CN115446242A - 一种超大型风机轴锻造模具及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超大型风机轴锻造模具及锻造方法，该锻造摸具包括第一模具和第二模具；第一模具包括第一上模和第一下模，第一上模包括第一冲杆，第一冲杆的长度大于风机轴的内孔长度，第一冲杆的直径与内孔的直径相同；第二模具包括第二上模和第二下模，第二上模包括第二冲杆，第二冲杆的长度小于内孔的长度，第二冲杆包括圆台段和圆柱段，圆台段的直径从上至下逐渐减小，圆柱段的直径与内孔的直径相同，第二冲杆的尺寸与风机轴的内腔尺寸相匹配，第二下模的内腔尺寸与风机轴的外部尺寸相匹配。本发明提供的超大型风机轴锻造模具能够显著提高材料的利用率，减少了钢水用量，且降低了锻造余量，并保证了锻造质量的稳定性，提升风机轴的力学性能。

Description

一种超大型风机轴锻造模具及锻造方法

技术领域

本发明涉及锻件锻造技术领域，具体而言，涉及一种超大型风机轴锻造模具及锻造方法。

背景技术

风机轴是连接风机风翅与风机底座的重要部件，具有传动作用，常见的风机轴结构是中空的，且具有一个直径较大的法兰。风机轴的内孔加工难度较大，对于小型机组的风机轴一般是先锻造成实心锻件，再通过机加工的方式完成内孔加工。此类风机轴是采用胎模锻的制造工艺方案来实现的，即预制带台阶坯料，然后采用胎模成形旋转锻造出大法兰。而对于超大型风机轴，为锻造出内孔轮廓，一般采用芯棒拔长的自由锻工艺方法，但是这种方案的锻造效率较低，锻造余量较大，且容易出现法兰与主轴不同心的问题，导致占料严重，材料利用率低。另外，这种工艺导致锻件余量大部分被机加工去除，极容易造成锻造流线切断，导致锻造的质量稳定性较差。

发明内容

本发明解决的问题是如何提供一种超大型风机轴锻造模具，能够通过模锻成形的方式进行锻造，提高锻造效率，降低锻造余量，并提升锻造的质量稳定性。

为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种超大型风机轴锻造模具，包括第一模具和第二模具；

其中，所述第一模具包括第一上模和第一下模，所述第一上模包括第一冲杆，所述第一冲杆的长度大于风机轴的内孔长度，所述第一冲杆的直径与所述内孔的直径相同，所述第一下模为顶部开口的筒状结构；

所述第二模具包括第二上模和第二下模，所述第二上模包括第二冲杆，所述第二冲杆的长度小于所述内孔的长度，且所述第二冲杆包括圆台段和位于所述圆台段下方的圆柱段，所述圆台段的直径从上至下逐渐减小，所述圆柱段的直径与所述内孔的直径相同，且所述第二冲杆的尺寸与所述风机轴的内腔尺寸相匹配，所述第二下模为顶部开口的筒状结构，且所述第二下模的内腔尺寸与所述风机轴的外部尺寸相匹配。

优选地，所述圆柱段的长度为所述内孔长度的1/3-1/2。

优选地，所述第一下模的内腔由上下依次分布的第一内腔、第二内腔和第三内腔组成，其中，所述第一内腔和所述第三内腔为圆柱形，所述第二内腔为圆台形，且所述第一内腔的直径大于所述第三内腔的直径。

优选地，所述第一下模和所述第二下模均包括内筒和外筒，所述内筒为顶部开口的圆筒状结构，所述外筒为顶部和底部均开口的圆筒状结构，且所述内筒的外壁和所述外筒的内壁存在反斜度，所述内筒和所述外筒用于形成扣合结构。

优选地，所述第二上模还包括第二法兰，所述第二法兰包括盖板，所述盖板的直径等于所述第二下模内腔顶部横截面的直径。

优选地，所述内筒的底部设置有顶出孔，所述顶出孔内设置有与所述顶出孔形状相匹配的封堵块，所述封堵块与顶出装置连接。

优选地，所述第一冲杆一端的端部为半球形。

优选地，所述第一冲杆一端的端部外侧套设有球头，所述球头为半球壳形，且所述球头与所述第一冲杆可拆卸连接。

本发明通过第一模具完成坯料的冲孔，完成冲孔后的坯料内部形成与风机轴内孔直径相同的盲孔，再同第二模具对完成冲孔的坯料进行扩口，由于第二冲杆具有上下依次设置的圆台段和圆柱段，且第二冲杆的整体尺寸与风机轴的内腔尺寸相匹配，第二下模的内腔尺寸与风机轴的外部尺寸相匹配，当第二冲杆下压时会对完成冲孔的坯料进行扩口，在进行扩口同时，坯料的所有位置均与第二冲杆和第二下模接触，能够实现全压应力成形，通过本发明提供的锻造模具能够显著提高材料的利用率，减少了钢水用量，且降低了锻造余量，通过第一模具和第二模具的模锻成形过程能够连续进行风机轴的锻造加工，保证了锻造质量的稳定性，而且全压应力成形的方式能够有效抑制风机轴表面纤维裂纹的产生，使表层金属更为致密，在一定程度上能够提高风机轴的力学性能，从而提高风机轴的使用寿命。

另外，本发明还提供了一种超大型风机轴锻造方法，采用如上所述的超大型风机轴锻造模具进行锻造，包括以下步骤：

步骤S1、将坯料放入第一下模中，将所述坯料镦粗，同时使所述坯料完全进入所述第一下模中，使所述第一下模位于第一上模下方，然后使所述第一上模下压，第一冲杆进入所述坯料内，进行冲孔，得到冲孔坯料；

步骤S2、提升所述第一上模，使所述第一冲杆脱离所述冲孔坯料，将所述冲孔坯料转移至第二下模中；

步骤S3、将所述第二下模移动至第二上模下方，使所述第二上模下压，第二冲杆进入所述冲孔坯料内，对所述冲孔坯料进行扩孔，得到扩孔坯料；

步骤S4、取出所述扩孔坯料，切除所述扩孔坯料的盲端，进行后续处理。

优选地，所述步骤S1中，所述坯料为连铸坯。

本发明通过第一模具和第二模具能够实现风机轴的模锻成形，在锻造过程中坯料的变形量较大，从而实现风机轴的近净成形，能够最大程度保留锻造流线，提高风机轴的性能。

附图说明

图1为本发明实施例中第一模具的结构示意图；

图2为本发明实施例中第二模具的结构示意图；

图3为本发明实施例中第二下模的结构示意图一；

图4为本发明实施例中第二下模的结构示意图二；

图5为本发明实施例中第一冲头端部的局部放结构示意图；

图6为本发明实施例中圆柱形坯料放入第一下模中的状态示意图；

图7为本发明实施例中圆柱形坯料镦粗后形成台阶状坯料的状态示意图；

图8为本发明实施例中通过第一模具对坯料进行冲孔处理的状态示意图；

图9为本发明实施例中通过第一模具完成冲孔的状态示意图；

图10为本发明实施例中通过第二模具对坯料进行扩孔处理的状态示意图；

图11为本发明实施例中通过第二模具完成坯料扩孔的状态示意图；

图12为本发明实施例中成形锻件的纤维流线图。

附图标记说明：

110、第一上模；111、第一冲杆；1111、球头；112、第一法兰；120、第一下模；210、第二上模；211、第二冲杆；212、第二法兰；220、第二下模；221、内筒；2211、顶出孔；2212、封堵块；2213、顶出装置；222、外筒。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。同时，要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本发明实施例提供一种超大型风机轴锻造模具，包括第一模具和第二模具；

其中，如图1所示，所述第一模具包括第一上模110和第一下模120，所述第一上模110包括第一冲杆111，所述第一冲杆111的长度大于风机轴的内孔长度，所述第一冲杆111的直径与所述内孔的直径相同，所述第一下模120为顶部开口的筒状结构；

如图2所示，所述第二模具包括第二上模210和第二下模220，所述第二上模210包括第二冲杆211，所述第二冲杆211的长度小于所述内孔的长度，且所述第二冲杆211包括圆台段和位于所述圆台段下方的圆柱段，所述圆台段的直径从上至下逐渐减小，所述圆柱段的直径与所述内孔的直径相同，且所述第二冲杆211的尺寸与所述风机轴的内腔尺寸相匹配，所述第二下模220为顶部开口的筒状结构，且所述第二下模220的内腔尺寸与所述风机轴的外部尺寸相匹配。

需要说明的是，本发明实施中的超大型风机轴是指风机轴内孔直径和长度均较大的风机轴，例如，风力发电机的风机主轴等，由于规格较大，采用传统的胎模锻工艺，只能将锻件锻造成实心，再后续机加工成空心，由于超大型风机轴的内孔较大从而导致材料浪费严重。

具体地，第一模具能够完成坯料的冲孔过程，第一冲杆111的长度大于风机轴的内孔长度，且第一冲杆111的直径与内孔的直径相同，能够使坯料内产生长度大于风机轴内孔长度的盲孔，盲孔的直径与内孔相同；即，通过第一模具能够实现以反挤压的方式锻造得到具有盲孔结构的坯料，且通过挤压作用能够使坯料拔长；

然后，第二模具中第二冲杆211的尺寸与风机轴的内腔尺寸相匹配，第二下模220的内腔尺寸与风机轴的外部尺寸相匹配，即，使用第二模具对具有盲孔结构的坯料进一步处理后，成形坯料的内部尺寸和外部尺寸均能够满足风机轴的设计要求，因此使用第二模具对具有盲孔结构的坯料进行处理时，能够使坯料的内部和外部分别于第二冲杆211和第二下模220充分接触，实现全压应力变形，从而有效抑制表面纤维裂纹的产生，缓解疲劳裂纹的萌生及扩展，使表层更为致密，一定程度上提高锻件的力学性能，大幅提升锻件的抗疲劳性能，从而提高锻件的使用寿命；

第二冲杆211包括上下两部分，其中上部分为圆台段，且圆台段的直径由上至下依次变小，下部分为圆柱段，上部分的尺寸与风机轴的内腔尺寸相匹配，下部分的直径与风机轴的内孔直径相同，另外，第二冲杆211的上方所连接的第二法兰212包括一块直径较大的盖板，盖板的直径与第二下模220内腔顶部横截面的直径相同。

当使第二冲杆211下压时，第二冲杆211的下部分(圆柱段)先进入坯料的盲孔内，由于下部分的直径与盲孔的直径相同，具有定位和约束作用，下压时避免盲孔变形，当第二冲杆211下压至一定程度后，第二冲杆211的上部分(圆台段)对盲孔的顶部进行扩口，由于第二冲杆211的上部为圆台形，盲孔的顶部也产生相应的圆台形扩口；另外，第二下模220的内腔尺寸与风机轴的外部尺寸相匹配，第二冲杆211下压时，也能够使坯料的外部产生变形，使坯料的外部贴合至第二下模220的内壁，从而使坯料的内部尺寸和外部尺寸均与风机轴一致，完成成形过程。

由于第二冲杆211上方与第二法兰212连接，且第二法兰212具有与第二下模220内腔顶部横截面相同直径的盖板，当第二冲杆211下压时，盖板能够将变形后的坯料限制在第二下模220的内腔中，使坯料的外部和内部均与第二模具贴合，实现全压应力变形。

如图11所示，使用第二模具进行扩口时，坯料(图中阴影部分)夹在第二上模210和第二下模220之间，坯料的内部和外部分别与第二上模210和第二下模220充分接触，实现全压力变形。

由于风机轴的结构为一端具有大法兰的结构，因此，第一下模120的内腔设置为台阶状结构，即第一下模120的内腔由上下依次分布的第一内腔、第二内腔和第三内腔组成，其中，所述第一内腔和所述第三内腔为圆柱形，所述第二内腔为圆台形，且所述第一内腔的直径大于所述第三内腔的直径，当使用第一模具120对坯料进行冲孔时，坯料的外部会形成台阶状结构，便于后续扩口时成形。

第一冲杆111和第二冲杆211的顶端分别与压机连接，通过操作压机上升和下压实现冲孔和扩孔作业。

具体地，第一冲杆111上方与第一法兰112连接，第二冲杆211上方与第二法兰212连接，再通过第一法兰112和第二法兰212与压机连接。

应说明的是，由于压机的上升和下压空间均存在限制，若需要满足一火次成形，则第一下模120和第一上模110叠加后的高度应小于压机的净空距。

其中，圆柱段的长度优选为风机轴内孔长度的1/3-1/2，既能在扩口过程中起到良好的定位及支撑作用，避免扩口导致盲孔变形，也能够在完成扩口后将第二冲杆211顺利取出，避免由于接触面积过大导致难以取出。

所述第一下模120和所述第二下模220均包括内筒221和外筒222，如图4所示，以第二下模220为例，所述内筒221为顶部开口的圆筒状结构，所述外筒222为顶部和底部均开口的圆筒状结构，且所述内筒221的外壁和所述外筒222的内壁存在反斜度，所述内筒221和所述外筒222用于形成扣合结构。

即，通过将外筒222扣住内筒221，然后再将外筒222的底部进行固定，即可对内筒221进行固定，在冲孔和扩口过程中，能够释放坯料的应力，减少坯料开裂的现象。

进一步地，内筒221由多个分瓣组成，即，内筒221可拆分为多个分瓣，将多个分瓣组合成内筒221后，再通过外筒222扣合，既能够降低内筒221在冲孔和扩口过程中所承受的载荷，避免内筒221开裂，同时冲孔或扩口结束后，若出现冲杆与坯料抱死，或者坯料无法从内筒221取出的情况时，能够通过拆除内筒221的方式解决，避免破坏模具。

示例性地，内筒221可由4个相同结构的分瓣组成。

如图3和图4所示，为了方便在冲孔和扩口后取出坯料，所述内筒221的底部设置有顶出孔2211，所述顶出孔2211内设置有与所述顶出孔2211形状相匹配的封堵块2212，所述封堵块2212与顶出装置2213连接。

示例性地，顶出孔2211位于内筒221的底部中央，顶出孔2211内设置由于顶出孔2211形状相匹配的封堵块2212，当进行冲孔或扩口时，封堵块2212能够避免坯料在被挤压过程中从顶出孔2211露出，完成冲孔或扩口时，能够通过使顶出装置2213向上顶出，即可将坯料顶起，进行位置转移。

其中，封堵块2212的形状可以为倒“凸”字形，即封堵块2212由两个圆柱体叠加而成，两个圆柱体的轴线重叠，且上部圆柱体的直径大于下部圆柱体的直径，可以有效避免冲型过程中封堵块2212被挤出内筒，且封堵块2212的顶部面积较大，提高顶出的稳定性；顶出装置2213可以为顶出气缸或顶出油缸。

由于第一模具中第一冲杆111需要完成冲孔作业，第一冲杆111一端的端部优选设置为半球形，便于冲孔过程中坯料内的金属流动，降低冲孔过程中的阻力。

进一步地，如图5所示，所述第一冲杆111一端的端部外侧还套设有半球壳形的球头1111，且所述球头1111与所述第一冲杆111可拆卸连接。

由于半球壳形的球头1111套设在第一冲杆111的端部，因此球头1111直径大于第一冲杆111的直径，在进行冲孔作业时，球头1111先接触坯料，由于球头1111的直径大于第一冲杆111的直径，所以冲孔过程中第一冲杆111不与坯料直接接触，减少了第一冲杆111与坯料之间的摩擦，降低了冲孔难度，完成冲孔后，通过将球头1111和第一冲孔111拆分，即可顺利取出第一冲杆111，避免第一冲杆111与坯料抱死的情况。

具体地，第一冲杆111的端部为半球形，球头1111为半球壳形，半球壳形的球头1111和半球形的第一冲杆111端部通过横销连接，横销依次穿过球头1111侧壁的第一安装孔和第一冲杆111侧壁的第二安装孔，使两者连接，且球头1111的内壁与第一冲杆111端部之间存在间隙，当第一冲杆111下压时，通过产生的剪切力使第一冲杆111的端部压入间隙内，第一冲杆111和球头1111的相对位置发生变化，横销被切断，第一冲杆111和球头1111分离，完成冲孔后，即可顺利取出第一冲杆111，将球头1111留在坯料内。

本发明的另一实施例提供一种超大型风机轴锻造方法，采用如上所述的超大型风机轴锻造模具进行锻造，包括以下步骤：

步骤S1、如图6和图7所示，将坯料放入第一下模120中，将所述坯料镦粗，同时使所述坯料完全进入所述第一下模120中，如图8所示，使所述第一下模120位于第一上模110下方，如图9所示，然后使所述第一上模110下压，第一冲杆111进入所述坯料内，进行冲孔，得到冲孔坯料；

步骤S2、提升第一上模110，使第一冲杆111脱离所述冲孔坯料，将所述冲孔坯料转移至第二下模220中；

步骤S3、如图10和图11所示，将所述第二下模220移动至第二上模210下方，使所述第二上模210下压，第二冲杆211进入所述冲孔坯料内，对所述冲孔坯料进行扩孔，得到扩孔坯料；

步骤S4、取出所述扩孔坯料，切除所述扩孔坯料的盲端，进行后续处理。

也就是说，本发明实施例通过冲孔和扩口的连续锻造工艺锻造超大型风机轴，能够实现风机轴的近净成形，能够最大程度保留锻造流线，提高风机轴的性能。步骤S1中，所使用坯料为连铸坯或经过开坯处理的钢锭，由于且本发明实施例提供的方法中风机轴的变形量较大，且模锻成形方式能够提高材料利用率，减少钢水用量，既可以采用真空模铸钢锭进行锻造，也可以采用连铸坯直接锻造，当采用连铸坯作为坯料时，能够进一步节约锻造成本和材料(真空模铸钢锭在锻造使需要切除25％左右的冒口及锭底，而连铸坯则可以全部用于锻造)；另外，连铸坯的截面尺寸较小，结晶时间较短，其内部冶金质量相对于模铸钢锭具有更大的优势，从而能够进一步提高锻件的质量。

应说明的时，当采用钢锭作为坯料时，需要提前进行开坯处理，开坯处理包括：对钢锭进行压钳口，切水口，然后进行多次镦粗和拔长。

另外，初始坯料为圆柱形坯料，将圆柱形坯料放入第一下模120后，对其进行镦粗，使圆柱形坯料全部进入第一下模120的同时，使坯料形状与第一下模120的内腔相匹配，从而形成台阶状坯料，台阶状坯料的上部分包含更多材料，符合风机轴上部具有大法兰盘的结构特征，便于风机轴的成形。

当完成冲孔或扩口后，可通过操作顶出装置2213将冲孔坯料或扩口坯料顶出，从而便于取出坯料进行转移。

由于本发明实施例提供的方法得到的扩孔坯料中为盲孔结构，而风机轴为通孔结构，得到扩孔坯料后，需要将盲孔的盲端部分切除，即可完成风机轴的成形，然后进行后续处理。

后续处理步骤包括调制热处理、表面清理和尺寸检查等，直至完成风机轴的锻造。

对采用本发明实施例提供的超大型风机轴锻造方法得到的锻件的锻造流线进行计算，如图7所示，成形后的锻件具有优良的纤维流线，这主要由于本发明实施例提供的模锻成形工艺能够使成形后的锻件具有优良的纤维流线，且本发明实施例提供的工艺能够近净成形，从而最大程度的保留锻造流线，提高锻件性能。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超大型风机轴锻造模具，其特征在于，包括第一模具和第二模具；

其中，所述第一模具包括第一上模(110)和第一下模(120)，所述第一上模(110)包括第一冲杆(111)，所述第一冲杆(111)的长度大于风机轴的内孔长度，所述第一冲杆(111)的直径与所述内孔的直径相同，所述第一下模(120)为顶部开口的筒状结构；

所述第二模具包括第二上模(210)和第二下模(220)，所述第二上模(210)包括第二冲杆(211)，所述第二冲杆(211)的长度小于所述内孔的长度，且所述第二冲杆(211)包括圆台段和位于所述圆台段下方的圆柱段，所述圆台段的直径从上至下逐渐减小，所述圆柱段的直径与所述内孔的直径相同，且所述第二冲杆(211)的尺寸与所述风机轴的内腔尺寸相匹配，所述第二下模(220)为顶部开口的筒状结构，且所述第二下模(220)的内腔尺寸与所述风机轴的外部尺寸相匹配。

2.根据权利要求1所述的超大型风机轴锻造模具，其特征在于，所述圆柱段的长度为所述内孔长度的1/3-1/2。

3.根据权利要求1所述的超大型风机轴锻造模具，其特征在于，所述第一下模(120)的内腔由上下依次分布的第一内腔、第二内腔和第三内腔组成，其中，所述第一内腔和所述第三内腔为圆柱形，所述第二内腔为圆台形，且所述第一内腔的直径大于所述第三内腔的直径。

4.根据权利要求1所述的超大型风机轴锻造模具，其特征在于，所述第一下模(120)和所述第二下模(220)均包括内筒(221)和外筒(222)，所述内筒(221)为顶部开口的圆筒状结构，所述外筒(222)为顶部和底部均开口的圆筒状结构，且所述内筒(221)的外壁和所述外筒(222)的内壁存在反斜度，且所述内筒(221)和所述外筒(222)用于形成扣合结构。

5.根据权利要求1所述的超大型风机轴锻造模具，其特征在于，所述第二上模(210)还包括第二法兰(212)，所述第二法兰(212)包括盖板，所述盖板的直径等于所述第二下模(220)内腔顶部横截面的直径。

6.根据权利要求4所述的超大型风机轴锻造模具，其特征在于，所述内筒(221)的底部设置有顶出孔(2211)，所述顶出孔(2211)内设置有与所述顶出孔(2211)形状相匹配的封堵块(2212)，所述封堵块(2212)与顶出装置(2213)连接。

7.根据权利要求1所述的超大型风机轴锻造模具，其特征在于，所述第一冲杆(111)一端的端部为半球形。

8.根据权利要求7所述的超大型风机轴锻造模具，其特征在于，所述第一冲杆(111)一端的端部外侧套设有球头(1111)，所述球头(1111)为半球壳形，且所述球头(1111)与所述第一冲杆(111)可拆卸连接。

9.一种超大型风机轴锻造方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的超大型风机轴锻造模具进行锻造，包括以下步骤：

步骤S1、将坯料放入第一下模(120)中，将所述坯料镦粗，同时使所述坯料完全进入所述第一下模(120)中，使所述第一下模(120)位于第一上模(110)下方，然后使所述第一上模(110)下压，第一冲杆(111)进入所述坯料内，进行冲孔，得到冲孔坯料；

步骤S2、提升所述第一上模(110)，使所述第一冲杆(111)脱离所述冲孔坯料，将所述冲孔坯料转移至第二下模(220)中；

步骤S3、将所述第二下模(220)移动至第二上模(210)下方，使所述第二上模(210)下压，第二冲杆(211)进入所述冲孔坯料内，对所述冲孔坯料进行扩孔，得到扩孔坯料；

步骤S4、取出所述扩孔坯料，切除所述扩孔坯料的盲端，进行后续处理。

10.根据权利要求9所述的超大型风机轴锻造方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述坯料为连铸坯。

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