CN114700453B - 一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗工装及工艺方法，属于大型合金钢锭锻造技术领域。包括以下步骤：(1)模具的设计：设计一套墩粗装置。(2)钢锭加热：先在钢锭的下部涂刷高温涂料，然后将钢锭加热。(3)模具墩粗：用压机将冲头压入导向装置内。(4)脱模：导向装置设计为分离式，在墩粗过程中，冲头每走过一个导套单元，就将对应的那个导套单元取下，直到坯料在胎膜中完成变形过程，先去下上胎膜，再夹取下胎膜。本发明墩粗时涂覆润滑材料和墩粗过程中的取模，较好地解决了镦粗产生的质量问题和高合金钢锭偏析问题，锻件力学性能和等向性显著提高，避免了墩粗过程中钢锭产生弯曲、失稳，双鼓肚等缺陷。
Description
技术领域
本发明属于大型合金钢锭锻造技术领域，本发明涉及一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法。
背景技术
锻造的目的不仅是成型和得到所需要的尺寸，而且还要求打碎铸态粗大晶粒、均匀组织，锻合缩孔、疏松等缺陷，以得到致密的内部组织。锻造比的大小是衡量锻造效果的一个重要依据，一般规律是：随着锻造比的增大，锻件内部孔隙被焊合、铸态树枝晶组织被打碎的效果越明显，对锻件热处理后力学性能的提高和等向性改善具有十分重要的意义。
生产大型锻件一般都用自由锻压机，而大型自由锻压机高度及行程一般都是固定，所以在墩粗高度比较大的钢锭的时候受到限制，而大型自由锻压机制造成本高，不易更换。给自由锻造墩粗过程带来了很大问题。
镦粗是使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序。对于高合金钢，采用镦粗-拔长联合锻造工艺可以有效破坏铸态树枝晶，并使其分布更均匀。墩粗可减少锻件的各向异向，提高锻件径向性能。所谓的高径比是指镦粗前钢锭高度与镦粗前的钢锭直径之比，钢锭镦粗前高径比最好控制在2.0～2.5之间，当圆钢锭高径比超过3时，在平砧间镦粗时会产生弯曲现象，即钢锭上下两端变形量大，中部变形量小，镦粗后会形成双鼓肚，当高径比超过4.0时，钢锭在镦粗时会失稳，必须添加辅助工装进行墩粗。这就使得镦粗范围受到局限性。
目前，由于对高合金钢大型钢锭质量要求高，镦粗前钢锭的高径比大于4.0，为后续锻造成形带来严峻困难。为此，北重集团项目团队提供出一种超大高径比大型钢锭自由锻压机镦粗工装及工艺方法，较好地解决了受限空间内镦粗产生的质量和高合金钢锭偏析问题，锻件力学性能和等向性显著提高。工装结构简单、制造成本低，通用性强，灵活性大，可操作性强。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗工装及工艺方法，一种受限空间内超高径比大型合金钢锭自由锻压机镦粗的工艺方法，为较好地解决了高径比大于4.0的圆钢锭坯料镦粗时失稳或产生裂纹和高合金钢锭偏析的问题，使锻件力学性能和等向性显著提高。工装结构简单、制造成本低，通用性强，灵活性大，可操作性强。
技术方案如下：一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于，步骤如下：
(1)模具的设计：根据压机的高度h、钢锭的直径D、钢锭的高度H设计一套的墩粗装置，其包括胎膜，导向装置，垫板，冲头；
导向装置设计为分离式，由多个导套即自由导套、中间导套、顶部导套组合而成；中间导套用来连接顶部导套和自由导套，中间导套上面设计为凹槽结构、下面设计为凸台结构；自由导套用来连接中间导套和胎膜；
胎膜设计为分离式，包括上胎膜和下胎膜；上胎膜模腔壁与导向孔内壁台阶处设计为圆弧状；
(2)钢锭加热：加热前，先在钢锭的下部包覆在胎膜内的部分涂刷高温涂料，然后将钢锭加热；
(3)模具墩粗：墩粗前，预先将垫板和胎膜组合放置好，然后将钢锭的上部，即包覆于导向装置内的部分涂刷润滑剂，再放入胎膜中，然后将内壁涂刷润滑剂的导向装置内孔对准钢锭上部垂直穿入，与胎膜配合组装在一起，使钢锭被导向装置和胎膜完全包覆；然后将冲头放入导套内和钢锭接触；
(4)脱模：在墩粗过程中，当冲头的行程大于每个导套的高度时，取下对应的那个导套，直到坯料在胎膜中完成变形过程，先取下上胎膜，再夹取下胎膜。
与现有技术相比，本发明技术效果包括：实现高径比为4.17的高热强性超大高径比钢锭在液压机上的小变形量多次镦粗，解决了高径比超过4.0的高热强性钢锭镦粗产生的折叠、纵向裂纹等质量缺陷和钢锭偏析问题，使锻件力学性能和等向性显著提高，而且工装结构简单、制造成本低，通用性强，灵活性大，可操作性强。
附图说明
图1为本发明专利镦粗前镦粗工装示意图
图2为本发明专利实施例中导向装置工装示意图
图3为本发明专利实施例中顶部导套结构示意图
图4为本发明专利实施例中中间导套结构示意图
图5为本发明专利实施例中自由导套结构示意图
图6为本发明专利实施例中胎膜工装示意图
图7为本发明专利实施例中上胎膜结构示意图
图8为本发明专利实施例中下胎膜结构示意图
图9为本发明专利实施例中冲头结构示意图
图10为本发明专利实施例中冲垫结构示意图
图11为本发明专利实施例中镦粗过程示意图
图12为本发明专利实施例中脱模过程示意图
在附图中：01为下胎膜、02为上胎膜，组合后为一个胎膜；03为自由导套、04为中间导套、05为顶部导套，组合后为导向装置；06为冲头、07为冲垫。
具体实施方式
下面参考示例实施方式对本发明技术方案作详细说明。然而，示例实施方式能够以多种规格实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施规格：相反，提供多种规格实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面的传达给本领域的技术人员。
一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：
(1)模具的设计：根据压机的高度、钢锭的尺寸以及实施过程中的影响因素设计一套便于操作的墩粗装置。
(2)钢锭加热：加热前，先在钢锭的下部涂刷高温涂料，然后将钢锭加热。
(3)模具墩粗：墩粗前，在钢锭上部和导套内壁涂刷润滑剂，然后将钢锭放入模具中，用压机将冲头压入导套内，实现超大高径比高合金钢锭墩粗。
(4)脱模：由于在受限空间内，导向装置为分离式，在墩粗过程中，冲头每走过一个导套单元，就将对应的那个导套单元取下，直到坯料在胎膜中完成变形过程，先取下上胎膜，再夹取下胎膜。
进一步地，所述压机有效作业高度为h，钢锭的直径为D，钢锭的高度为H。
进一步地，所述钢锭墩粗前的特征为H/D≥3，墩粗后的特征为H/D≤2.5。
进一步地，加热前，钢锭下部在是否涂覆有高温涂料。
进一步地，：墩粗前，钢锭上部和导套内壁是否涂刷润滑剂。
进一步地，所述导向装置、冲头和胎膜都为分离式设计，使用时组合在一起。
进一步地，顶部导套开口处设置45°倒角，所述胎膜内壁上部设计为圆弧状，该圆弧的半径为R，且R＝0.1～0.2D。
进一步地，在墩粗过程中，冲头每走过一个导套单元，就将对应的那个导套单元取下，直到坯料在胎膜中完成变形过程。
进一步地，所述墩粗装置在受限空间内。
进一步地，所述墩粗方法为小变形量多次镦粗。
一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法步骤如下：
(1)模具的设计：根据压机的高度h、钢锭的直径D,钢锭的高度H设计一套便于操作的墩粗装置，如图1所示，包括胎膜，导向装置，垫板，冲头。
进一步：镦粗时导向装置限制了此段钢锭发生横向变形，受力后促使胎膜内的一段钢锭先发生变形，避免了钢锭的侧弯。
导向装置的内径为d1，按照经验公式计算得出，d1＝钢锭原始直径D×[1+热膨胀率(1.5％～2％)]+氧化皮厚度(5mm～8mm)+钢锭与镦粗筒的间隙(3mm～5mm)。
导向装置最大外径尺寸为d2，d2＝d1+2*200，保证镦粗工装的强度。
导向装置的总高度h1，钢锭的墩粗比为λ，则h1＝H-H/λ。
由于受压机空间限制，导向装置设计为分离式，由自由导套、中间导套、顶部导套组合而成，导向装置结构如图2所示。
顶部导套上面内壁设计为50×45°大倒角、方便冲头的放置，下面设计为凸台结构、凸台锥度设计为55°。顶部导套结构如图3所示。
中间导套用来连接顶部导套和自由导套，中间导套上面设计为凹槽结构、下面设计为凸台结构，凸台、凹槽锥度均设计为55°，中间导套数量可以根据需要增加或减少，中间导套结构如图4所示。
自由导套用来连接中间导套和胎膜，自由导套上下面均设计为凹槽结构，凹槽锥度设计为55°。自由导套结构如图5所示。
进一步：为了方便脱模，胎膜设计为分离式，包括上胎膜和下胎膜。上胎膜模腔壁与导向孔内壁连接处设计为圆弧状，装置内坯料受力后发生自由镦粗变形，圆弧状结构避免了装置外端坯料形成台尖角，进而形成折叠。
墩粗后钢锭直径为D1，高度为H1＝H/λ，根据体积不变原理得出，D12H1＝D2H；故可以求出D1。胎膜的内径为D2≥D1，H2≥H1，胎膜的壁厚保持和导套的壁厚一致。
胎膜工装示意图如图6所示，上胎膜结构示意图如图7所示，下胎膜结构示意图如图8所示。
进一步：受空间限制，冲头采用分离式设计，分为冲头和冲垫，冲头直接接触钢锭，冲头设计成圆柱形，直径略小于导向装置孔径，与钢锭接触面设计成平面、与侧面倒10°圆角。冲头上部设计为凹模结构，冲垫下部设计为凸模结构，冲头通过凹凸模和冲垫连接。凸台、凹槽锥度设计为10°，冲垫直径设计要小于冲头直径，冲垫可以根据需要增加或减少。冲头、冲垫中间设计一盲孔，方便吊装。冲头结构示意图如图9所示，冲垫结构示意图如图10所示。
(2)钢锭加热：加热前，先在钢锭的下部(即包覆在胎膜内的部分)涂刷高温涂料，然后将钢锭加热；
(3)模具墩粗：墩粗前，预先将垫板和胎膜组合放置好，然后将钢锭的上部(即包覆于导向装置内的部分)涂刷润滑剂，再放入胎膜中，然后将内壁涂刷润滑剂的导向装置内孔对准钢锭上部垂直穿入，与胎膜配合组装在一起。使钢锭被导向装置和胎膜完全包覆。然后将主冲头放入导套内和钢锭接触。
进一步：将组合好的墩粗装置移入压机下，通过压机上平砧将冲头压入导套内，根据需要在添加冲垫。继续将冲垫压入导套内，直到主冲头进入胎膜内，与胎膜内壁平齐时，墩粗过程完成。如图10所示。
(4)脱模：由于在受限空间内，导向装置设计为分离式，在墩粗过程中，当冲头的行程大于每个导套单元的高度时，取下对应的那个导套单元，直到坯料在胎膜中完成变形过程，先取下上胎膜，再夹取下胎膜。如图5所示。
以压机有效作业高度h＝3100mm，高合金钢圆钢锭原始直径D＝600mm，高度H＝2500mm，高径比n＝2500/600＝4.17进行镦粗为例。
一种超高径比大型合金钢锭自由锻压机镦粗的工艺方法步骤如下：
步骤1：导套内壁上部口部设计为45°倒角，方便放置冲头。如图2所示。
导套的内径为d1，按照经验公式计算得出，d1＝钢锭原始直径D×[1+热膨胀率(1.5％～2％)]+氧化皮厚度(5mm～8mm)+钢锭与导套内壁的间隙2*(3mm～5mm)＝600×(1+2％)+8+2×5＝630mm。
导套外径尺寸为d2，d2＝d1+2*200＝1030mm，保证镦粗工装的强度。
导套的总高度h1，h1＝H-H/λ，设定墩粗比λ＝2，则h1＝1250mm。
03为自由导套、04为中间导套、05为顶部导套，组合后为导向装置
进一步：胎膜内壁上部设计为圆弧状，装置内坯料受力后发生自由镦粗变形，圆弧状结构避免了装置外端坯料形成台尖角，进而形成折叠。
墩粗后钢锭的内径为D1，高度为H1＝H/2＝1250mm，根据体积不变原理，V1≥V2，得出，D12H1＝D2H；得到D1＝856mm；胎膜的内径为D2≥D1，H2≥H1，取D2＝900mm，H2＝1300mm。胎膜的壁厚保持和导套的壁厚一致。
进一步：受空间限制，冲头采用分离式设计，分为主冲头和辅助冲头，主冲头为直接接触钢锭的冲头，主冲头的直径为d3，D≤d3≤d1，即600≤d3≤630，取d3＝620mm。主冲头的高度为h3，h3≤h-H-垫板的高度h0≤3100-2500-200＝400mm，取h3＝300mm。辅助冲头尺寸和主冲头相同。03为自由导套、04为中间导套、05为顶部导套，组合后为导向装置
(2)钢锭加热：加热前，先在钢锭的下部涂刷高温涂料，然后将钢锭加热；
(3)模具墩粗：墩粗前，预先将垫板和胎膜组合放置好，然后将上部涂刷润滑剂的钢锭放入胎膜中，再将内壁涂刷润滑剂的导套组合放置在胎膜上，使钢锭被导套和胎膜完全包覆。然后将主冲头放入导套内和钢锭接触。
进一步：将组合好的墩粗装置移入压机下，通过压机上平砧将主冲头压入导套内，根据需要在添加辅助冲头。继续将冲头压入导套内，直到主冲头进入胎膜内，与胎膜内壁平齐时，墩粗过程完成。如图11所示。
(4)脱模：由于在受限空间内，导向装置设计为分离式，在墩粗过程中，当冲头的行程大于每个导套单元的高度时，取下对应的那个导套单元，直到坯料在胎膜中完成变形过程，先去下上胎膜，再夹取下胎膜。如图11所示。
Claims (9)
1.一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于，步骤如下：
（1）模具的设计：根据压机的高度h、钢锭的直径D、钢锭的高度H设计一套的墩粗装置，其包括胎膜，导向装置，垫板，冲头；
导向装置设计为分离式，由多个导套即自由导套、中间导套、顶部导套组合而成；中间导套用来连接顶部导套和自由导套，中间导套上面设计为凹槽结构、下面设计为凸台结构；自由导套用来连接中间导套和胎膜；
胎膜设计为分离式，包括上胎膜和下胎膜；上胎膜模腔壁与导向孔内壁台阶处设计为圆弧状；
（2）钢锭加热：加热前，先在钢锭的下部包覆在胎膜内的部分涂刷高温涂料，然后将钢锭加热；
（3）模具墩粗：墩粗前，预先将垫板和胎膜组合放置好，然后将钢锭的上部，即包覆于导向装置内的部分涂刷润滑剂，再放入胎膜中，然后将内壁涂刷润滑剂的导向装置内孔对准钢锭上部垂直穿入，与胎膜配合组装在一起，使钢锭被导向装置和胎膜完全包覆；然后将冲头放入导套内和钢锭接触；
（4）脱模：在墩粗过程中，当冲头的行程大于每个导套的高度时，取下对应的那个导套，直到坯料在胎膜中完成变形过程，先取下上胎膜，再夹取下胎膜。
2. 根据权利要求1所述的一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：顶部导套上面内壁设计为50×45°大倒角 ，下面设计为凸台结构、凸台锥度设计为55°。
3.根据权利要求1所述的一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：中间导套上面设计为凹槽结构、下面设计为凸台结构，凸台、凹槽锥度均设计为55°。
4.根据权利要求1所述的一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：自由导套上下面均设计为凹槽结构，凹槽锥度设计为55°。
5.根据权利要求1所述的一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：冲头采用分离式设计，分为冲头和冲垫，冲头直接接触钢锭，冲头设计成圆柱形，直径略小于导向装置孔径，与钢锭接触面设计成平面、与侧面倒10°圆角，冲头上部设计为凹模结构，冲垫下部设计为凸模结构，冲头通过凹凸模和冲垫连接。
6.根据权利要求5所述的一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：凹凸模的凸台、凹槽锥度设计为10°。
7.根据权利要求1所述的一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：将组合好的墩粗装置移入压机下，通过压机上平砧将冲头压入导套内，根据需要再添加冲垫；继续将冲垫压入导套内，直到主冲头进入胎膜内，与胎膜内壁平齐时，墩粗过程完成。
8.根据权利要求1所述的一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：所述钢锭墩粗前的特征为H/D≥3，墩粗后的特征为H/D≤2.5。
9.根据权利要求1所述的一种受限空间内超大高径比钢锭镦粗的工艺方法，其特征在于：顶部导套开口处设置45°倒角，所述上胎膜内壁上部设计为圆弧状，该圆弧的半径为R，且R=0.1～0.2D。
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