CN114309404B - 薄壁筒形件闭式成形方法及成形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄壁筒形件闭式成形方法，属于金属塑性精密成形技术领域，采用基于复动挤压技术和可控分流技术的复合精密成形技术，实现锻钢活塞裙等薄壁筒形件无飞边闭式精密成形。该薄壁筒形件闭式成形方法不产生飞边，原材料利用率高，产品尺寸精度高，加工余量少，同时锻造过程中，锻钢活塞裙等薄壁筒形件开口向上，便于实现自动化生产。本发明公开一种薄壁筒形件闭式成形系统，能够用于进行上述薄壁筒形件闭式成形方法。

Description

薄壁筒形件闭式成形方法及成形系统

技术领域

本发明属于金属塑性精密成形技术领域，特别是涉及薄壁筒形件闭式成形方法及成形系统。

背景技术

随着节能减排要求的不断提升，发动机的强化指标和排放标准在不断的提高，其中活塞是影响发动机性能的核心部件。柴油发动机和气体发动机的铝合金活塞现已被锻钢活塞逐步替代，锻钢活塞跟传统铝合金活塞相比主要有以下三点优势：

1、钢的强度比铝高很多，在满足相同使用需求的情况下，锻钢活塞的高度可以降低、壁厚可以减薄，减轻发动机重量、节省材料、降低成本。锻钢活塞的高度可降低30％，减少摩擦损失，降低燃油耗，最多可降低1％的燃油耗；

2、钢的热膨胀系数比铝小很多，发动机热态运行时，铝合金活塞和缸套之间的间隙会非常小，接近于零，而锻钢活塞可以保证比较大的间隙。小间隙会导致摩擦损失高，仅仅是因为活塞跟缸套之间的间隙不同，锻钢活塞可以节省1％的燃油耗；

3、钢可以承受的温度和压力比铝高很多，可以进一步提升发动机的燃烧温度和爆发压力，降低燃油耗、减少排放量，目前锻钢活塞发动机的爆发压力可以达到220bar以上。

锻钢活塞现在已经发展为分体式结构，生产过程如下：活塞头部、裙部毛坯分别锻造成形→活塞头部、裙部毛坯粗加工→活塞头部与裙部焊接→超声波检测焊缝质量→活塞精加工→活塞表面处理，其中薄壁深筒形状的活塞裙毛坯成形难度最大。

目前，薄壁深筒形状的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、终锻、切边和冲孔五个工步成形。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、为了提高加工效率、节省刀具费用，锻钢活塞的机加工厂要求提高毛坯的成形精度，减少机加工余量，省去部分部位的机加工。很显然，通用的开式锻造方法很难实现这种薄壁深筒形状的锻钢活塞裙毛坯的近净成形；

3、目前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、目前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；

5、目前通用的开式锻造方法产生飞边、且薄壁深筒状锻钢活塞裙的薄裙边开口向下，自动化生产时工件的夹取不稳定。

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有飞边、材料利用率较低以及机加工余量大、产品尺寸精度低、自动化生产不稳定等问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种薄壁筒形件闭式成形方法，适用于锻钢活塞裙等薄壁深筒形件的锻造成形，以解决上述现有开式锻造方法所存在的有飞边、材料利用率较低以及机加工余量大、产品尺寸精度低、自动化生产不稳定等问题。

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闭式成形方法，至少具有步骤：

S1、坯料预处理；

S2、将预处理后的所述坯料置于预锻模具的预锻下模上，使所述预锻模具的预锻上模和所述预锻下模相互靠近，以挤压所述坯料完成预锻成形，并形成开口朝上的薄壁筒预成形件；其中，所述预锻上模在与所述预锻下模相互靠近的过程中，先与所述预锻下模形成封闭预成形腔，之后所述预锻上模相对于所述预锻下模整体继续下行，直至所述预锻上模与所述预锻下模合模之后，所述预锻上模的预锻上模芯继续相对于所述预锻下模单独下行以挤压所述坯料；

S3、将所述薄壁筒预成形件置于终锻模具的终锻下模上，使所述终锻模具的终锻上模和所述终锻下模相互靠近，以挤压所述薄壁筒预成形件完成终锻成形，并最终形成开口朝上的薄壁筒形件；其中，所述终锻上模上置分流孔，所述终锻下模上设置分流仓，所述薄壁筒形件终锻成形过程中，所述薄壁筒预成形件的筒壁多余坯料进入所述分流孔，所述薄壁筒预成形件的筒底多余坯料进入所述分流仓。

可选的，步骤S2中所述预锻成形至少连续进行两次。

可选的，步骤S2中所述预锻成形连续进行两次，包括步骤：

S2.1、将预处理后的所述坯料置于一次预锻模具的预锻下模上，使所述一次预锻模具的预锻上模和所述一次预锻模具的预锻下模相互靠近，以挤压所述坯料完成一次预锻成形，并形成开口朝上的一次预成形件；

S2.2、将所述一次预成形件置于二次预锻模具的预锻下模上，使所述二次预锻模具的预锻上模和所述二次预锻模具的预锻下模相互靠近，以挤压所述一次预成形件完成二次预锻成形，并形成所述薄壁筒预成形件。

可选的，步骤S3中，所述终锻上模在与所述终锻下模相互靠近的过程中，先与所述终锻下模形成封闭终成形腔，之后所述终锻上模相对于所述终锻下模整体继续下行，以使所述终锻上模的终锻上模芯挤压所述薄壁筒预成形件，直至所述终锻上模与所述终锻下模合模。

可选的，所述薄壁筒形件为活塞裙，所述薄壁筒形件闭式成形方法还包括步骤：

S4、对所述活塞裙进行冲孔处理。

可选的，步骤S4包括：

S4.1、将步骤S3形成的所述活塞裙的薄裙边开口向上置于冲孔凹模上，并将所述活塞裙的法兰面压紧；

S4.2、使冲孔冲头下行，以冲掉所述活塞裙的中间连皮。

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中所述坯料预处理之前，需要准备坯料，常用坯料为锻钢棒料。为提高坯料热塑性和降低变形抗力，将其经过感应加热至再结晶温度之上(比如Ac3+300～350℃，即高于再结晶温度300℃～350℃)，坯料温度不能过高或过低。完成坯料加热后，可开始镦粗挤压成形，具体可为：坯料经过加热后被机械手或手工钳夹持放置于镦粗下模上，镦粗上模随设备(下行驱动)上滑块一起向下运动，对坯料进行镦粗挤压。当坯料镦粗到设定的高度时，设备(下行驱动)上滑块带动镦粗上模回程，坯料镦粗成形完成。其中，所用设备(下行驱动)可为热模锻压力机或螺旋压力机。

可选的，所述预锻下模包括：

预锻下垫板；

预锻下模套，所述预锻下模套固定于所述预锻下垫板上；

预锻下模芯，所述预锻下模芯套装于所述预锻下模套内，且所述预锻下模芯的顶端高出所述预锻下模套设置；所述预锻下模芯高出所述预锻下模套的部分，能够与所述预锻上模合模形成所述封闭预成形腔；

所述预锻上模包括：

预锻上垫板，用于连接下行驱动；

预锻凹模连接板，所述预锻凹模连接板的顶端通过浮动机构连接于所述预锻上垫板的底端；所述浮动机构能够使所述预锻上垫板与所述预锻凹模连接板相互靠近或相互远离；

预锻凹模组件，所述预锻凹模组件包括预锻上模套组件，所述预锻上模套组件固定于所述预锻凹模连接板的底端，所述预锻上模套组件能够套装于所述预锻下模芯的外部，以使所述预锻下模芯、所述预锻上模套组件以及所述预锻上垫板之间形成所述封闭预成形腔；

预锻上模芯，所述预锻上模芯套装于所述预锻上模套组件内，所述预锻上模芯与所述预锻上模套组件之间的间隙用于形成所述薄壁筒预成形件的筒壁，且所述预锻上模芯的顶端与所述预锻上垫板固定连接。

可选的，所述预锻上模套组件包括预锻上模套和嵌套于所述预锻上模套内的预锻上模圈，所述预锻上模套固定于所述预锻凹模连接板的底端，所述预锻上模圈固定于所述预锻凹模连接板或所述预锻上模套的内壁，并套装于所述预锻上模芯的外部；所述预锻上模圈能够套设于所述预锻下模芯的外部。

可选的，所述终锻下模包括：

终锻下垫板；

终锻下模套，所述终锻下模套固定于所述终锻下垫板上；

终锻下模芯，所述终锻下模芯套装于所述终锻下模套内，且所述终锻下模芯的顶端高出所述终锻下模套设置；所述终锻下模芯高出所述终锻下模套的部分，能够与所述终锻上模合模以形成所述封闭终成形腔，所述分流仓设置于所述终锻下模芯的边缘；

所述终锻上模包括：

终锻上垫板，用于连接下行驱动；

终锻凹模连接板，所述终锻凹模连接板的顶端固定于所述终锻上垫板的底端；

终锻凹模组件，所述终成形凹模组件包括终锻上模套组件，所述终锻上模套组件固定于所述终锻凹模连接板的底端，所述终锻上模套组件能够套装于所述终锻下模芯的外部，以使所述终锻下模芯、所述终锻上模套组件以及所述终锻上垫板之间形成所述封闭终成形腔；

终锻上模芯，所述终锻上模芯套装于所述终锻上模套组件内，且所述终锻上模芯的顶端与所述终锻上垫板固定连接，其中，所述终锻上模芯的边缘设置若干所述分流孔。

可选的，所述终锻上模套组件包括终锻上模套和嵌套于所述终锻上模套内部的终锻上模圈，所述终锻上模套固定于所述终锻凹模连接板的底端，所述终锻上模圈固定于所述终锻凹模连接板或所述终锻上模套的内壁，并套装于所述终锻上模芯的外部；所述终锻上模套能够套设于所述终锻下模芯的外部。

可选的，所述预锻上模圈的外壁与所述预锻上模套的内壁过盈配合；且所述预锻上模圈的底端与所述预锻下模套之间的距离，大于所述预锻上模套的底端与所述预锻下模套之间的距离；

所述终锻上模圈的外壁与所述终锻上模套的内壁过盈配合；且所述终锻上模圈的底端与所述终锻下模套之间的距离，大于所述终锻上模套的底端与所述终锻下模套之间的距离。

可选的，所述薄壁筒形件为活塞裙，所述终锻上模芯包括模芯上段和与所述模芯上段同轴设置的模芯下段，所述模芯上段与所述终锻上垫板连接，且所述模芯上段的外壁贴合于所述终锻上模圈的内壁设置；所述模芯下段的直径小于所述模芯上段的直径，用于伸入所述薄壁筒预成形件内，与所述薄壁筒预成形件的内壁贴合；所述模芯上段与所述模芯下段的衔接处形成有用于与薄壁筒形件裙边相抵的环形台阶端面，所述环形台阶端面上沿其周向间隔设置有多个所述分流孔，以使所述活塞裙成形过程中裙边多余坯料流入，实现活塞裙裙边的可控分流终成形。

可选的，所述终锻下模芯的顶端外周向远离所述终锻上模的方向凹陷，以形成活塞裙的法兰成形面，所述法兰成形面的外缘能够与所述终锻上模圈的内壁贴合，且所述法兰成形面的外缘向远离所述终锻上模的方向凹陷，形成环形的所述分流仓，以使所述活塞裙成形过程中法兰面多余坯料流入，实现活塞裙法兰面的可控分流终成形。

可选的，所述预锻下模芯的顶端面边缘向远离所述预锻下垫板的方向外凸形成大斜度环形分料仓；所述大斜度环形分料仓是为了在终锻该位置形成空腔，延缓预锻件在终锻成形时该处的坯料充填，避免坯料过多的流入，导致所述终锻下模芯的所述分流仓以及终锻上模圈与所述终锻下模芯之间的配合面存在过多磨损。所述大斜度环形分料仓起延缓充填，保护模具，保护配合面的作用。

当所述预锻模具设置两组以上时，所述大斜度环形分料仓设置在工序最靠后一个所述预锻模具上。

可选的，所述预锻上模芯和所述终锻上模芯为一体式上模芯或分体式上模芯；所述预锻上模圈和所述终锻上模圈为整体式模圈结构或分体式模圈结构。

可选的，所述预锻模具和所述终锻模具所用锻造设备(下行驱动)为热模锻压力机或螺旋压力机。

可选的，在薄壁筒形件的坯料经过镦粗、预锻和终锻等一系列锻造工序后，还进行热处理、抛丸清理、磁粉探伤、抛丸清理、包装入库等工序步骤，以完善薄壁筒形件的生产工艺过程。

本发明的另一目的是提供一种薄壁筒形件闭式成形系统，适用于锻钢活塞裙等薄壁深筒形件的锻造成形，以解决上述现有开式锻造方法所存在的有飞边、材料利用率较低、产品尺寸精度低、自动化生产不稳定等问题。

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闭式成形系统，用于对完成预处理的坯料进行锻造成形，包括预锻模具和终锻模具，其中，

所述预锻模具至少设置一组，并用于将所述坯料锻造形成开口朝上的薄壁筒预成形件，其包括：

预锻下模，所述预锻下模包括预锻下垫板、预锻下模套和预锻下模芯；所述预锻下模套固定于所述预锻下垫板上；所述预锻下模芯套装于所述预锻下模套内，且所述预锻下模芯的顶端高出所述预锻下模套设置；

预锻上模，所述预成锻上模包括预锻上垫板、预锻凹模连接板、预锻凹模组件和预锻上模芯；所述预锻上垫板用于连接下行驱动；所述预锻凹模连接板的顶端通过浮动机构连接于所述预锻上垫板的底端；所述预锻凹模组件包括预锻上模套组件，所述预锻上模套组件固定于所述预锻凹模连接板的底端，所述预锻上模套组件能够套装于所述预锻下模芯高出所述预锻下模套部分的外部，以使所述预锻下模芯、所述预锻上模组件以及所述预锻上垫板之间形成封闭预成形腔；所述预锻上模芯套装于所述预锻上模套组件内，且所述预锻上模芯的顶端与所述预锻上垫板固定连接；所述预锻上模下行过程中，先形成所述封闭预成形腔，之后所述预锻上模相对于所述预锻下模整体继续下行，直至所述预锻上模与所述预锻下模合模之后，所述预锻上模芯继续相对于所述预锻下模单独下行以挤压所述坯料。

可选的，所述预锻上模套组件包括预锻上模套和嵌套于所述预锻上模套内的预锻上模圈，所述预锻上模套固定于所述预锻凹模连接板的底端，所述预锻上模圈固定于所述预锻凹模连接板或所述预锻上模套的内壁，并套装于所述预锻上模芯的外部；所述预锻上模圈能够套设于所述预锻下模芯的外部；

所述薄壁筒预成形件的筒壁在所述预锻上模圈和所述预锻上模芯之间成形，筒底在所述预锻上模芯与所述预锻下模芯之间成形。

可选的，所述终锻模具用于将所述薄壁筒预成形件锻造形成开口朝上的薄壁筒形件，其包括：

终锻下模，所述终锻下模包括终锻下垫板、终锻下模套和终锻下模芯；所述终锻下模套固定于所述终锻下垫板上；所述终锻下模芯套装于所述终锻下模套内，且所述终锻下模芯的顶端高出所述终锻下模套设置；

终锻上模，所述终锻上模包括终锻上垫板、终锻凹模连接板、终锻凹模组件和终锻上模芯；所述终锻上垫板用于连接下行驱动；所述终锻凹模连接板的顶端固定于所述终锻上垫板的底端；所述终锻凹模组件包括终锻上模套组件，所述终锻上模套组件固定于所述终锻凹模连接板的底端，所述终锻上模套组件能够套装于所述终锻下模芯高出所述终锻下模套部分的外部，以使所述终锻下模芯、所述终锻上模套组件以及所述终锻上垫板之间形成封闭终成形腔；所述终锻上模芯套装于所述终锻上模套组件内，且所述终锻上模芯的顶端与所述终锻上垫板固定连接；

所述终锻上模上置分流孔，以使所述薄壁筒预成形件的筒壁多余坯料流入；所述终锻下模上设置分流仓，以使所述薄壁筒预成形件的筒底多余坯料流入。

可选的，所述终锻上模套组件包括终锻上模套和嵌套于所述终锻上模套内部的终锻上模圈，所述终锻上模套固定于所述终锻凹模连接板的底端，所述终锻上模圈固定于所述终锻凹模连接板或所述终锻上模套的内壁，并套装于所述终锻上模芯的外部；所述终锻上模圈能够套设于所述终锻下模芯的外部；

所述薄壁筒形件的筒壁在所述终锻上模圈和所述终锻上模芯之间成形，筒底在所述终锻上模芯与所述终锻下模芯之间成形。

可选的，所述浮动机构为弹簧、气缸或油缸。

可选的，所述预锻上模圈的外壁与所述预锻上模套的内壁过盈配合；且所述预锻上模圈的底端与所述预锻下模套之间的距离，大于所述预锻上模套的底端与所述预锻下模套之间的距离；

所述终锻上模圈的外壁与所述终锻上模套的内壁过盈配合；且所述终锻上模圈的底端与所述终锻下模套之间的距离，大于所述终锻上模套的底端与所述终锻下模套之间的距离。

可选的，所述薄壁筒形件为活塞裙，所述终锻上模芯包括模芯上段和与所述模芯上段同轴设置的模芯下段，所述模芯上段与所述终锻上垫板连接，且所述模芯上段的外壁贴合于所述终锻上模圈的内壁设置；所述模芯下段的直径小于所述模芯上段的直径，用于伸入所述薄壁筒预成形件内，与所述薄壁筒预成形件的内壁贴合；所述模芯上段与所述模芯下段的衔接处形成有用于与薄壁筒形件裙边相抵的环形台阶端面，所述环形台阶端面上沿其周向间隔设置有多个所述分流孔，以使所述活塞裙成形过程中裙边多余坯料流入，实现活塞裙裙边的可控分流终成形。

可选的，所述终锻下模芯的顶端外周向远离所述终锻上模的方向凹陷，以形成活塞裙的法兰成形面，所述法兰成形面的外缘能够与所述终锻上模圈的内壁贴合，且所述法兰成形面的外缘向远离所述终锻上模的方向凹陷，形成环形的所述分流仓，以使所述活塞裙成形过程中法兰面多余坯料流入，实现活塞裙法兰面的可控分流终成形。

可选的，所述预锻下模芯的顶端面边缘向远离所述预锻下垫板的方向外凸形成大斜度环形分料仓；所述大斜度环形分料仓是为了在终锻该位置形成空腔，延缓预锻件在终锻成形时该处的坯料充填，避免坯料过多的流入，导致所述终锻下模芯的所述分流仓以及终锻上模圈与所述终锻下模芯之间的配合面存在过多磨损。所述大斜度环形分料仓起延缓充填，保护模具，保护配合面的作用。

当所述预锻模具设置两组以上时，所述大斜度环形分料仓设置在工序最靠后一个所述预锻模具上。

可选的，所述预锻上模芯和所述终锻上模芯为一体式上模芯或分体式上模芯；所述预锻上模圈和所述终锻上模圈为整体式模圈结构或分体式模圈结构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的薄壁筒形件闭式成形方法，预锻过程采用了复动挤压模具对坯料进行复动挤压，在终锻过程采用了可控分流技术对预成形件进行终成形，通过复动挤压技术与坯料可控分流技术的结合形成一种适用于活塞裙等薄壁筒形件的复合精密闭式成形技术，可实现锻钢活塞裙等薄壁筒形件的无飞边精密成形。因此，本发明的薄壁筒形件闭式成形方法不产生飞边，原材料利用率高；同时，考虑到反挤成形对薄壁筒形件的薄筒壁充填效果更好，以及自动线生产时机械手夹持的准确性和便捷性，在薄壁筒形件闭整个锻造工艺过程中，主要是预锻和终锻过程中，将薄壁筒形件开口向上布置，易实现自动化生产。同时，终锻模具中分流孔和分流仓的设置，减小了锻造压力，提高了设备使用寿命。

在本发明公开的一些技术方案中，还增加了预锻成形的次数以及终锻后的冲孔工序，从而实现了多工步近净成形，产品尺寸和几何精度高、加工余量少，配合上述闭式成形工艺，可有效降低成形力，提高模具使用寿命，便于实现锻钢活塞裙等薄壁筒形件的自动化生产。

本发明还提出了一种薄壁筒形件闭式成形系统，至少能够用于进行上述薄壁筒形件闭式成形方法中的预锻工序，具有结构新颖合理的特点，为薄壁筒形件精密成形提供了良好的设备基础。

在本发明提出了另外一些薄壁筒形件闭式成形系统中，同时兼具复动挤压预锻模具和分流可控终锻模具，能够用于进行上述薄壁筒形件闭式成形方法中的预锻工序和终锻工序，具有结构新颖合理的特点，为薄壁筒形件精密成形提供了良好的设备基础。

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闭式成形方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所公开的薄壁筒形件闭式成形系统的结构示意图(图中包含锻造工件)；

图3为本发明实施例所公开的一次预锻模具的结构示意图(图中包含锻造工件)；

图4为本发明实施例所公开的二次预锻模具的结构示意图(图中包含锻造工件)；

图5为本发明实施例所公开的终锻模具的结构示意图(图中包含锻造工件)；

图6为本发明实施例所公开的冲孔模具的结构示意图(图中包含锻造工件)；

图7为本发明实施例所公开的分流孔和分流仓的结构布置图；

图7-1为图7中A处分流孔的结构放大图；

图7-2为图7中B处分流仓的结构放大图；

图8为本发明实施例所公开的终锻模具所形成的锻钢活塞裙薄裙边的结构布置图；

图9为本发明实施例所公开的终锻模具所形成的锻钢活塞裙法兰面的结构布置图；

图10为本发明实施例所公开的终锻模具中大斜度环形分料仓的结构布置图；

图11为本发明实施例所公开的上模圈整体结构示意图；

图12为图11中上模圈整体结构的轴向剖面图；

图13为本发明实施例所公开的上模圈轴向分割组合结构示意图；

图14为图13中上模圈轴向分割组合结构的轴向剖面图；

图15为本发明实施例所公开的上模圈四角分割组合结构示意图；

图16为图15中上模圈四角分割组合结构的轴向剖面图；

图17为本发明实施例所公开的上模芯靠边分分割结构示意图；

图18为图17中C处的结构放大图；

图19为本发明实施例所公开的上模芯圆形定位结构示意图；

图20为本发明实施例所公开的上模芯多边形定位结构示意图；

图21为本发明实施例所公开的一层上模圈(整体式上模圈)配靠边分结构上模芯的结构图；

图22为本发明实施例所公开的四角分割模圈结构配靠边分结构上模芯的结构图；

图23为本发明实施例所公开的整体式上模圈配中分结构上模芯的结构图；

图24为本发明实施例所公开的下模芯中间为平面的分割结构图；

图25为本发明实施例所公开的下模芯外缘为圆环的分割结构图。

其中，附图标记为：1、镦粗上模；2、坯料；3、镦粗下模；4、预锻上垫板；5、浮动机构；6、预锻凹模连接板；7、一次预锻上模圈；8、上模套；9、上压圈；10、一次预锻下模套；11、下压圈；12、预锻下垫板；13、上主顶杆；14、带有复位弹簧的细顶杆；15、一次预锻上模芯；16、一次预锻坯料件；17、一次预锻下模芯；18、下主顶杆；19、二次预锻上模圈；20、二次预锻上模芯；21、二次预成形件；22、二次预锻下模芯；23、终锻上垫板；24、终锻上模圈；25、终锻毛坯件；26、终锻上模芯；27、终锻下模芯；28、冲头连接板；29、模具弹簧；30、冲孔仿形压块；31、冲孔上压圈；32、锻钢活塞裙；33、冲孔凹模；34、冲孔冲头；35、冲孔下压圈；36、冲孔挡料块；37、冲孔下垫板；38、设备上滑块；39、设备下模板；40、锻钢活塞裙开口位置；41、锻钢活塞裙薄裙边位置；42、锻钢活塞裙分流孔残留坯料；43、锻钢活塞裙顶杆残留坯料；44、锻钢活塞裙法兰面；45、锻钢活塞裙顶部位置；46、锻钢活塞裙梯形分流仓残留坯料；47、大斜度环形分料仓；48、分流孔；49、环形分流仓；50、顶杆孔。

如图11所示，“7(19，24)”的含义是指，引线所指部件可以表示一次预锻上模圈7的结构，同时也可以表示二次预锻上模圈19或终锻上模圈24的结构，其余附图中具有类似标记形式(同一部件表示三个部件之一)的，与上述相同，在此不再赘述。

如图11所示，“7(19，24)”的含义是指，引线所指部件可以表示一次预锻上模圈7的结构，同时也可以表示二次预锻上模圈19或终锻上模圈24的结构，其余附图中具有类似标记形式(同一结构表示三个部件之一)的，与上述含义相同，在此不再赘述。

如图19所示，“4(23)”的含义是指，引线所指部件可以表示预锻上垫板4的结构，同时也可以表示终锻上垫板23的结构，其余附图中具有类似标记形式(同一结构表示两个部件之一)的，与上述含义相同，在此不再赘述。

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闭式成形方法，适用于锻钢活塞裙等薄壁深筒形件的锻造成形，以解决现有开式锻造方法所存在的有飞边、材料利用率较低以及机加工余量大、产品尺寸精度低、自动化生产不稳定等问题。

本发明的另一目的还在于提供一种薄壁筒形件闭式成形系统，适用于锻钢活塞裙等薄壁深筒形件的锻造成形，以解决现有开式锻造方法所存在的有飞边、材料利用率较低以及产品尺寸精度低、自动化生产不稳定等问题。

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。

如图1和图2所示，本实施例提出一种薄壁筒形件闭式成形方法，至少具有步骤：

S1、坯料2预处理；

S2、将预处理后的坯料置于预锻模具的预锻下模上，使预锻模具的预锻上模和预锻下模相互靠近，以挤压坯料完成预锻成形，并形成开口朝上的薄壁筒预成形件；其中，预锻上模在与预锻下模相互靠近的过程中，先与预锻下模形成封闭预成形腔，之后预锻上模相对于预锻下模整体继续下行，直至预锻上模与预锻下模合模(此时预锻上模外圈与预锻下模整体之间无法继续相对移动)之后，预锻上模的预锻上模芯继续相对于预锻下模单独下行以挤压坯料，从而实现基于复动挤压技术的预成形；

S3、将薄壁筒预成形件置于终锻模具的终锻下模上，使终锻模具的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，并最终形成开口朝上的薄壁筒形件；其中，终锻上模上置分流孔48，终锻下模上设置分流仓，薄壁筒形件终锻成形过程中，薄壁筒预成形件的筒壁多余坯料进入分流孔48，薄壁筒预成形件的筒底多余坯料进入分流仓，从而实现基于可控分流技术的终成形。

本实施例中，步骤S2中预锻成形至少连续进行两次，以连续进行两次最佳，既有利于成形，也不会由于工步过多而造成预锻周期的延长和繁琐。当步骤S2中预锻成形连续进行两次时，主要包括步骤：S2.1、将预处理后的坯料置于一次预锻模具的预锻下模上，使一次预锻模具的预锻上模和一次预锻模具的预锻下模相互靠近，以挤压坯料完成一次预锻成形，并形成开口朝上的一次预成形件；S2.2、将一次预成形件置于二次预锻模具的预锻下模上，使二次预锻模具的预锻上模和二次预锻模具的预锻下模相互靠近，以挤压一次预成形件完成二次预锻成形，并形成薄壁筒预成形件。该薄壁筒预成形件可直接置入终锻模具进行终成形。

本实施例中，步骤S3中，终锻上模在与终锻下模相互靠近的过程中，先与终锻下模形成封闭终成形腔，之后终锻上模相对于终锻下模整体继续下行，以使终锻上模的终锻上模芯26挤压薄壁筒预成形件，直至所述终锻上模与所述终锻下模合模。

本实施例中，薄壁筒形件可为活塞裙。当薄壁筒形件为活塞裙时，上述薄壁筒形件闭式成形方法具体为一种锻钢活塞裙闭式成形工艺；基于活塞裙的特殊结构，锻钢活塞裙闭式成形工艺在步骤S3之后还包括步骤：S4、对活塞裙进行冲孔处理。该步骤S4基于现有的冲孔设备进行，主要细分为如下步骤：

S4.1、将步骤S3形成的活塞裙的薄裙边开口向上置于冲孔凹模33上，并将活塞裙的法兰面压紧；

S4.2、使冲孔冲头34下行，以冲掉活塞裙的中间连皮。

本实施例中，步骤S1中坯料预处理至少包括：对坯料进行加热后镦粗挤压，以将坯料镦粗到设定高度。实际操作中，步骤S1中坯料预处理之前，需要准备坯料，比如制备锻钢棒料。为提高坯料热塑性和降低变形抗力，将其经过感应加热至再结晶温度之上(比如Ac3+300～350℃，即高于再结晶温度300℃～350℃)，坯料温度不能过高或过低。完成坯料加热后，开始锻造工序，一般从对其镦粗挤压开始，直至冲孔结束，具体可为：坯料经过加热后被机械手或手工钳夹持放置于镦粗下模上，镦粗上模随设备(下行驱动)上滑块一起向下运动，对坯料进行镦粗挤压。当坯料镦粗到设定的高度时，设备(下行驱动)上滑块带动镦粗上模回程，坯料镦粗成形完成。其中，所用设备(下行驱动)可为热模锻压力机或螺旋压力机。

基于上述薄壁筒形件闭式成形方法，本实施例提出一种薄壁筒形件闭式成形系统，适用于锻钢活塞裙等薄壁深筒形件的锻造成形，该薄壁筒形件闭式成形系统，可对完成预处理的坯料进行锻造成形，包括预锻模具和终锻模具，其中，预锻模具设置至少一组，并用于将坯料锻造形成开口朝上的薄壁筒预成形件。如图1所示，预锻模具包括预锻上模和预锻下模；预锻下模包括预锻下垫板12、预锻下模套和预锻下模芯；预锻下模套固定于预锻下垫板12上；预锻下模芯套装于预锻下模套内，且预锻下模芯的顶端高出预锻下模套设置；预锻下模芯高出预锻下模套的部分，能够与预锻上模合模形成封闭预成形腔。相应的，预锻上模包括预锻上垫板4、预锻凹模连接板6、预锻凹模组件和预锻上模芯；预锻上垫板4用于连接下行驱动(本实施例具体为设备上滑块38)；预锻凹模连接板6的顶端通过浮动机构5连接于预锻上垫板4的底端；浮动机构5能够使预锻上垫板4与预锻凹模连接板6相互靠近或相互远离；预锻凹模组件包括预锻上模套组件，预锻上模套组件固定于预锻凹模连接板6的底端，预锻上模套组件能够套装于预锻下模芯的外部，以使预锻下模芯、预锻上模套组件以及预锻上垫板4之间形成上述封闭预成形腔，预锻上模芯套装于预锻上模套组件内，且预锻上模芯的顶端与预锻上垫板4固定连接。成形过程中，预锻上模下行，先形成上述封闭预成形腔，之后预锻上模相对于预锻下模整体继续下行，直至预锻上模与预锻下模合模之后，预锻上模芯继续相对于预锻下模单独下行以挤压坯料；其中，薄壁筒预成形件的筒壁在预锻上模圈和预锻上模芯之间的环形间隙内成形，筒底在预锻上模芯与预锻下模芯之间成形。当预锻上模与预锻下模形成上述封闭预成形腔之后，预锻上模整体向下继续移动，此时坯料被挤压，坯料沿径向流动至预锻上模芯与预锻上模圈之间的环形间隙中，然后向上填充，在合模(预锻上模圈无法继续向下移动)之前，预锻上模圈和预锻上模芯同步移动，并同时相对预锻下模下行，以克服坯料上行的摩擦力，并分别对坯料的外筒壁和内筒壁进行反向挤压，从而优化筒壁以及筒底的填充效果。终成形阶段的终锻模具也是一样的反向挤压原理和反向挤压过程。

本实施例中，预锻上模套组件包括预锻上模套和嵌套于预锻上模套内的预锻上模圈，预锻上模套固定于预锻凹模连接板的底端，预锻上模圈固定于预锻凹模连接板或预锻上模套的内壁，并套装于预锻上模芯的外部；预锻上模圈能够套设于预锻下模芯的外部。作为优选方式，预锻上模圈的外壁与预锻上模套的内壁过盈配合，从而实现预锻上模圈与预锻上模套之间的固连，且预锻上模圈的底端与预锻下模套之间的距离，大于预锻上模套的底端与预锻下模套之间的距离，即在预锻上模和预锻下模合模时，仅预锻上模套与预锻下模套相抵接，而预锻上模圈与预锻下模套之间留有间隙，避免预锻成形过程中因频繁撞击和挤压力过大，而使预锻上模圈从预锻上模套上松脱，损坏预锻模具。

本实施例中，预锻成形可以根据锻件不同以及实际操作不同仅进行一次，相应的预锻模具设置一组即可。实际操作中，连续三次预锻的可能性较小，考虑到工步太多，锻件散热快，尤其薄壁结构，不利于终锻成形，所以通常情况下，以预锻两次最优。

在本实施例中，预锻下模套和预锻上模套的外周分别以现有的技术手段通过下压圈11和上压圈9加以固定。在预锻连续进行两次的工艺基础上，一次预锻和二次预锻采用的是相同结构的预锻模具，仅是型腔上存在差别，其他结构均相同，为了加以区分，可在用于第一次预锻的预锻模具中的各部件名称之前冠以“一次”、用于第二次预锻的预锻模具中的各部件名称之前冠以“二次”，这在附图中以及后续文字中有明显的体现，在此不再赘述。

本实施例中，终锻模具用于将薄壁筒预成形件锻造形成开口朝上的薄壁筒形件，其包括终锻下模和终锻上模；终锻下模包括终锻下垫板、终锻下模套和终锻下模芯27，终锻下模套固定于终锻下垫板上，终锻下模芯27套装于终锻下模套内，且终锻下模芯27的顶端高出终锻下模套设置；终锻下模芯27高出终锻下模套的部分，能够与终锻上模合模以形成封闭终成形腔，分流仓设置于终锻下模芯27的边缘。相应的，终锻上模包括终锻上垫板23、终锻凹模连接板、终锻凹模组件和终锻上模芯26，终锻上垫板23用于连接下行驱动(本实施例具体为设备上滑块38)；终锻凹模连接板的顶端固定于终锻上垫板23的底端；终成形凹模组件包括终锻上模套组件，终锻上模套组件固定于终锻凹模连接板的底端，终锻上模套组件能够套装于终锻下模芯27的外部，以使终锻下模芯27、终锻上模套组件以及终锻上垫板23之间形成上述封闭终成形腔；终锻上模芯26套装于终锻上模套组件内，且终锻上模芯26的顶端与终锻上垫板23固定连接，其中，终锻上模上置分流孔48，以使薄壁筒预成形件的筒壁多余坯料流入；终锻下模上设置分流仓，以使薄壁筒预成形件的筒底多余坯料流入。实际组装过程中，可以省略终锻凹模连接板，将终锻凹模组件直接固定于终锻上垫板23上。

本实施例中，终锻上模套组件包括终锻上模套和嵌套于终锻上模套内部的终锻上模圈24，终锻上模套通过终锻凹模连接板固定于终锻上垫板23底端或直接固定于终锻上垫板23底端，终锻上模圈24则固定于终锻凹模连接板、终锻上垫板23或终锻上模套的内壁，并套装于终锻上模芯26的外部；终锻上模套能够套设于终锻下模芯27的外部。终锻成形过程中，薄壁筒形件的筒壁在终锻上模圈24和终锻上模芯26之间成形，筒底在终锻上模芯26与终锻下模芯27之间成形。作为优选方式，终锻上模圈24的外壁与终锻上模套的内壁过盈配合；从而实现终锻上模圈24与终锻上模套之间的固连，且终锻上模圈24的底端与终锻下模套之间的距离，大于终锻上模套的底端与终锻下模套之间的距离，即在终锻上模和终锻下模合模时，仅终锻上模套与终锻下模套相抵接，而终锻上模圈24与终锻下模套之间留有间隙，避免终锻成形过程中因频繁撞击和挤压力过大，而使终锻上模圈24从终锻上模套上松脱，损坏终锻模具。实际操作中，或许终锻上模套与终锻下模套并未相抵，便已经完成了终锻挤压。

本实施例中，浮动机构5，应当必须满足耐高温、耐疲劳、耐高压强力的要求，可以是弹簧、气缸、油缸或其他气动装置、液压装置。

本实施例中，以待锻造成形的薄壁筒形件为活塞裙为例，对上述分流孔48的设置位置以及设置形式做具体说明。终锻上模芯26包括模芯上段和与模芯上段同轴设置的模芯下段，模芯上段与终锻上垫板23连接，且模芯上段的外壁贴合于终锻上模圈24的内壁设置；模芯下段的直径小于模芯上段的直径，用于伸入活塞裙内，与活塞裙的内壁贴合；模芯上段与模芯下段的衔接处形成有用于与活塞裙裙边相抵的环形台阶端面，环形台阶端面上沿其周向间隔设置有多个分流孔48，以使活塞裙成形过程中裙边多余坯料流入，实现活塞裙裙边的可控分流终成形。实际操作中，终锻模具中可用的可控分流结构有多种设计结构，本实施方式中根据计算机数值模拟和实际生产和设计经验，采用的是终锻上模芯26预设多个分流孔48，终锻下模芯27上预设径向切面为梯形的环形分流仓49，通过在模芯结构上预设分流结构，实现终成形的可控分流成形。

本实施例中，以待锻造成形的薄壁筒形件为活塞裙为例，对上述分流仓的设置位置以及设置形式做具体说明。终锻下模芯27的顶端外周向远离终锻上模的方向凹陷，以形成活塞裙的法兰成形面，法兰成形面的外缘能够与终锻上模圈24的内壁贴合，且法兰成形面的外缘向远离终锻上模的方向凹陷，形成环形的分流仓，优选环形的分流仓的径向截面为梯形，以使活塞裙成形过程中法兰面多余坯料流入，实现活塞裙法兰面的可控分流终成形。

本实施例中，预锻下模芯的顶端面边缘向远离预锻下垫板的方向外凸形成大斜度环形分料仓47，以待锻造成形的薄壁筒形件为活塞裙为例，大斜度环形分料仓47是为了在终锻该位置形成空腔，延缓活塞裙预锻件在终锻成形时该处的坯料充填，避免坯料过多的流入，导致终锻下模芯27的分流仓以及终锻上模圈24与终锻下模芯27之间的配合面存在过多磨损；大斜度环形分料仓47起延缓充填，保护模具，保护配合面的作用。如图10所示，大斜度环形分料仓47具体为一环形槽结构，其中的“大斜度”主要体现为从大斜度环形分料仓47的径向切面角度看，环形槽的径向靠外的槽面为斜面，该斜面外圈朝上倾斜，斜度较为平缓，比如与模芯的轴线的夹角为70°～75°。

当预锻模具设置两组以上时，大斜度环形分料仓47设置在工序最靠后一个预锻模具上，比如当预锻模具设置N(N为大于等于2的正整数)组时，大斜度环形分料仓47一般仅在第N次预锻的预锻模具的预锻下模芯上设置即可。

本实施例中，预锻模具和终锻模具均为分体组合模具结构，其设置有带有一定预应力的上模圈，实质作用是为了抵消预锻过程中坯料外壁和终锻过程中坯料外壁在成形过程中不均匀的应力对模具的损伤，延长模具的使用寿命，因此预锻上模圈和终锻上模圈可根据成形模拟和设计计算需要进行一次或多次轴向分割，形成单层或多层预应力圈组合(两层以上模圈叠套)的上模圈，分别如图11和图13所示。实际操作中，分体组合的预锻上模圈和终锻上模圈为了进一步消除锻钢活塞裙等薄壁筒形件成形过程中所形成的特殊应力集中区，除了常规的整体结构和轴向分割结构外，还可以进一步优化，即预锻上模圈和终锻上模圈均可以进行径向的四角分割(沿其周向分割为均匀四块)，如图15和图16所示。上述预锻上模圈和终锻上模圈的分割结构，为本技术方案上述“分体组合模具结构”的表现之一。

进一步地，为保证锻钢活塞裙薄裙边的充填效果和去除成形应力的需要，预锻上模芯和终锻上模芯也可进行分割，且分割位置根据需要有不同选择，比如靠边分分割结构、中心分分割结构、边缘曲线分分割结构等分割方式。上述预锻上模芯和终锻上模芯的分割结构，为本技术方案上述“分体组合模具结构”的表现之一。

更进一步地，预锻模具和终锻模具均采用分体式模具结构，分体组合中的预锻上模芯和终锻上模芯的定位形状可根据设计需要和实际生产效果，可以划分不同的定位形状，比如切边圆形定位、多边形定位(包括四边形、六边形等)等形状的定位方式。如图19和图20所示。

下面以锻钢活塞裙的锻造过程为例，对本实施例上述薄壁筒形件闭式成形方法作具体说明。

一种锻钢活塞裙无飞边闭式成形工艺，运用计算机数值模拟技术，采用基于弹性(浮动)凹模和可控分流的复合精密成形技术，将坯料经感应加热后，在热模锻压力机或螺旋压力机设备上，通过图2所示镦粗成形→一次预成形→二次预成形→终成形→冲孔这5个工步依次、逐序闭式挤压，实现锻钢活塞裙无飞边精密成形。其中，第2、3工步为弹性(浮动)凹模预成形，第4工步为可控分流终成形。其中，浮动机构5采用弹簧，比如碟形弹簧、氮气弹簧；该弹簧的顶端嵌置安装在预锻上垫板4的底端圆形槽内，并与预锻上垫板4连接；底端与预锻凹模连接板6的顶端圆形槽固定连接。

Step 1.镦粗成形(“Step 1”即步骤1，以下“Step”做相同理解)：

将坯料2经过加热后通过机械手或手工钳夹持放置于镦粗下模3上，镦粗上模1随设备上滑块38一起向下运动，对坯料2进行镦粗挤压。当坯料2镦粗到设定的高度时，设备上滑块带动镦粗上模1回程(回升)，恢复原状态，坯料2镦粗成形完成。

Step 2.一次预成形：

⑴镦粗后的坯料经机械手或手工钳夹持放置在一次预锻下模芯17之上，靠一次预锻下模芯17上设置的圆形凹槽完成镦粗坯料的定位摆放。

⑵预锻上模随设备上滑块38一起向下运动，一次预锻上模芯15开始接触一次预锻坯料件16(即镦粗后的坯料)，随后与一次预锻上模圈7、一次预锻下模芯17逐渐形成封闭挤压的型腔，即封闭预成形腔，以完成闭式挤压的条件，确保坯料能够有效的利用。在此过程中，也可以先形成上述封闭预成形腔，随后一次预锻上模芯15接触一次预锻坯料件16(即镦粗后的坯料)，为了提高坯料的利用率和成形效果，一次预锻上模芯15对一次预锻坯料件16(即镦粗后的坯料)产生挤压作用时，封闭预成形腔已经形成。上述两种情况在实际操作中均可能遇到，具体是先接触坯料还是先形成封闭预成形腔，取决于坯料高度和直径；一般先形成封闭型腔，再由一次预锻上模芯15接触坯料。

⑶当预成形封闭型腔(即封闭预成形腔)中的一次预锻坯料件16在成形阶段中，一次预锻坯料件16径向流动时会接触一次预锻上模圈7的内壁，由于弹簧(浮动机构5)对一次预锻上模圈7的弹力(一般为朝向模锻下模的弹力)远大于坯料对一次预锻上模圈7的摩擦力(背离模锻下模)，一次预锻上模圈7克服摩擦力向下运动，为活塞裙法兰面的充填提供额外动力，确保完成活塞裙法兰面边角的充填饱满，当配有弹簧(浮动机构5)的一次预锻上模圈7继续向下运动，直到碰到一次预锻下模套10停止(此时预锻上模和预锻下模处于合模状态)，并与一次预锻下模套10、一次预锻下模芯17组合在一起，随着一次预锻上模芯15继续下压，一次预锻上模圈7与一次预锻坯料件16的薄裙边贴合，相对下压的一次预锻上模芯15，一起向上运动，通过凹模连接板6压缩弹簧(浮动机构5)，实现一次预锻坯料件16中薄裙边位置的快速充填，直到带动一次预锻上模芯15运动的设备上滑块38运动到设定的高度时停止，之后设备上滑块38带动预锻上模回升(回程)复位，至此，采用复动挤压技术实现对一次预锻坯料件16的一次预成形和材料分配，形成一次预成形件。

⑷从预锻上模回升(回程)动作开始，预锻上模中的上主顶杆13向下顶出，两根带有复位弹簧的细顶杆14在上主顶杆13动作下，顶出一次预成形件，完成一次预成形件与预锻上模的脱离，两带有复位弹簧的细顶杆14分别在其对应的复位弹簧的作用下恢复原状态，设备上滑块38与预锻上模完成回升(回程)复位。其中，两根带有复位弹簧的细顶杆14是装有复位弹簧的，安装在一次预锻上模芯15预设的圆槽内(参见图3所示)，上主顶杆13通过预锻上垫板4限制，放置在两个细顶杆之上。

⑸最后，一次预锻下模芯17在预锻下模中的下主顶杆18顶出动作下，将脱落下来的一次预成形件顶出到设定高度，方便自动化的机械手或手工钳夹持，至此，完成一次复动挤压预成形的闭式挤压过程。

Step 3.二次预成形：

与上述Step 2的一次预成形的动作过程相同(包含上述Step 2的全部工序)，且采用基本相同的预锻模具，模具结构中二次预锻上模芯20、二次预锻上模圈19和二次预锻下模芯22有型腔设计上的区别(型腔体积上的区别，二次预锻模具的型腔形状更加贴近活塞裙)，其它模具结构相同。通过与一次预成形进行相同的动作过程，对一次预成形产生的一次预成形件进行二次预成形，形成二次预成形件21(对应前述的薄壁筒预成形件，此处具体为活塞裙预成形件)，完成二次复动挤压预成形的闭式挤压过程。

Step 4.终成形：

⑴通过二次预成形而形成的二次预成形件21，作为终锻的毛坯件，即终锻毛坯件25，经机械手或手工钳夹持放置在终锻下模芯27之上，靠终锻下模芯27上的型腔完成定位摆放；

⑵终锻上模随设备上滑块38一起向下运动，终锻上模芯26开始接触终锻毛坯件25，随后与终锻上模圈24、终锻下模芯27逐渐形成封闭挤压的型腔，即封闭终成形腔。在此过程中，也可以先形成上述封闭终成形腔，随后终锻上模芯26接触终锻毛坯件25，为了提高坯料的利用率和成形效果，终锻上模芯26对终锻毛坯件25产生挤压作用时，封闭终成形腔已经形成。上述两种情况在实际操作中均可能遇到，具体是先接触坯料还是先形成封闭终成形腔，取决于坯料高度和直径；一般先形成封闭型腔，再由上模芯接触坯料。

⑶当终锻上模随设备上滑块38向下运动挤压终锻毛坯件25，由于在终锻上模芯26和终锻下模芯27上分别预设好分流孔48，可引导终锻毛坯件25的裙边多余坯料流入，实现终锻模具在活塞裙薄裙边的可控分流成形；同时，终锻下模芯27附近的坯料，即活塞裙法兰面受到挤压成形时，因为上一工步二次预成形的二次预锻下模芯设置了大斜度分料结构47，在此时终成形中起到延缓和迟滞坯料充填的作用，附近边角分流时产生的毛刺与细微缺陷被控制引流到终锻下模芯27上预设好的环形分流仓48内。终锻毛坯件25在终锻上模芯26、终锻下模芯27的挤压过程中完成可控可预见的分流后，终锻上模随设备上滑块38下压到设定的高度停止，随后带动终锻上模回升，至此，实现利用可控分流技术完成终成形最后的坯料分配，完成最后的锻钢活塞裙挤压精密成形，形成活塞裙终成形件，即锻钢活塞裙32。

⑷从终锻上模带动终锻上模芯26回升动作开始，终锻上模中的上主顶杆向下顶出，两根带有复位弹簧的细顶杆在上主顶杆动作下，顶出锻钢活塞裙32，完成锻钢活塞裙32与终锻上模的脱离，两根带有复位弹簧的细顶杆在其各自的复位弹簧的作用下，恢复原状态，终锻上模随设备上滑块38完成回升复位；最后，终锻下模芯27在终锻下模中的下主顶杆顶出动作下，将脱离终锻上模芯26的锻钢活塞裙32顶出到设定高度，方便自动化的机械手或手工钳夹持，至此，完成分体组合式终锻模具对坯料的闭式可控分流挤压过程。上述锻钢活塞裙32的整个顶出过程与一次预成形顶出一次预成形件、二次预成形顶出二次预成形件的过程均相同(包括各上下顶出杆的设置位置以及各顶出杆的顶出过程)。通过采用与一次预成形、二次预成形相同的顶出锻件的过程，完成可控分流终成形的闭式挤压过程。

Step 5.冲孔：

⑴完成可控分流终成形的锻钢活塞裙32，经机械手或手工钳夹持放置在冲孔凹模33上，锻钢活塞裙32薄裙边开口向上放置，通过型腔定位于冲孔凹模33之上；

⑵冲孔仿形压块30和冲孔冲头34随设备上滑块38一起向下运动，直到冲孔仿形压块30压紧锻钢活塞裙32的法兰面，冲孔仿形压块30可在模具弹簧29的作用下逐渐压紧锻钢活塞裙32的法兰面，同时冲孔冲头34压缩模具弹簧29继续下行，冲掉锻钢活塞裙32中间连皮，完成冲孔动作；

⑶锻钢活塞裙32完成冲孔后，由于热冷收缩及坯料热态挤压黏附作用等，造成锻钢活塞裙32卡在冲孔冲头34上。此时冲孔仿形压块30在受压的模具弹簧29作用下，对卡在冲孔冲头34上的锻钢活塞裙32法兰位置施加阻力，以阻挡锻钢活塞裙32随冲孔冲头34回升复位，实现锻钢活塞裙32与冲孔冲头34的分离，冲孔冲头34随设备上滑块38回升复位，至此，完成锻钢活塞裙32的冲孔过程。

本实施例中，当浮动机构5若采用液压结构，则应配置带有蓄能器的保压系统。

本实施例中，锻钢活塞裙无飞边精密成形工艺方法所使用的成形设备是热模锻压力机或螺旋压力机。设备上滑块38和设备下模板39也均是热模锻压力机或螺旋压力机的部件之一。热模锻压力机和螺旋压力机均为现有技术，其具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实施例在上述锻钢活塞裙32在整个成形过程中，考虑到反挤成形对活塞裙薄裙边充填效果更好，自动线生产时机械手夹持的准确性和便捷性，以及冲孔时活塞裙薄裙边开口向上摆放的要求，锻钢活塞裙32在整个成形工艺过程中的预锻阶段和终锻阶段，其薄裙边均开口向上放置。

本实施例所采用的镦粗成形模具中，对加热后的坯料镦粗，除了去除坯料表面氧化皮，使内组织初始均匀化，提高横向性能，减少力学性能的异向性以外，还要考虑镦粗高度的设定，镦粗高度的设定不仅要考虑镦粗后形成的“圆桶”结构的最大直径小于预锻型腔直径(主要是预锻上模圈的内径)及最小直径对下一步预成形工位的定位影响，还要考虑镦粗高度大于各个阶段预成形件的高度，以保证后续成形高度方向材料的充足。上述镦粗成形模具采用一种现有的镦粗成形模具，其具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实施例所采用的冲孔模具为一种现有机构，其能够满足本技术方案所涉及的终成形件的冲孔需求，结构如图6所示，在此不再赘述。

本技术方案中，所用的两组预锻模具和终锻模具均为分体组合式结构。分体组合式模具结构根据锻钢活塞裙的型腔特征和实际成形的应力集中点分布情况，可以形成不同的分割方式：预锻上模圈和终锻上模圈的分割均可以分为整体式模圈结构(参见图11和图12)、轴向分割式模圈结构(参见图13和图14)或四角分割模圈结构(参见图15和图16)。预锻上模芯和终锻上模芯定位可以分为圆形定位结构(如图19所示的位于模具上垫板顶部中心的圆盘结构)或多边形定位结构，多边形定位结构可以是矩形、五边形或六边形等，如图20所示即为一个正六边形的定位结构，其设置于模具上垫板顶部中心。预锻上模芯和终锻上模芯的分割实质上是指上模芯与对应的上模圈之间的分割(比如预锻上模芯和预锻上模圈之间、终锻上模芯与终锻上模圈之间)，上模芯与对应的上模圈之间的具体分割方式，是根据现有设备加工的难易程度、类似分割模具的设计经验和实际生产反馈等信息，选择合适的分割方式。其中，靠边分模具，顶杆孔50开设于上模芯上，上模芯与上模圈的分割位置在靠近上模芯的边缘位置，如图21和图22所示，上模圈加工简单，对应的上模芯加工精度要求高些，可以允许上模圈和上模芯在厚度方面有一定的配合误差；中间分模具，如图23所示，顶杆孔50设置于上模芯和上模圈的交界处，由上模芯和上模圈拼接而成，即上模圈与上模芯的分割位置过顶杆孔50的直径，这种情况下，上模圈和上模芯加工难度都比较大，厚度方面的配合误差较小，要求较严；至于边缘曲线分模具，上模圈和上模芯加工复杂，配合精度高，厚度方向配合要求高，配合稳定，生产磨损相对较小。模芯和模圈不同的分割方式可以根据设计需要完成不同的组合模式，以保证能用最可靠的分割方式、最稳定的模具结构、最低的模具成本，实现锻钢活塞裙精密成形。比如，图21所示的一层上模圈(整体式上模圈)配靠边分结构上模芯、图22所示的四角分割模圈结构配靠边分结构上模芯、以及图23所示的整体式上模圈配中分结构上模芯。上述提及的关于上模芯的靠边分、中间分和边缘曲线分，均为一种现有的模芯分割方式，在此不再赘述。

相应的，本技术方案中的预锻下模芯、终锻下模芯也可采用分割结构，但是与预锻上模芯、终锻上模芯分割的目的不同。一般情况下，预锻下模芯和终锻下模芯的型腔部分的结构都比较简单，尤其是下模圈(下模套)，只是一个圆环，受力也简单，不需要分割；下模芯一般也不需要分割，但是如果下模芯型腔复杂，型腔深度较深，在影响机械手夹持时，则需要对预锻和终锻下模芯进行结构分割，通常分割出来的下模芯，可以是中间的一个平面，也可以是一个外缘的圆环，平面或圆环顶出锻件，方便机械手轻松取走。预锻下模芯和终锻下模芯的分割目的与上模芯分割不一样，下模芯分割是为了在使锻件被机械手夹持时能轻便脱离预锻或终锻的下模芯型腔。

本技术方案中，两个预锻模具采用的均是带有浮动机构的分体组合式模具结构，设置两个预成形工步主要为了逐步实现坯料准确分配和定位。根据计算机对热成形过程相关的数值模拟结果分析，适当的设置异形型腔结构，可以确保坯料在闭式挤压成形过程中能够按设计意图进行流动分配。为保证坯料分配的准确性和稳定性，降低锻钢活塞裙以及其他薄壁筒形件的成形难度，使关键的型腔特征和充填难点逐步分级填充，成形的过程中坯料流动所受到阻力降低，而在预锻模具结构中增加的浮动机构能够实现此类效果。浮动机构安装在预锻上模，利用此机构在闭式成形过程中能够实现在锻钢活塞裙薄裙边挤压位置的摩擦阻力减小。两次预成形件(对应本实施例上述的一次预成形件和薄筒预成形件)的直径依次增加，以保证活塞裙每次在下一步工位均能够稳定定位，实现稳定充填。

本技术方案中的终成形采用的是可控分流设计，是根据实际生产相关的实践经验和理论设计基础，以及锻钢活塞裙的结构特征和成形分析，结合计算机的数值模拟优化设计。据此，在锻钢活塞裙薄裙边对应的终锻上模芯位置增设分流孔48，通过分流孔48的孔径、数量和位置的改变，达到在闭式型腔中薄裙边附近坯料流动的可控分流；在终锻下模芯周边增设材料流动预留仓，即环形分流仓49，通过设置的环形分流仓49的宽度(在下模芯上的径向距离)和深度(在下模芯上的轴向距离)的改变，实现在闭式型腔中终锻下模芯附近坯料流动的可控分流，比如活塞裙法兰面的可控分流成形。除此之外，在客户图纸要求的轮廓度范围和公差要求范围内，进行了部分优化，如薄裙边拔模斜度的优化，型腔内沟槽高径比优化，型腔R角优化，边角开口宽度优化等措施，形成终成形的型腔结构设计，最终实现坯料流动的可控分流，实现锻钢活塞裙在模具中无飞边精密成形。

与现有的锻钢活塞裙成形工艺技术相比，本技术方案运用计算机数值模拟技术，采用基于复动挤压和可控分流的复合精密成形技术，在热模锻压力机或螺旋压力机上实现锻钢活塞裙无飞边精密成形。从而使得本技术方案不产生飞边，原材料利用率高，易实现自动化生产；同时，多工步近净成形，产品尺寸和几何精度高，加工余量少，有效降低了成形力，提高了模具使用寿命，便于实现锻钢活塞裙的自动化生产。

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 (8)

1.一种薄壁筒形件闭式成形系统，用于对完成预处理的坯料进行锻造成形，其特征在于，包括预锻模具和终锻模具，其中，所述预锻模具至少设置一组，并用于将所述坯料锻造形成开口朝上的薄壁筒预成形件，其包括：

预锻下模，所述预锻下模包括预锻下垫板(12)、预锻下模套和预锻下模芯；所述预锻下模套固定于所述预锻下垫板(12)上；所述预锻下模芯套装于所述预锻下模套内，且所述预锻下模芯的顶端高出所述预锻下模套设置；

预锻上模，所述预锻上模包括预锻上垫板(4)、预锻凹模连接板(6)、预锻凹模组件和预锻上模芯；所述预锻上垫板(4)用于连接下行驱动；所述预锻凹模连接板(6)的顶端通过浮动机构(5)连接于所述预锻上垫板(4)的底端；所述预锻凹模组件包括预锻上模套组件，所述预锻上模套组件固定于所述预锻凹模连接板(6)的底端，所述预锻上模套组件能够套装于所述预锻下模芯高出所述预锻下模套部分的外部，以使所述预锻下模芯、所述预锻上模套组件以及所述预锻上垫板之间形成封闭预成形腔，所述预锻上模套组件包括预锻上模套和嵌套于所述预锻上模套内的预锻上模圈，所述预锻上模套固定于所述预锻凹模连接板(6)的底端，所述预锻上模圈固定于所述预锻凹模连接板(6)或所述预锻上模套的内壁，并套装于所述预锻上模芯的外部；所述预锻上模圈能够套设于所述预锻下模芯的外部；所述薄壁筒预成形件的筒壁在所述预锻上模圈和所述预锻上模芯之间成形，筒底在所述预锻上模芯与所述预锻下模芯之间成形；所述预锻上模芯套装于所述预锻上模套组件内，且所述预锻上模芯的顶端与所述预锻上垫板(4)固定连接；所述预锻上模下行过程中，先形成所述封闭预成形腔，之后所述预锻上模相对于所述预锻下模整体继续下行，直至所述预锻上模与所述预锻下模合模之后，所述预锻上模芯继续相对于所述预锻下模单独下行以挤压所述坯料；

所述终锻模具用于将所述薄壁筒预成形件锻造形成开口朝上的薄壁筒形件，其包括：

终锻下模，所述终锻下模包括终锻下垫板、终锻下模套和终锻下模芯(27)；所述终锻下模套固定于所述终锻下垫板上；所述终锻下模芯(27)套装于所述终锻下模套内，且所述终锻下模芯(27)的顶端高出所述终锻下模套设置；

终锻上模，所述终锻上模包括终锻上垫板(23)、终锻凹模连接板、终锻凹模组件和终锻上模芯(26)；所述终锻上垫板(23)用于连接下行驱动；所述终锻凹模连接板的顶端固定于所述终锻上垫板(23)的底端；所述终锻凹模组件包括终锻上模套组件，所述终锻上模套组件固定于所述终锻凹模连接板的底端，所述终锻上模套组件能够套装于所述终锻下模芯高出所述终锻下模套部分的外部，以使所述终锻下模芯(27)、所述终锻上模套组件以及所述终锻上垫板(23)之间形成封闭终成形腔，所述终锻上模套组件包括终锻上模套和嵌套于所述终锻上模套内部的终锻上模圈(24)，所述终锻上模套固定于所述终锻凹模连接板的底端，所述终锻上模圈(24)固定于所述终锻凹模连接板或所述终锻上模套的内壁，并套装于所述终锻上模芯(26)的外部；所述终锻上模圈(24)能够套设于所述终锻下模芯(27)的外部；所述薄壁筒形件的筒壁在所述终锻上模圈(24)和所述终锻上模芯(26)之间成形，筒底在所述终锻上模芯(26)与所述终锻下模芯(27)之间成形；所述终锻上模芯(26)套装于所述终锻上模套组件内，且所述终锻上模芯(26)的顶端与所述终锻上垫板(23)固定连接；所述终锻上模芯(26)包括模芯上段和与所述模芯上段同轴设置的模芯下段，所述模芯上段与所述终锻上垫板连接，且所述模芯上段的外壁贴合于所述终锻上模圈(24)的内壁设置；所述模芯下段的直径小于所述模芯上段的直径，用于伸入所述薄壁筒预成形件内，与所述薄壁筒预成形件的内壁贴合；所述模芯上段与所述模芯下段的衔接处形成有用于与薄壁筒形件裙边相抵的环形台阶端面，所述环形台阶端面上沿其周向间隔设置有多个分流孔(48)，以使所述薄壁筒预成形件成形过程中筒壁多余坯料流入，实现所述薄壁筒预成形件筒壁的可控分流终成形；

所述终锻下模芯(27)的顶端外周向远离所述终锻上模的方向凹陷，以形成所述薄壁筒预成形件的法兰成形面，所述法兰成形面的外缘能够与所述终锻上模圈的内壁贴合，且所述法兰成形面的外缘向远离所述终锻上模的方向凹陷，形成环形的分流仓，以使所述薄壁筒预成形件成形过程中法兰面多余坯料流入，实现所述薄壁筒预成形件法兰面的可控分流终成形；

所述预锻下模芯的顶端面边缘向远离所述预锻下垫板(12)的方向外凸形成大斜度环形分料仓(47)；当所述预锻模具设置两组以上时，所述大斜度环形分料仓(47)设置在工序最靠后一个所述预锻模具上。

2.根据权利要求1所述的薄壁筒形件闭式成形系统，其特征在于，所述浮动机构(5)为弹簧、气缸或油缸。

3.根据权利要求1所述的薄壁筒形件闭式成形系统，其特征在于，所述预锻上模圈的外壁与所述预锻上模套的内壁过盈配合；且所述预锻上模圈的底端与所述预锻下模套之间的距离，大于所述预锻上模套的底端与所述预锻下模套之间的距离；

所述终锻上模圈(24)的外壁与所述终锻上模套的内壁过盈配合；且所述终锻上模圈(24)的底端与所述终锻下模套之间的距离，大于所述终锻上模套的底端与所述终锻下模套之间的距离。

4.根据权利要求1所述的薄壁筒形件闭式成形系统，其特征在于，所述薄壁筒形件为活塞裙。

5.根据权利要求1所述的薄壁筒形件闭式成形系统，其特征在于，所述预锻上模芯和所述终锻上模芯(26)为一体式上模芯或分体式上模芯；

所述预锻上模圈和所述终锻上模圈(24)为整体式模圈结构或分体式模圈结构。

6.一种薄壁筒形件闭式成形方法，采用权利要求1~3、5任意一项所述的薄壁筒形件闭式成形系统实施，其特征在于，至少具有步骤：

S1、坯料预处理；

S2、将预处理后的所述坯料置于预锻模具的预锻下模上，使所述预锻模具的预锻上模和所述预锻下模相互靠近，以挤压所述坯料完成预锻成形，并形成开口朝上的薄壁筒预成形件；其中，所述预锻上模在与所述预锻下模相互靠近的过程中，先与所述预锻下模形成封闭预成形腔，之后所述预锻上模相对于所述预锻下模整体继续下行，直至所述预锻上模与所述预锻下模合模之后，所述预锻上模的预锻上模芯继续相对于所述预锻下模单独下行以挤压所述坯料；所述预锻成形连续进行两次，包括步骤：

S2.1、将预处理后的所述坯料置于一次预锻模具的预锻下模上，使所述一次预锻模具的预锻上模和所述一次预锻模具的预锻下模相互靠近，以挤压所述坯料完成一次预锻成形，并形成开口朝上的一次预成形件；

S2.2、将所述一次预成形件置于二次预锻模具的预锻下模上，使所述二次预锻模具的预锻上模和所述二次预锻模具的预锻下模相互靠近，以挤压所述一次预成形件完成二次预锻成形，并形成所述薄壁筒预成形件；

S3、将所述薄壁筒预成形件置于终锻模具的终锻下模上，使所述终锻模具的终锻上模和所述终锻下模相互靠近，以挤压所述薄壁筒预成形件完成终锻成形，并最终形成开口朝上的所述薄壁筒形件；其中，所述终锻上模上置分流孔(48)，所述终锻下模上设置分流仓，所述薄壁筒形件终锻成形过程中，所述薄壁筒预成形件的筒壁多余坯料进入所述分流孔(48)，所述薄壁筒预成形件的筒底多余坯料进入所述分流仓；其中，所述终锻上模在与所述终锻下模相互靠近的过程中，先与所述终锻下模形成封闭终成形腔，之后所述终锻上模相对于所述终锻下模整体继续下行，以使所述终锻上模的终锻上模芯(26)挤压所述薄壁筒预成形件，直至所述终锻上模与所述终锻下模合模。

7.根据权利要求6所述的薄壁筒形件闭式成形方法，其特征在于，所述薄壁筒形件为活塞裙，所述薄壁筒形件闭式成形方法还包括步骤：S4、对所述活塞裙进行冲孔处理。

8.根据权利要求6所述的薄壁筒形件闭式成形方法，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。