CN114535484B - 一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具及制坯工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及锻造工艺领域，具体公开了一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具及制坯工艺。一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具，包括上模具与下模具，在上模具上设置有球冠状上凸起，在下模具上设置有球冠状下凸起，球冠状上凸起与球冠状下凸起相对设置。本申请中的模具有效地减少工件端面变形死区的产生，有利于盘锻件端面晶粒组织的控制。本申请的制坯工艺，利用Arrhenius方程进行合金数据库建立，然后进行有限元模拟，降低生产成本，节约资源。
Description
技术领域
本申请涉及锻造工艺领域，更具体地说，它涉及一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具及制坯工艺。
背景技术
大尺寸盘锻件的应用非常广泛，主要用于电力、核能、舰艇以及航空航天等领域。目前，现有大尺寸盘锻件的制坯工艺是利用平模模具(包括上平模与下平模)对圆柱体的工件进行锻造。由于工件与平模模具的接触面积较大，从而使工件两端端面的温度下降较快，不利于金属的流动。因此，在工件端面附近容易出现变形死区与晶粒粗大等问题。此外，在模锻过程中工件与平模模具的对中较为困难。对中指的是工件与平模模具的中线轴线重合。
在后续热加工及热处理过程中不能改善工件端面的粗大晶粒组织，故只能通过机加工的方式车削去除工件端面部分，极大地提高了大尺寸盘锻件的制备成本。
发明内容
为了改善大尺寸盘锻件端面的显微组织，本申请提供一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具及制坯工艺。
第一方面，本申请提供一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具，采用如下的技术方案：
一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具，所述模具包括上模具与下模具，在上模具上设置有球冠状上凸起，在下模具上设置有球冠状下凸起，球冠状上凸起与球冠状下凸起相对设置。
通过采用上述技术方案，在本申请中，在上模具上设置有球冠状上凸起，在下模具上设置有球冠状下凸起，减小工件与模具瞬时接触时的接触面积，从而延缓工件的降温速度，增加金属的流动性，改善工件端部的显微组织，减少变形死区。
优选的，所述球冠状上凸起的凸起角α为80-85°，球冠状上凸起的高度h为30-45mm，球冠状下凸起的凸起角β为80-85°，球冠状下凸起的高度H为30-45mm。
通过采用上述技术方案，通过凸起角与高度的双调节，改变球冠状上凸起与球冠状下凸起的形状，从而改变工件端面与模具的瞬时接触面积，进而细化工件端面的组织，减少材料的浪费。
在一个具体的实施方案中，所述球冠状上凸起的凸起角α为83°，球冠状上凸起的高度h为45mm，球冠状下凸起的凸起角β为83°，球冠状下凸起的高度H为30mm。下模具承载力整个工件与锻机的压力，在保证球冠状下凸起的凸起角β为83°情况下，使球冠状下凸起的高度保持较低水平。因此，在减少热量损失的前提下，延长下模具的使用寿命。
优选的，在所述下模具上设置有辅助定位装置，辅助定位装置包括第一定位体、第二定位体与开设在下模具上的定位槽。
通过采用上述技术方案，在锻造过程中，下模具主要起支撑工件的作用。但是，将下模具设置成带有球冠状凸起，工件很难准确的进行对中(对中是指工件的中心轴线与下模具的中心轴线重合)。因此，在下模具上设置有辅助定位装置，使工件与下模具进行准确对中。
辅助定位装置包括第一定位体、第二定位体与定位槽。第一定位体与第二定位体均由半圆体和固接在半圆体两侧的耳板组成；定位槽是开设在下模具上，定位槽的纵截面为直角三角形。第一定位体、第二定位体在使用时，第一定位体、第二定位体分别从下模具的边缘沿定位槽的斜边向下模具的中心滑动，第一定位体、第二定位体刚好组成容纳工件的空腔。第一定位体与第二定位体的尺寸需要根据工件的直径进行制作。
优选的，所述第一定位体与第二定位体之间通过一磁铁相连接。
通过采用上述技术方案，第一定位体与第二定位体需要通过一磁铁进行连接，通过磁性的传导，也会使第一定位体与第二定位体固定在下模具上，使工件进行准确的进行对中。在锻造过程中，磁铁不断吸收热量，当磁铁温度大于750℃时，就会进行消磁，从而第一定位体与第二定位体进行分离。另外，在锻造过程中，工件也会不断挤压第一定位体与第二定位体，也会使第一定位体与第二定位体进行分离。第一定位体与第二定位体亦可通过焊接方式进行连接。
第二方面，本申请提供一种改善大尺寸盘锻件变形死区的制坯工艺，采用如下的技术方案：
一种改善大尺寸盘锻件变形死区的制坯工艺，包括以下步骤，
S1：锻造过程，利用本申请中所述的模具对工件进行锻造，工件经过一次制坯，得到一次锻件；一次锻件经过二次制坯，得到二次锻件；二次锻件经过模锻，得到盘锻件；
S2：利用Arrhenius方程构建合金数据库；
S3：对锻造过程进行有限元模拟；
通过采用上述技术方案，在本申请中，锻造过程包括一次制坯、二次制坯和模锻。一次制坯，首先将工件放入加热炉内进行加热，当工件达到设定温度时，再利用夹料车夹持工件放在上模具与下模具之间，锻机夹持上模具对工件进行锻造，即得一次锻件。工件经过一次制坯后，在工件的上下端面上形成与上模具与下模具形状相同的凹坑，方便后续加工过程中的对中操作。二次制坯，对一次锻件进行锻造，即得二次锻件。模锻，利用上、下模具对二次锻件进行锻造，即得盘锻件锻件。
对不同材料的工件利用Arrhenius方程创建材料数据库，再对锻造过程中一次制坯、二次制坯和模锻分别进行有限元模拟，有限元模拟过程利用的是Deform软件。由于工件尺寸较大，生产一次需要较长时间且成本较高，利用有限元模拟可以有效地减少生产频率，减少废品的数量，进而降低生产成本。
优选的，所述工件为GH4706高温合金的棒坯，直径为φ950-1850mm。
优选的，所述盘锻件的直径不小于φ2100mm。
通过采用上述技术方案，GH4706高温合金化学成分为(质量分数％)：Al 0.2、Ti1.8、Nb 3、Co 0.03、Cr 16、Fe 38、Ni余量。GH4706高温合金是一种Fe-Ni基高温合金，第二相主要有γ'相、γ”相、η相与MC型碳化物。GH4706高温合金具有优异的可铸造性、易加工性及可靠的高温力学性能，因而适于制备直径φ2100mm以上的超大尺寸盘锻件。
锻造过程包括一次制坯、二次制坯和模锻。工件经过一次制坯后，得到直径为φ1050-1300mm的一次锻件；一次锻件经过二次制坯后，得到直径为φ1400-1850mm的二次锻件；二次锻件经过模锻后，得到直径不低于φ2100mm的盘锻件。
在本申请中，工件的直径为φ950-1850mm。当直径为φ950-1050mm(不包括φ1050mm点值)时，需要对工件进行一次制坯、二次制坯和模锻。如果将直径为φ950-1050mm的工件直接进行模锻，工件的变形量过大，从而导致工件内部温升过高，不利于细化组织；另外，工件直接进行模锻时增加操作时间，工件外部温度下降明显，不会发生再结晶，同时提高了工件开裂的风险。因此，需要将直径为φ950-1050mm的工件进行一次制坯、二次制坯和模锻。当工件的直径为φ1050-1400mm(不包括φ1400mm点值)时，需要对工件进行二次制坯和模锻；当工件的直径为φ1400-1800mm时，只需要对工件进行模锻。
优选的，所述步骤S2中，Arrhenius本构方程分别为(ασ≤0.8，适用于高流变应力)
(ασ≥1.2适用于高流变应力)
以上三式中，A、A′、A″、α、β和n1、n均是与气体无关的常数；
其中：α＝β/n1
Qdef为合金热变形过程中的激活能，kJ/mol，R代表气体常数，8.314J/(mol·k)，T代表工件(2)的温度。
通过对GH4706合金进行热压缩试验，得到所需的数值进行整理后得到此合金的热加工方程为：
优选的，所述有限元模拟过程中，上模具与下模具温度为400-450℃；一次制坯中，工件温度为1060-1120℃，下压变形量为20-50％，模具下压速度为10-20mm/s；二次制坯中，一次锻件温度为1070-1130℃，下压变形量为35-60％，模具下压速度为10-20mm/s；模锻中，二次锻件温度为1080-1150℃，下压变形量为20-50％，模具下压速度为1-20mm/s。
通过采用上述技术方案，在锻造过程中，工件经过热传导将热量传递到上模具与下模具上，造成工件上下两端面的热量损失。因此，需要将上模具与下模具进行预热处理，预热温度为400-450℃，当预热温度大于450℃时，上模具与下模具的变形系数会逐渐增大，影响工件的变形量。
在本申请中，工件的温度为1060-1120℃，指的是在锻造过程中，需要将工件进行加热的温度。工件的加热温度直接影响着锻造过程及工件性能。当工件温度小于1060℃时，降低了工件的变形能力，增大工件的开裂系数；当工件温度大于1120℃时，工件内的晶粒会逐渐的长大，降低了工件的机械性能。
二次制坯中，一次锻件温度为1070-1130℃。由于一次锻件的直径大于工件的直径，为了保证一次锻件锻造设备载荷的要求，需要将一次锻件的加热温度稍高于工件温度。同理，在模锻过程中，二次锻件温度为1080-1150℃。
在锻造过程中，下模具主要起支撑作用，锻机夹持上模具压在工件的表面上，进行锻造。模具下压速度是指上模具下压速度，下压速度会影响锻造过程中所需的最大设备载荷，随变形量增大所需设备载荷增大，为达到预定的变形量，在实际下压过程中以减小下压速度来降低所需设备载荷，当下压速度小于1mm/s时，工件未达到要求的尺寸，则设备载荷不能达到锻造要求，需要进行多次的加热，造成资源的浪费；当下压速度大于20mm/s时，虽然增加了锻造效率及变形量。但是，同时也增加了工件的开裂系数，且所需的设备载荷也较大，现有设备难以达到要求。
在一个具体的实施方案中，有限元模拟过程中，上模具与下模具的预热温度为430℃。一次制坯过程中，工件的温度为1060℃，下压变形量为45％，模具下压速度为20mm/s时。二次制坯过程中，一次锻件的温度1070℃，下压变形量50％，模拟下压速度20mm/s。模锻过程中，二次锻件的温度1080℃，下压变形量42％，模拟压下速度是10mm/s。经性能检测，布氏硬度为410，拉伸强度为1288MPa。
第三方面，本申请提供一种高温合金盘锻件，采用如下的技术方案：一种高温合金盘锻件，所述高温合金盘锻件是利用本申请所述的制坯工艺生产。
通过采用上述技术方案，首先，对上模具与下模具进行形状设计，构建Arrhenius本构方程，再通过Deform软件对一次制坯、二次制坯和模锻分别进行有限元模拟。经多次有限元模拟分析后，得到较优方案进行实际的一次制坯、二次制坯和模锻，最后得到盘锻件，对盘锻件的端面进行取样，分析金相组织。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请在上模具与下模具上分别设置有球冠状凸起，有效地减少工件端面变形死区的产生，有利于盘锻件端面晶粒组织的控制；
2、本申请中优选采用有限元模拟技术，减少生产次数，降低生产成本；
3、本申请中设置有辅助定位装置，能够使工件与下模具进行准确对中。
附图说明
图1本申请整体结构示意图；
图2下模具结构示意图；
图3本申请整体结构一次制坯剖面图；
图4本申请整体结构二次制坯剖面图；
图5传统结构一次制坯剖面图；
图6传统结构二次制坯剖面图；
图7实施例1中一次制坯变形量示意图；
图8对比例1中一次制坯变形量示意图；
图9实施例1中二次制坯变形量示意图；
图10对比例1中二次制坯变形量示意图；
图11实施例1中模锻变形量示意图；
图12对比例1中模锻变形量示意图；
图13实施例1模锻后金相图；
图14对比例1模锻后金相图；
图中，1、上模具；11、球冠状上凸起；2、工件；21、一次锻件；3、下模具；31、球冠状下凸起；4、辅助定位装置；41、第一定位体；42、第二定位体；43、定位槽；44、耳板；45、半圆体；5、磁铁；6、平模上模具；7、平模下模具。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
参照图1与图2，在申请中，锻造过程包括一次制坯、二次制坯和模锻，一次制坯、二次制坯和模锻过程中利用的是相同的模具。模具包括上模具1与下模具3，在上模具1上设置有球冠状上凸起11，在下模具3上设置有球冠状下凸起31。上模具1与下模具3相对放置，且球冠状上凸起11的凸起方向朝向下模具3，球冠状下凸起31的凸起方向朝向上模具1。
在一次制坯过程中，将工件2放置于上模具1与下模具3之间，且工件2、上模具1与下模具3的中心轴线共线。为了使下模具3与工件2准确对中，在下模具3上设置有辅助定位装置4，辅助定位装置4包括第一定位体41、第二定位体42与供第一定位体41、第二定位体42滑动的定位槽43。第一定位体41与第二定位体42由半圆体45与固接在半圆体45两端的两个耳板44组成，第一定位体41与第二定位体42之间通过一磁铁5相连接，磁铁5位于两个耳板44之间，第一定位体41与第二定位体42构成容纳工件2的空腔。定位槽43开设在下模具3上，定位槽43的纵截面为直角三角形，且定位槽43的深度从下模具3边缘向中心轴线逐渐加深。
在生产制备过程中，首先将上模具1与下模具3进行预热处理，将第一定位体41与第二定位体42沿着定位槽43的斜边从下模具3的边缘向中心轴线方向滑动，将磁铁5固定在第一定位体41或第二定位体42的耳板44上，第一定位体41与第二定位滑动直至二者相互接触。再将加热后工件2的一端放置在下模具3上，工件2与第一定位体41和第二定位体42间存在一定间隙，利用锻机夹持上模具1压在工件2的另一端。在一次制坯过程中，上模具1不断挤压工件2，工件2的直径逐渐变大。随着工件2直径的不断变大，工件2的周面抵接在第一定位体41与第二定位体42的内壁上，当工件2的直径大于第一定位体41与第二定位体42的直径时，第一定位体41与第二定位体42向下模具3的边缘移动。当工件2直径达到一定尺寸后，得到一次锻件21。
再利用上模具1与下模具3对一次锻件21进行二次制坯，得到二次锻件。再次利用上模具1与下模具3对二次锻件进行模锻，得到盘锻件。二次制坯与模锻过程不需要辅助定位装置4。
参照图3与图4，利用本申请中制备的上模具1与下模具3进行一次制坯、二次制坯。
参照图5与图6，利用平模上模具6与平模下模具7进行一次制坯、二次制坯。
实施例
实施例1
1、模具设计
所述球冠状上凸起的凸起角α为83°，球冠状上凸起的高度h为45mm，球冠状下凸起的凸起角β为83°，球冠状下凸起的高度H为30mm。
2、构建方程
其中，R为气体常数，8.413J/(mol·k)T为工件温度；
3、对锻造过程进行有限元模拟
上模具与下模具的预热温度为430℃；
一次制坯过程，工件的温度设定为1060℃，下压变形量为45％，模具下压速度为20mm/s时，得到直径为φ1150×1400mm的一次锻件；
二次制坯过程中，一次锻件的温度1070℃，下压变形量50％，模拟下压速度20mm/s，得到直径为φ1610×700mm的二次锻件；
模锻过程中，二次锻件的温度1080℃，下压变形量42％，模拟压下速度是10mm/s，得到直径为φ2250mm的盘锻件。
4、生产制备盘锻件
实施例2-6与实施例1的区别如表1所示。
表1实施例2-6与实施例1的区别参数
对比例
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1中的模具为平模模具。
对比例2-7与实施例1的区别如表2所示。
表2对比例2-7与实施例1的区别参数
性能检测试验
1、力学性能检测
对上述实施例1-6与对比例1-7进行力学性能测试。检测盘锻件两端面的布氏硬度、冲击韧性、室温下的拉伸强度与屈服强度。
根据GB/T 231.1标准进行布氏硬度检测；
根据GB/T 229标准进行冲击韧性检测；
根据GB/T 228.1标准进行室温下的拉伸强度，具体检测结果如表3所示。
表3性能测试结果
结合实施例1和对比例1并结合表3可以看出，实施例1的力学性能高于对比例1的力学性能。
2、变形量测试及金相组织观察
通过力学性能的检测，对实施例1与对比例1进行下压变形量测试及金相组织观察，具体结果参照图7-14。图中数字为工件变形后对应区域内的最大变形量，变形量越大则发生动态再结晶程度越充分，晶粒越细小。
结合实施例1和对比例1并结合图7与图8可以看出，一次制坯后，实施1中工件端面变形量为0.2的区域最大高度为106.9mm，相比于对比例1，此高度下降了43.4％，极大地提高了实施例1中的细晶区域。
结合实施例1和对比例1并结合图9与图10可以看出，二次制坯后，实施例1中工件端面变形量为0.2的区域最大高度为64.9mm，相比于对比例1，此高度下降了29.5％。再次提高了实施例1中的细晶区域。
结合实施例1和对比例1并结合图11与图12可以看出，通过上述两次制坯后，分别对工件进行模锻模拟。二次制坯后，实施例1中工件变形量为1.0区域的高度为181.8mm。相比于对比例1小变形量区域也有较大幅度的降低。模锻后工件直径已超过2100mm，相较于对比例1，实施例1中1.0变形量的高度提高了12.7％，极大地高了工件模锻后大变形量区域。
结合实施例1和对比例1并结合图13与图14可以看出，在实施例1和对比例1制备的盘锻件的端面上取样后进行进行显微组织观察，经过对比后，实施例1中的晶粒明显细化。可以说明，利用球冠状凸起设置的模具能够减小变形死区，可显著降低晶粒的粗化行为，有利于盘锻件性能的提高与组织稳定性的控制。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (4)
1.一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具，其特征在于，所述模具包括上模具(1)与下模具(3)，在上模具(1)上设置有球冠状上凸起(11)，在下模具(3)上设置有球冠状下凸起(31)，球冠状上凸起(11)与球冠状下凸起(31)相对设置；
所述球冠状上凸起(11)的凸起角为80-85°，球冠状上凸起(11)的高度h为30-45mm，球冠状下凸起(31)的凸起角为80-85°，球冠状下凸起(31)的高度H为30-45mm；
工件(2)为GH4706高温合金的棒坯，直径为φ950-1850mm；
盘锻件的直径不小于φ2100mm；
在所述下模具(3)上设置有辅助定位装置(4)，辅助定位装置(4)包括第一定位体(41)、第二定位体(42)与开设在下模具(3)上的定位槽(43)；
所述第一定位体(41)与第二定位体(42)之间通过一磁铁(5)相连接；
所述定位槽(43)的纵截面为直角三角形，所述第一定位体(41)、第二定位体(42)分别从下模具的边缘沿定位槽(43)的斜边向下模具的中心滑动，第一定位体(41)、第二定位体(42)刚好组成容纳工件的空腔；
在锻造过程中，所述磁铁(5)不断吸收热量，当磁铁(5)温度大于750℃时，就会进行消磁，从而第一定位体(41)与第二定位体(42)进行分离。
2.根据权利要求1所述的一种改善大尺寸盘锻件变形死区的模具，其特征在于，所述球冠状上凸起(11)的凸起角为83°，球冠状上凸起(11)的高度h为45mm，球冠状下凸起(31)的凸起角为83°，球冠状下凸起(31)的高度H为30mm。
3.一种改善大尺寸盘锻件变形死区的制坯工艺，其特征在于，包括以下步骤，
S1：锻造过程，利用权利要求1-2任一所述的模具对工件(2)进行锻造，工件(2)经过一次制坯，得到一次锻件(21)；一次锻件(21)经过二次制坯，得到二次锻件；二次锻件经过模锻，得到盘锻件；
S2：利用Arrhenius方程构建合金数据库；
S3：对锻造过程进行有限元模拟。
4.根据权利要求3所述的一种改善大尺寸盘锻件变形死区的制坯工艺，其特征在于，所述有限元模拟过程中，上模具(1)与下模具(3)温度为400-450℃；一次制坯中，工件(2)温度为1060-1120℃，下压变形量为20-50%，模具下压速度为10-20mm/s；二次制坯中，一次锻件(21)温度为1070-1130℃，下压变形量为35-60%，模具下压速度为10-20mm/s；模锻中，二次锻件温度为1080-1150℃，下压变形量为20-60%，模具下压速度为1-20mm/s。
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