔107在凹模型腔102的两侧均匀分布。比如轴向孔107的设置数量≥6个，凹模型腔102两侧至少各设置3个，同时优选各轴向孔107间隔均匀分布。

进一步地，上述轴向孔107优选为轴向圆孔，该轴向圆孔的孔径优选为φ3mm～φ6mm。

本实施例中，如图2和图3所示，挤压筒结构101的轴向长度(即挤压筒的深度)H可为5mm～60mm；第一斜面105与竖直线(该竖直线平行于挤压筒结构101的轴线)之间的夹角α₁可为15°～30°，第二斜面106与竖直线(该竖直线平行于挤压筒结构101的轴线)之间的夹角α₂可为0°～10°；径向承载部103，即挤压筒结构101与凹模型腔102之间的台阶面，其径向长度B为0mm～30mm，该径向长度B可用于确定挤压筒结构101在凹模型腔102外周方向上的具体设置位置；上模和下模合模时，如图2所示，第二斜面106与挤压筒结构101的内侧壁之间的间隙D为0.2mm～6mm。上述参数要根据锻件复杂系数和成形难度、锻造设备、模具精度以及成形过程金属流动情况等因素来综合考虑。理论上，侧向间隙，即第二斜面106与挤压筒结构101的内侧壁之间的间隙D越小、斜度α₂越小、斜度α₁越小，挤压筒结构101的轴向长度(即挤压筒的深度)H越大、挤压筒结构101与凹模型腔102之间台阶面的径向长度B越大，使得飞边110受到的阻力越大，阻料效果越好，有利于锻件充填成形。但同样挤压筒结构和模具型腔受到的成形载荷也越大，对模具寿命会有影响。故在活塞裙等薄壁筒形件成形工艺和模具设计时，需在坯料(材料)利用率、充填成形、模具寿命方面综合考虑，选取最优的挤压筒参数组合。作为一种优选的方式，挤压筒结构101的轴向长度(即挤压筒的深度)H可为25mm；第一斜面105与挤压筒结构101的轴线之间的夹角α₁可为15°，第二斜面106与挤压筒结构101的轴线之间的夹角α₂可为3°；径向承载部103的径向长度B可为10mm；上模和下模合模时，第二斜面106与挤压筒结构101的内侧壁之间的间隙D可为1.5mm。

值得注意的是，当第二斜面106与挤压筒结构101的内侧壁之间的间隙D＝0.2mm，斜度α₁和α₂均为0°，径向承载部103的径向长度B＝0mm时，此时模具结构已等同于闭式锻造模具。鉴于闭式锻造对于坯料体积精度、模具型腔体积精度、模具装配精度、模温润滑等工艺参数控制等要求极为严格，重量、尺寸较大，尺寸精度要求相对略低的重型锻钢活塞裙，为降低成本，平衡材料利用率和模具寿命，不建议采用。而精度要求较高的轻型车锻钢活塞裙，可考虑使用闭式结构。

本实施例中，模具各参数的设定还需注意：薄壁筒形件半闭式成形模具100设计的原则是重点考虑型腔中影响金属流动的部位，作一些形状简化，以减少金属流动阻力，利于型腔充填。尤其是在预锻工序中，由于薄壁筒形件，比如活塞裙成形的关键部位在于裙边，因其壁薄(≤10mm)、且深(≥60mm)的特点，成形难度极大，必须在预锻模具型腔设计时，在预锻下模内腔预留较多材料，用于终锻正挤压成形。薄壁筒形件半闭式成形模具100作为终锻模具时，挤压筒结构本身的参数设计和预锻基本相同，不同的是第二斜面106与挤压筒结构101的内侧壁之间的间隙D、第一斜面的斜度α₁、第二斜面的斜度α₂、径向承载部103的径向长度B应适当加大，以避让预锻成形时产生的飞边、便于薄壁筒预成形件的摆放。

本实施例中，作为优选方式，可通过上述薄壁筒形件半闭式成形模具100锻造成形的薄壁筒形件为活塞裙。该活塞裙具体可为一种锻钢活塞裙，使用材料可为38MnVS6(非调质钢)或42CrMo4(超高强度钢)。

预锻工序和终锻工序均可采用上述薄壁筒形件半闭式成形模具100，且工作原理基本相同，下面以采用上述薄壁筒形件半闭式成形模具100作为预锻工具使用进行具体说明。

预锻是变形最复杂的工序，预锻时，坯料随上模下压，纵向流动流向下模的凹模型腔102，同时横向溢出凹模型腔102进入横向分流腔108，产生飞边110，此时桥面处形成了横向分流腔108和轴向分流腔109。当飞边110碰到挤压筒结构101的内侧壁时停住，凸模104继续下压时，凸模104底端、挤压筒结构101的内侧壁以及凹模型腔102之间围合形成近似封闭的型腔，飞边110受到的阻力越来越大，迫使坯料从轴向分流腔109反向流动至上模、下模之间的型腔(位于轴向分流腔109径向以里的型腔)，实现对坯料的正反向挤压成形，直至坯料完全充满填上模、下模之间的型腔(位于轴向分流腔109径向以里的型腔)。预锻结束时由顶杆结构将锻件，比如活塞裙从下模中顶出。薄壁筒形件半闭式成形模具100作为终锻模具时对坯料的挤压成形过程和上述预锻相同，区别仅在于终锻模具所形成的型腔体积相对较小，形状更加贴近锻件最终的形状。对于活塞裙锻造，至少需一次预锻成形，为提高模具寿命和成形效果，可进行两次以上的预锻成形，且任意一次预锻成形分别采用一套预锻模具。实际操作中，由于活塞裙等薄壁筒形件筒壁很薄，多次预成形，会导致料温偏低，终锻成形困难，所以一般将预锻次数限制在两次以内。

上述可知，本实施例上述可用于预锻工步、终锻工步的薄壁筒形件半闭式成形模具100，通过设置挤压筒结构，实现了对坯料进行正、反方向定向挤压；同时，模具桥面处设置径向分流腔、轴向分流腔，凹模型腔内设置轴向孔，可实现活塞裙等薄壁筒形件的可控分流精密成形，上述径向分流腔、轴向分流腔以及轴向孔均起到坯料分流作用，实现了坯料的可控分流精密成形，径向分流腔、轴向分流腔以及轴向孔具体参数设置，包括数量、大小以及设置位置等可根据数值模拟来调整。上述薄壁筒形件半闭式成形模具100基于可控分流精密成形技术和正反向挤压技术，使得所形成的薄壁筒形件的飞边显著减小，原材料利用率提高，产品尺寸精度提高、加工余量减少，同时有效减小了设备成形力，使模具使用寿命显著提升。

实施例二：

如图1～图4所示，本实施例提出一种薄壁筒形件半闭式成形系统，其至少包括预锻模具和终锻模具，预锻模具和终锻模具中的至少一者为上述实施例一所述的薄壁筒形件半闭式成形模具100。作为优选方式，薄壁筒形件半闭式成形系统中的预锻模具和终锻模具分别设置一个，且预锻模具和终锻模具均为薄壁筒形件半闭式成形模具100。如图4所示，预锻模具中的预锻上模4和预锻下模5分别对应实施例一中薄壁筒形件半闭式成形模具100的上模、下模，终锻模具中的终锻上模8和终锻下模9分别对应实施例一中薄壁筒形件半闭式成形模具100的上模、下模，上述预锻模具和终锻模具的下模上分别配置有预锻顶杆6和终锻顶杆9，以将锻造成形的工件顶出，便于脱膜。预锻顶杆6和终锻顶杆9均为现有顶杆设置结构，具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实施例中，以薄壁筒形件为活塞裙为例，依据其常规的锻造工艺，薄壁筒形件半闭式成形系统中还配置有镦粗模具，该镦粗模具为一种现有的镦粗模具，其包括镦粗上模1和镦粗下模3，用于对预锻工序之前的坯料2进行镦粗处理，在镦粗之前还可对坯料2进行加热等一系列热处理。

进一步地，本实施例中还可在薄壁筒形件半闭式成形系统中配置切边模具，该切边模具用于终锻模具之后，包括切边凹模10和切边冲头12，用于对终锻形成的薄壁筒形件，即活塞裙，进行切边处理。该切边模具为一种现有模具，其结构和工作原理在此不再赘述；有飞边的锻件11经该切边模具切边处理后可得到切边后的锻件13。如图4所示，由左至右依次为镦粗模具、预锻模具、终锻模具和切边模具，其中，镦粗模具、预锻模具和终锻模具布排在一套工装模架上，使用同一主设备(热模锻压力机或螺旋压力机)带动模具，具体为：镦粗模具、预锻模具和终锻模具的上模均连接于主设备(热模锻压力机或螺旋压力机)的滑块，而镦粗模具、预锻模具和终锻模具的上模均置于主设备(热模锻压力机或螺旋压力机)的底座。

实施例三：

如图5所示，本实施例还提供一种薄壁筒形件半闭式成形方法，主要包括如下步骤:

S1、坯料预处理；

S2、将预处理后的坯料置于预锻模具的预锻下模上，使预锻上模和预锻下模相互靠近，以挤压坯料完成预锻成形，并形成开口朝下的薄壁筒预成形件；

S3、将薄壁筒预成形件置于终锻模具的终锻下模上，使终锻上模和终锻下模相互靠近，以挤压薄壁筒预成形件完成终锻成形，形成开口朝下的薄壁筒形件；

作为优选方式，上述预锻模具和终锻模具均采用实施例一所述的薄壁筒形件半闭式成形模具。

本实施例中，步骤S2中预锻成形可以依据实际操作需求仅进行一次或至少连续进行两次。对于活塞裙锻造，至少需一次预锻成形，为提高模具寿命和成形效果，可进行两次以上的预锻成形，且任意一次预锻成形分别采用一套预锻模具。实际操作中，由于活塞裙等薄壁筒形件筒壁很薄，多次预成形，会导致料温偏低，终锻成形困难，所以一般将预锻次数限制在两次以内。作为本实施例的优选方式，预锻成形工序设置为仅进行一次，相应的终锻成形工序也进行一次。

本实施例中，适用于该薄壁筒形件半闭式成形方法的薄壁筒形件可为活塞裙，基于此，还可对终锻成形工序中形成的薄壁筒形件，即活塞裙，进行步骤：S4、对活塞裙进行切边处理。

本实施例中，上述步骤S1中坯料预处理至少包括：对坯料2进行加热后镦粗挤压，以将坯料2镦粗到设定高度。

下面以采用上述实施例二所示的薄壁筒形件半闭式成形系统锻造锻钢活塞裙为例对本实施例上述薄壁筒形件半闭式成形方法作具体说明。其中，薄壁筒形件半闭式成形系统的预锻模具和终锻模具均采用实施例一所述的薄壁筒形件半闭式成形模具100。

上述薄壁筒形件半闭式成形方法具体为一种锻钢活塞裙带小飞边(小飞边中的“小”是指与现有形成工艺相比，本技术方案所形成的飞边耗材少，径向尺寸小)精密成形工艺方法。该方法，在热模锻压力机或螺旋压力机上主要采用镦粗工步、预锻工步、终锻工步和切边工步4个工步精密成形，第2、3工步分别采用薄壁筒形件半闭式成形模具100作为预锻模具和终锻模具，以实现近闭式挤压成形。具体过程如下：

步骤S1、坯料预处理，具体操作如下：

步骤S11、下料：根据工艺参数要求，使用高速圆盘锯下料，保证下料的重量和坯料切削端面的平整度，可使用材料为38MnVS6(非调质钢)或42CrMo4(超高强度钢)；

步骤S12、中频感应加热：将按工艺要求下料好的坯料2经过中频感应炉加热到规定的锻造温度1180℃～1240℃；

步骤S13、镦粗：将出炉的坯料2立放在镦粗台(镦粗下模3)上，镦粗上模1在热模锻压力机或螺旋压力机的滑块带动下向下运动，将坯料2镦粗到工艺规定的高度，同时去除坯料2表面的氧化皮。通过镦粗工步将坯料2(圆棒料)进行整体纵向压扁，可增大坯料的横截面面积，便于后续工步成形。

步骤S2、预锻成形：将镦粗后的坯料2放到预锻下模5中凹模型腔的模芯上，预锻上模4在热模锻压力机或螺旋压力机的滑块带动下向下运动，将坯料2向下挤压，直至充满预锻模具的凹模型腔，形成活塞裙预成形件。

步骤S3、终锻成形：将经过预锻成形的活塞裙预成形件，放入终锻下模8的凹模型腔中，终锻上模7在热模锻压力机或螺旋压力机的滑块带动下向下运动，使活塞裙预成形件在终锻模具的凹模型腔内进一步产生形变，得到尺寸合格的锻件，即活塞裙。终锻成形后的锻件，即活塞裙，带有飞边。

步骤S4、切边处理：终锻成形结束后，通过切边模具去除锻件，即活塞裙的飞边。切边处理优选热切边工艺，属于辅助工序，其设计同普通热切边模具相同。

步骤S4之后，还可根据操作需求对锻件，即活塞裙依次进行热处理和后处理。热处理是指，在锻件经锻造工序后，要根据不同材质进行热处理，主要为控制冷却和调质处理。后处理则包括磁粉探伤、抛丸清理、包装入库等工序。

由此可见，本技术方案公开的薄壁筒形件半闭式成形模具、系统以及工艺，能够实现锻钢活塞裙带小飞边精密成形，并对开式模锻中存在的生产效率偏低，材料利用率不高，产品尺寸精度不稳定，模具寿命低等问题，进行了改进，改善了锻件的质量，提高了生产效率和模具寿命，降低了锻件锻造成本。具体具有如下有益效果：

(1)在对上述薄壁筒形件半闭式成形模具、系统以及工艺进行设计时可先运用计算机数值模拟技术，对活塞裙的成形过程进行锻造仿真数值模拟，用于验证坯料、成形力、材料流动、型腔设计合理性，既可以预测锻造成形力及金属流动情况，又可以预测锻件的成形吨位，有利于提前发现缺料和折叠等锻造缺陷，减少产品开发初期的试模次数，大大缩短产品的开发周期。根据开发经验，使用计算机数值模拟技术进行仿真数值模拟，可使锻钢活塞裙等薄壁筒形件产品的开发时间节约2周(14天)以上。

(2)优选在预锻、终锻工序所用的成形模具均增设挤压筒结构，可在活塞裙等薄壁筒形件锻造成形时，分型面处刚开始有飞边形成时，挤压筒结构与凸模之间便已形成近似封闭腔体结构，迫使坯料反向流至下模的凹模型腔内，完成活塞裙等薄壁筒形件上下模腔的近闭式挤压，最终实现活塞裙等薄壁筒形件带小飞边的精密成形。增设的挤压筒结构，可以有力地阻止坯料(材料)早期飞边的形成，使锻件成形时形成的飞边较小，这也就减小了锻件飞边的轴向投影面积，从而减小锻件成形所需设备吨位，模具的使用寿命得以提高。由于挤压筒结构有效减少了多余坯料(材料)的外流，坯料(材料)利用率大幅度提高，相对传统回转体薄壁筒形件的开式模锻工艺，坯料(材料)利用率可提升5％～10％。

(3)经锻造生产验证，与挤压筒结构配合的凸模侧壁多为圆柱面，即凸模的下端面与侧壁之间的夹角为直角(简称“直角式”)，在生产活塞裙这类回转体类薄壁筒(深筒)形状锻件时，多余坯料挤入挤压筒结构内壁与凹模外壁之间的间隙形成环状(筒状)薄飞边，而薄飞边温度下降较快，尺寸收缩量较大，易与凸模形成抱死现象，从而使得锻件抱死在凸模上。当一个锻造节拍结束后，凸模回程时，会将抱死的锻件从下模中带出且较难取下，导致锻造过程不流畅且影响产品的合格率。本技术方案通过将凸模外圆设计为由第一斜面和第二斜面衔接而成的两截结构，并使凸模末端外圆(“末端外圆”即第一斜面)斜度加大，可达到如下效果：

①凸模末端外圆斜度加大，飞边在径向分流腔内径向向外延展时，在碰到挤压筒结构的内壁后由于惯性，不会返回，而是贴合挤压筒结构的内壁向上(远离下模的方向)分流，从而不会与上述凸模末端外圆(即第一斜面)接触，而是形成喇叭口状的环形结构，如图2所示，由于减少了飞边与凸模末端外圆(即第一斜面)的接触面积，加上锻件的自重，可有效改善锻件与凸模的抱死问题；

②凸模底端面与下模之间的径向分流腔以及上述第一斜面与挤压筒结构内侧壁之间形成的轴向分流腔相互连通，从而在模具桥面处形成“三角形”结构，该“三角形”结构实质为由凸模末端外圆(即第一斜面)、挤压筒结构内侧壁以及前述的径向承载部(上模顶部的环形端面)在上下模合模过程中所形成的环形空间的径向截面结构，由于凸模底端与前述的径向承载部(上模顶部的环形端面)之间夹持有飞边结构，所以上述“三角形”结构并非完全封闭的三角形，仅是类似三角形，上述“三角形”结构的底部包含部分径向分流腔，“三角形”结构内位于径向分流腔上方的部分即为轴向分流腔。因此，上述由凸模末端外圆(即第一斜面)、挤压筒结构内侧壁以及前述的径向承载部(上模顶部的环形端面)在上下模合模过程中所形成的环形空间实际上是一个横向和纵向同时分流的薄飞边分流腔，能够在满足成形的前提下，有效降低模锻成形负荷、提高模具使用寿命和锻件成形性能。

(4)模具下模的凹模型腔底部，具体为活塞裙的裙边成形处设计的轴向孔，具体具有如下作用：

①在裙边充填饱满后，轴向孔还可起到分流孔的作用，即使裙边坯料分流，容纳多余材料，有利于延长模具寿命；

②活塞裙锻造成形快结束时，凹模型腔处于封闭状态，内有空气被压缩，造成模具所受压力增大，同时坯料(材料)向下流动困难，影响活塞裙裙边的充填。而裙边处开设轴向孔可以排凹模型腔内的气体，释放压力，保证裙边充填饱满，尤其是预锻工步中；

③由于上述轴向孔对于多余坯料的容纳，使得最终锻件，即活塞裙的裙边形成若干小凸起，在生产过程中操作工人自检时，还可作为裙边充填是否饱满的重要参照物；

④在一个锻造节拍结束后，向凹模型腔内喷洒液体脱模润滑剂(一般为石墨乳)时，上述轴向孔可作为多余润滑剂的排泄孔，避免多余润滑剂在模具型腔堆积，影响后续锻件成形，这在预锻模具和终锻模具中均有体现。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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 (11)

1.一种薄壁筒形件半闭式成形模具，其特征在于，用于薄壁筒形件的预锻成形和/或终锻成形，包括：

下模，所述下模的顶部具有一下凹的挤压筒结构(101)，所述挤压筒结构(101)的底部设置有用于使所述薄壁筒形件开口朝下成形的凹模型腔(102)，所述凹模型腔(102)的顶部边缘与所述挤压筒结构(101)的内侧壁之间具有径向承载部(103)，以承载锻造过程中外溢的坯料；

上模，所述上模包括能够与所述挤压筒结构(101)配适的凸模(104)，所述凸模(104)沿其轴向至少分为脱模段和闭模段，所述脱模段位于所述凸模(104)的下部，所述闭模段位于所述脱模段的上方；所述脱模段的侧壁由上至下径向向内倾斜形成第一斜面(105)，所述闭模段的侧壁由上至下径向向内倾斜形成第二斜面(106)，且所述第一斜面(105)的斜度大于所述第二斜面(106)的斜度；

其中，所述凸模(104)的底部与所述径向承载部(103)之间的间隙形成供外溢坯料沿径向分流的径向分流腔(108)，所述第一斜面(105)能够与所述挤压筒结构(101)的内侧壁之间形成与所述径向分流腔(108)连通的轴向分流腔(109)，所述第二斜面(106)用于与所述挤压筒结构(101)的内侧壁配合，且所述第二斜面(106)与所述挤压筒结构(101)的内侧壁之间的间隙随着所述上模和所述下模的相互靠近逐渐减小，以迫使所述轴向分流腔(109)内的坯料向所述凹模型腔(102)内反向流动，最终实现正反挤压成形。

2.根据权利要求1所述的薄壁筒形件半闭式成形模具，其特征在于，所述凹模型腔(102)的底部开设有轴向孔(107)，所述轴向孔(107)朝向远离所述凹模型腔(102)的方向延伸并贯穿所述下模的下方。

3.根据权利要求1所述的薄壁筒形件半闭式成形模具，其特征在于，所述挤压筒结构(101)的轴向长度为5mm～60mm；所述第一斜面(105)与所述挤压筒结构(101)的轴线之间的夹角为15°～30°，所述第二斜面(106)与所述挤压筒结构(101)的轴线之间的夹角为0°～10°；所述径向承载部(103)的径向长度为0mm～30mm；所述上模和所述下模合模时，所述第二斜面(106)与所述挤压筒结构(101)的内侧壁之间的间隙为0.2mm～6mm。

4.根据权利要求3所述的薄壁筒形件半闭式成形模具，其特征在于，所述挤压筒结构(101)的轴向长度为25mm；所述第一斜面(105)与所述挤压筒结构(101)的轴线之间的夹角为15°，所述第二斜面(106)与所述挤压筒结构(101)的轴线之间的夹角为3°；所述径向承载部(103)的径向长度为10mm；所述上模和所述下模合模时，所述第二斜面(106)与所述挤压筒结构(101)的内侧壁之间的间隙为1.5mm。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的薄壁筒形件半闭式成形模具，其特征在于，所述薄壁筒形件为活塞裙。

6.一种薄壁筒形件半闭式成形系统，至少包括预锻模具和终锻模具，其特征在于，所述预锻模具和所述终锻模具中的至少一者为如权利要求1-5任意一项所述的薄壁筒形件半闭式成形模具。

7.根据权利要求6所述的薄壁筒形件半闭式成形系统，其特征在于，所述预锻模具和所述终锻模具分别设置一个，且所述预锻模具和所述终锻模具均为所述薄壁筒形件半闭式成形模具。

8.一种薄壁筒形件半闭式成形方法，其特征在于，包括步骤:

S1、坯料预处理；

S2、将预处理后的所述坯料置于预锻模具的下模上，使所述预锻模具的上模和下模相互靠近，以挤压所述坯料完成预锻成形，并形成开口朝下的薄壁筒预成形件；

S3、将所述薄壁筒预成形件置于终锻模具的下模上，使所述终锻模具的上模和下模相互靠近，以挤压所述薄壁筒预成形件完成终锻成形，形成开口朝下的薄壁筒形件；

其中，所述预锻模具和所述终锻模具中的至少一者为如权利要求1-5任意一项所述的薄壁筒形件半闭式成形模具。

9.根据权利要求8所述的薄壁筒形件半闭式成形方法，其特征在于，所述预锻模具和所述终锻模具均设置为所述薄壁筒形件半闭式成形模具。

10.根据权利要求8或9所述的薄壁筒形件半闭式成形方法，其特征在于，所述薄壁筒形件为活塞裙，所述薄壁筒形件半闭式成形方法还包括步骤：

S4、对所述活塞裙进行切边处理。

11.根据权利要求8或9所述的薄壁筒形件半闭式成形方法，其特征在于，步骤S1中所述坯料预处理至少包括：对所述坯料进行加热后镦粗挤压，以将所述坯料镦粗到设定高度。