CN114260402B - 大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模锻成型技术领域，提供了一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法；通过成型载荷与材料利用率两个指标来综合分析并确定球壳段的设计余量，可实现大直径薄壁球壳类整体模锻件的精密设计，使锻件成型时在保持较低成型载荷的情况下具有较高的材料利用率，为大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型奠定基础，使大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型成为可能。本发明还提供了一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，可根据实际生产设备的能力和锻件材料的利用率要求，通过准确设计球壳段的设计余量，从而达到在模锻时兼顾成型载荷与材料利用率的目的。

Description

大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法

技术领域

本发明涉及模锻成型技术领域，尤其是一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法。

背景技术

大直径薄壁球壳类锻件指的是直径大于一米，球壳段的壁厚在20毫米以内的锻件。在航天、核电与深潜领域通常会用到大直径薄壁球壳类锻件，随着科学技术与工业水平的不断提高，整机设计对锻件的要求也在不断提高，越来越多的需要采用整体模锻成型来满足更高的零件设计要求。

由于这类锻件的直径规格较大，而截面尺寸又较小，若采用普通的锻件设计方法，会根据锻件材料特性和锻件结构，锻件各部位采用同一设计余量，这会导致两种结果，一是设计余量偏小，会导致成型载荷极大，进而导致模具磨损严重，甚至成型载荷超出成型设备能力范围；二是整体设计余量偏大，会导致材料利用率低，整体成型必要性降低。

因此若采用整体模锻的成型工艺，需开展锻件各部位设计余量对成型载荷与材料利用率影响规律的研究，需要兼顾模锻成型时的成型载荷与材料利用率，确定出各部位最优的设计余量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法，实现大直径薄壁球壳类整体模锻件的精密设计，为大直径薄壁球壳类模锻件的整体模锻成型奠定基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，包括如下步骤：

S1、根据大直径薄壁球壳类整体模锻件的特点对荒坯进行初步的形状与尺寸设计；在结构形状和其余设计余量不变的情况下，通过增加球壳段的设计余量，设计出一系列球壳段不同余量的荒坯；

S2、在成型数值模拟软件上对步骤S1中的一系列球壳段不同余量的荒坯进行模锻成型模拟；获得球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，以及球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线；

S3、根据球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，找出球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线在急剧下降段与低载荷平稳段相交处对应的球壳段设计余量a，并找出球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线与设备锻造能力线相交处对应的球壳段设计余量c；根据球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线，找出球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线开始快速降低时对应的球壳段设计余量b；

S4、根据步骤S1中荒坯的初步设计形状和尺寸，在结构形状和其余设计余量不变的情况下，按照如下设计方式完成荒坯的设计：

当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计在a～b之间；

当a≥b＞c时，将球壳段的设计余量设计在b～c之间；

在其余情况下，将球壳段的设计余量设计为c。

进一步的，步骤S4中，当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计为a；当a≥b＞c时，将球壳段的设计余量设计为b。

进一步的，步骤S1中，球壳段的设计余量设计在球壳段的外表面。

进一步的，步骤S2中，所述成型数值模拟软件为deform软件。

进一步的，步骤S2中，在相同的模拟边界条件下进行模锻成型模拟。

进一步的，所述模拟边界条件包括锻造温度、摩擦系数和热交换系数。

进一步的，步骤S2中，在对一系列球壳段不同余量的荒坯进行模锻成型模拟时，均在相同的模具型腔中模拟下压恒定高度来得到成型载荷和材料利用率与球壳段设计余量的关系。

进一步的，所述恒定高度为1-3mm。

大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，采用所述的设计方法设计荒坯；然后根据荒坯的设计图制备荒坯；然后对荒坯件进行模锻成型。

本发明的有益效果是：

本发明实施例提供的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，通过成型载荷与材料利用率两个指标来综合分析并确定球壳段的设计余量，可实现大直径薄壁球壳类整体模锻件的精密设计，使锻件成型时在保持较低成型载荷的情况下具有较高的材料利用率，为大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型奠定基础，使大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型成为可能。

本发明实施例提供的大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，可根据实际生产设备的能力和锻件材料的利用率要求，通过准确设计球壳段的设计余量，从而达到在模锻时兼顾成型载荷与材料利用率的目的；不仅解决了由于球壳段的设计余量过小而造成成型载荷较大，进而导致成型设备没有能力将锻件完全充满型腔而使模锻成型失败的问题；还解决了由于球壳段的设计余量过大而造成材料利用率较低，进而导致整体模锻成型的必要性和成型优势降低的问题。

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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是大直径薄壁球壳类整体模锻件的结构示意图；

图2是用于模锻成模锻件的荒坯的结构示意图；

图3是球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线图；

图4是球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

图1是大直径薄壁球壳类整体模锻件的结构示意图。参见图1，大直径薄壁球壳类整体模锻件的直径D＞1米，球壳段的壁厚T≤20毫米。这类模锻件通常会有很大一部分属于球壳形状，且球壳段的截面尺寸很小。假如该锻件材质为高强钢，一般用于模锻成模锻件的荒坯的设计余量是7-10mm，如果球壳段也采用该设计余量，会导致球壳段的绝对尺寸很小，成型载荷会极大，同时材料流动阻力也会很大，因此这类锻件的球壳段需要适当加大设计余量。但目前均是凭经验增加球壳段的设计余量，具体增加多少合适，并没有统一的标准。

如果球壳段的余量增加后仍然较小，则会导致模具型腔存在较长的狭窄区，成型时该区域的坯料温度会急剧下降，导致材料的流动塑性减小，进而使成型载荷升高，模具磨损加剧；甚至会导致锻件无法充满型腔，使模锻成型失败；由于模具磨损严重，同时会使锻件的表面质量较差。与此相反，如果球壳段的余量增加后过大，会导致材料利用率过低，所需原材料规格将更大；由于该类锻件尺寸规格较大，每增加1mm余量都会极大的降低材料利用率，加之锻件本身规格体量的原因，所需原材料规格往往已经超标准规格，如不能最大可能的提高材料利用率，该类锻件在原材料方面将面临极大的风险，最终导致锻件存在性能风险，甚至报废。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法。

本发明实施例提供的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，包括如下步骤：

S1、根据大直径薄壁球壳类整体模锻件的特点对荒坯进行初步的形状与尺寸设计；在结构形状和其余设计余量不变的情况下，通过增加球壳段的设计余量，设计出一系列球壳段不同余量的荒坯；

S2、在成型数值模拟软件上对步骤S1中的一系列球壳段不同余量的荒坯进行模锻成型模拟；获得球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，以及球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线；

S3、根据球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，找出球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线在急剧下降段与低载荷平稳段相交处对应的球壳段设计余量a，并找出球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线与设备锻造能力线相交处对应的球壳段设计余量c；根据球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线，找出球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线开始快速降低时对应的球壳段设计余量b；

S4、根据步骤S1中荒坯的初步设计形状和尺寸，在结构形状和其余设计余量不变的情况下，按照如下设计方式完成荒坯的设计：

当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计在a～b之间；

当a≥b＞c时，将球壳段的设计余量设计在b～c之间；

在其余情况下，将球壳段的设计余量设计为c。

步骤S1中，根据大直径薄壁球壳类整体模锻件的结构特点，选取合理的分模面、拔模斜度和名义设计余量，并按照常规设计思路和经验初步确定口部竖直段和顶部的设计参数，以完成荒坯的初步设计。所述荒坯指的是用于通过模锻成型为终锻件的零件。在荒坯的初步设计方案基础上，确定薄壁区域的面积和可接受的最大与最小余量，并在荒坯结构形状和其余设计余量不变的情况下，通过增加球壳段的设计余量，设计出一系列球壳段不同余量的荒坯。参见图2，图中虚线部分为模锻件的结构，实线部分为荒坯的结构。

根据荒坯的结构特点可以看出，荒坯内表面为圆滑过渡，因此，在对球壳段设计不同加工余量时，优选将球壳段的设计余量设计在球壳段的外表面；这样不仅可以减小外表面轮廓的变化差异，有利于模锻成型时材料的流动，而且外表面球壳弧面的余量变化相对独立，不会影响锻件的大口端和壳顶结构。

步骤S2中，所述成型数值模拟软件优选为deform软件。具体的，在软件中绘出一系列球壳段不同余量的荒坯，将一系列荒坯分别放在相同的模具型腔内，并设置相同的模拟边界条件，如相同的锻造温度、相同的摩擦系数和相同的热交换系数；这样在相同的初始条件下，模拟下压恒定高度来得到成型载荷和材料利用率与球壳段设计余量的关系；例如，所述恒定高度为1-3mm。这样可以规避球壳段不同设计余量导致坯料体积或成型过程的变化，避免干扰成型载荷的计算。然后对模拟后的数据进行统计，并绘制出球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，以及球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线，如图3、图4所示。

步骤S3中，参见图3，从球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线可以看出，球壳段的设计余量越大，成型载荷越小，且球壳段设计余量与成型载荷的关系整体为台阶型关系。球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线从左向右主要包括三段，分别是高载荷平稳段、急剧下降段和低载荷平稳段；其中，高载荷平稳段和低载荷平稳段中成型载荷的减小速度较小，而急剧下降段中成型载荷的减小速率较大。

左侧的高载荷平稳段一般是由于球壳段设计余量太小，金属温度下降快，金属流动困难导致成型载荷高于经验公式计算值；其中，经验公式计算值为：F＝P×S；F为经验公式计算载荷，P为与材料特性和成型温度相关的常量，S为锻件成型时的水平投影面积。当球壳段设计余量加大到某值时，成型载荷会急速下降以进入到急剧下降段，表示薄界面球壳段结构对成型载荷的贡献值在下降，如继续加大球壳段设计余量至下一个临界设计余量后，成型载荷会趋于水平以进入到低载荷平稳段，这时经验公式再次适用，由于整个设计过程没有改变锻件的投影面积，所以最终成型载荷趋向于某一特定值，该特定值就是经验公式计算值。

从图3中可以看出，球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线在急剧下降段与低载荷平稳段相交处对应的球壳段设计余量为a；球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线与设备锻造能力线相交处对应的球壳段设计余量为c。所述设备锻造能力线指的是锻造设备所能提供的最大锻压力。图3中仅示出了a大于c的情况；当然，在其他实施例中，a还可以小于或等于c。

参见图4，根据球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线，以及实际情况计算和结构分析，材料利用率与设计余量为反相关的关系，即球壳段设计余量越大、材料利用率越小，同时由于锻件大小段与球壳段连接处均有斜度，所以当球壳段设计余量增加时，球壳段的长度也略有增加，因此，材料利用率随着球壳段设计余量的增加而减小的关系不是线性的，而是随着球壳段设计余量的增加，材料利用率下降的越快。从图4中可以看出，材料利用率开始快速降低时对应的球壳段设计余量为b。

步骤S4中，根据步骤S1中荒坯的初步设计形状和尺寸，在结构形状和其余设计余量不变的情况下，按照如下设计方式完成荒坯的设计：

1、当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计在a～b之间；这样可保证在设备锻造能力之内，提高材料的利用率。优选的，当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计为a；这样就可保证在设备具有较低成型载荷的同时，具有最大的材料利用率。

2、当a≥b＞c或b≥c＞a时，将球壳段的设计余量设计在b～c之间；这样可保证在设备锻造能力之内，提高材料的利用率。优选的，当a≥b＞c或b≥c＞a时，将球壳段的设计余量设计为b；这样就可保证在设备具有较低成型载荷的同时，具有最大的材料利用率。

3、在其余情况下，将球壳段的设计余量设计为c；此时表明设备所能提供的最大锻压力较小，只能根据设备能力选择球壳段的设计余量，以保证模锻的正常进行。

本发明实施例提供的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，通过成型载荷与材料利用率两个指标来综合分析并确定球壳段的设计余量，可实现大直径薄壁球壳类整体模锻件的精密设计，使锻件成型时在保持降低成型载荷的情况下具有较高的材料利用率，为大直径薄壁球壳类模锻件的整体模锻成型奠定基础，使大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型成为可能。

本发明实施例提供的大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，采用上述设计方法设计荒坯；然后根据荒坯的设计图制备荒坯；然后对荒坯件进行模锻成型。

实施例1：

大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，锻件材质为高强钢，包括如下步骤：

S1、锻件材质为高强钢；根据锻件的特点对荒坯进行初步的形状与尺寸设计；在结构形状和其余设计余量不变的情况下，通过增加球壳段的设计余量，设计出一系列球壳段设计余量为0-30mm的荒坯；

S2、采用deform软件对步骤S1中的荒坯进行模锻成型模拟，模拟下压1mm时的成型载荷和材料利用率，并绘制如图3、图4所示的关系曲线；

S3、参见图3，球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线在急剧下降段与低载荷平稳段相交处对应的球壳段设计余量a＝12mm，球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线与设备锻造能力线相交处对应的球壳段设计余量c＝10.7mm。参见图4，球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线开始快速降低时对应的球壳段设计余量b＝16mm。

S4、由于b＞a＞c，因此，根据步骤S1中荒坯的初步设计形状和尺寸，在结构形状和其余设计余量不变的情况下，将荒坯球壳段的设计余量设计为12mm，完成荒坯的设计；

S5、然后根据荒坯的设计图制备荒坯，然后对荒坯件进行模锻成型。

本发明实施例提供的大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，可根据实际生产设备的能力和锻件材料的利用率要求，通过准确设计球壳段的设计余量，从而达到在模锻时兼顾成型载荷与材料利用率的目的；不仅解决了由于球壳段的设计余量过小而造成成型载荷较大，进而导致成型设备没有能力将锻件完全充满型腔而使模锻成型失败的问题；还解决了由于球壳段的设计余量过大而造成材料利用率较低，进而导致整体模锻成型的必要性和成型优势降低的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据大直径薄壁球壳类整体模锻件的特点对荒坯进行初步的形状与尺寸设计；在结构形状和其余设计余量不变的情况下，通过增加球壳段的设计余量，设计出一系列球壳段不同余量的荒坯；

S2、在成型数值模拟软件上对步骤S1中的一系列球壳段不同余量的荒坯进行模锻成型模拟；获得球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，以及球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线；

S3、根据球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，找出球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线在急剧下降段与低载荷平稳段相交处对应的球壳段设计余量a，并找出球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线与设备锻造能力线相交处对应的球壳段设计余量c；根据球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线，找出球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线开始快速降低时对应的球壳段设计余量b；

S4、根据步骤S1中荒坯的初步设计形状和尺寸，在结构形状和其余设计余量不变的情况下，按照如下设计方式完成荒坯的设计：

当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计在a～b之间；

当a≥b＞c时，将球壳段的设计余量设计在b～c之间；

在其余情况下，将球壳段的设计余量设计为c。

2.根据权利要求1所述的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，步骤S4中，当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计为a；当a≥b＞c时，将球壳段的设计余量设计为b。

3.根据权利要求1所述的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，步骤S1中，球壳段的设计余量设计在球壳段的外表面。

4.根据权利要求1所述的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，步骤S2中，所述成型数值模拟软件为deform软件。

5.根据权利要求1所述的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，步骤S2中，在相同的模拟边界条件下进行模锻成型模拟。

6.根据权利要求5所述的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，所述模拟边界条件包括锻造温度、摩擦系数和热交换系数。

7.根据权利要求1所述的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，步骤S2中，在对一系列球壳段不同余量的荒坯进行模锻成型模拟时，均在相同的模具型腔中模拟下压恒定高度来得到成型载荷和材料利用率与球壳段设计余量的关系。

8.根据权利要求7所述的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，所述恒定高度为1-3mm。

9.大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的设计方法设计荒坯；然后根据荒坯的设计图制备荒坯；然后对荒坯件进行模锻成型。