CN115488279A - 基于三轴加载的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述基于三轴加载的锻造方法，使用六个含锻锤的活动式锤击单元，每两个活动式锤击单元为一对，六个活动式锤击单元分为三对，每对活动式锤击单元的中心线位于同一轴线上，三对活动式锤击单元的布置方式：三对活动式锤击单元的中心线所在的三条轴线两两垂直并相交形成笛卡尔坐标系，六个活动式锤击单元在驱动系统的作用下其锻锤同步向笛卡尔坐标系原点方向运行，从六个方向对锻件施加压力，完成对锻件的锻造加工。本发明所述方法可提高锻件锻造的均匀性，尤其是大块体锻件锻造的均匀性，及提高生产效率和动力能源利用率。

Description

基于三轴加载的锻造方法

技术领域

本发明属于锻造技术领域，涉及可提高大块体锻件锻造均匀性的锻造方法。

背景技术

锻造是机械零件制造的主要加工方法之一，锻造除了可以获得一定的几何形状外，还具有改善金属材料内部组织并提升材料性能的作用(如锻造可以细化材料内部的某些铸态组织，消除材料内部的缺陷，如气孔、缩松等)。传统的锻造工艺，通常先对锻件进行加热，加热完成后再采用单个捶击单元或两个锤击单元相向击打锻件，无论是自由锻还是模锻，其锻造过程的加载方式均属于单轴加载。由于仅以两个锤击单元相向击打锻件，因而传统的锻造工艺对块状锻件、尤其是大块体锻件的锻造很不均匀，致使锻件内部不同区域组织的细化程度、气孔闭合率、缺陷分布的均匀性等出现较大的差异，影响锻造所得材料的整体性能；同时，锻造大块体锻件的效率不高，锻造过程中动力能源浪费严重。

为了提高锻造的均匀性，已有用四个锤击单元相向击打锻件的锻造技术公开，即其加载方式为双轴加载，并通过锻造设备的改进保证其中三个活动式锤击单元的同步性(见ZL201510553214.6)，但由于块状锻件具有三维空间结构，通过四个锤击单元对锻件进行双轴加载的方式仍然难以保证大块体锻件锻造的均匀性，且生产效率和动力能源利用率也有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三轴加载的锻造方法，以提高锻造均匀性，尤其是大块体锻件锻造的均匀性，及提高生产效率和动力能源利用率。

本发明所述基于三轴加载的锻造方法，使用六个含锻锤的活动式锤击单元，每两个活动式锤击单元为一对，六个活动式锤击单元分为三对，每对活动式锤击单元的中心线位于同一轴线上，三对活动式锤击单元的布置方式：三对活动式锤击单元的中心线所在的三条轴线两两垂直并相交形成笛卡尔坐标系，六个活动式锤击单元在驱动系统的作用下其锻锤同步向笛卡尔坐标系原点方向运行，从六个方向对锻件施加压力，完成对锻件的锻造加工。

本发明所述基于三轴加载的锻造方法，优选六个活动式锤击单元的锻锤锤面为尺寸相同的正方形，锻件的形状为正方体或近似于正方体，所述锤面的边长应小于锻件的棱长，锻件棱长与锤面边长之差的控制规则是：在对锻件施加压力时能避免锻锤之间发生碰撞，并使整个锻件受力均匀。实验显示，按照上述控制规则，锻件棱长与锤面边长之差与锻件棱长之比可控制在5～40％(见实施例)。

本发明所述基于三轴加载的锻造方法，锻件的优选放置位置应使锻件的几何中心与三对活动式锤击单元的中心线所在的三条轴线形成的笛卡尔坐标系原点重合，且锻件的六个面分别与相对应的活动式锤击单元所含锤头的锤面平行；当各活动式锤击单元的锤面调整至与锻件对应的面贴合后，开始对锻件施加压力。

本发明所述基于三轴加载的锻造方法，活动式锤击单元除包括锻锤外，还包括组合套、垫块、缸体和活塞；活塞为下大上小的阶梯轴结构，缸体为圆筒体，其底壁设置有第一工作介质过孔、侧壁上部设置有第二工作介质过孔，活塞与缸体组合，它们组合后形成的工作介质腔通过密封圈实现密封；锻锤由圆柱形安装段和四棱锥台形锤头构成，所述安装段和锤头为一体化结构或组合式结构，当锤头为普通四棱锥台形时，其顶面为长方形锤面，当锤头为正四棱锥台形时，其顶面为正方形锤面；组合套内孔与活塞上部段、垫块和锻锤安装段形状和尺寸匹配，垫块放置在活塞上部段顶面，组合套套装于活塞上部段和垫块上，通过螺钉与活塞上部段固连，锻锤的安装段插装在组合套上端并通过两者之间的过盈配合实现固定。本发明所述基于三轴加载的锻造方法，活动式锤击单元所用驱动系统为液压驱动系统或气动驱动系统。

本发明所述基于三轴加载的锻造方法，使用的锻造设备由底座、六个活动式锤击单元、连接件和驱动系统组成。六个活动式锤击单元分别命名为第一活动式锤击单元、第二活动式锤击单元、第三活动式锤击单元、第四活动式锤击单元、第五活动式锤击单元、第六活动式锤击单元，它们结构相同，其结构如上所述；第一活动式锤击单元固定在底座上，其中心线与底座的中心线重合；第二活动式锤击单元、第三活动式锤击单元、第四活动式锤击单元、第五活动式锤击单元分别间隔90°环绕第一活动式锤击单元的中心线布置，通过连接件使相邻两个活动式锤击单元相互连接且与固定在底座上的第一活动式锤击单元连接，安装时应保证四个活动式锤击单元的中心线在同一平面上并与第一活动式锤击单元的中心线相交于一点；第六活动式锤击单元位于最上方，其轴线与第一活动式锤击单元的轴线重合，通过连接件分别与第二活动式锤击单元、第三活动式锤击单元、第四活动式锤击单元、第五活动式锤击单元连接。驱动系统为液压驱动系统或气动驱动系统，用于驱动六个活动式锤击单元中的锻锤同步运动对锻件施加压力及调整活动式锤击单元中锻锤的位置。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)由于本发明所述方法使用六个含锻锤的活动式锤击单元，且他们的中心线形成笛卡尔坐标系，在驱动系统的作用下六个活动式锤击单元的锻锤同步向笛卡尔坐标系原点方向运行，从六个方向对锻件施加压力，完成对锻件的锻造加工，因而加载过程中，锻件会因挤压变形在六个锻锤锤面之间形成密封边，将压力密封在这六个锤面围成的腔体内，锻锤通过保持其所在的位置或者继续向中心位置推进，实现对腔体内压力的保持或增加，从而使压力在锻件内部传递并达到均匀分布，提高锻造的均匀性，使锻件内部各类组织的细化程度大、细小组织和缺陷的分布均匀、气孔闭合率高，从而显著的提高锻件的综合性能。

(2)由于本发明所述方法中优选的技术方案是六个活动式锤击单元的锻锤锤面为尺寸相同的正方形，锻件的形状为正方体或近似于正方体，当锻件被放置在其几何中心与锤击单元的中心线形成的笛卡尔坐标系原点重合的位置，各活动式锤击单元的锤面调整至与锻件对应的面贴合后，锻件表面大部分被锤面覆盖，因而本发明所述方法特别适用于大尺寸正方体形锻件的锻造，不仅能提高锻造的均匀性，减小锻件的耗散比，而且经锻造得到的材料可直接加工成大型零件，避免形成大型零件需多个工件的焊接，减少了加工工序。

(3)本发明所述方法根据锻件的材料和设计要求设置锻造加载参数，在驱动系统的作用下六个活动式锤击单元的锻锤同步向笛卡尔坐标系原点方向运行，从六个方向对锻件施加压力完成对锻件的锻造加工，无需反复的捶打以及人工的干预，因此能提高动力能源利用率和生产效率。

(4)本发明所述方法可根据锻件的大小更换不同尺寸锤面的锻锤进行锻造，因而适用面广，并具有模锻和自由锻的优点。

附图说明

图1是本发明所述方法中锻锤的一种示意图；

图2是本发明所述方法中活动式锤击单元的一种示意图；

图3是本发明所述方法的锻造原理示意图；

图4是本发明所述方法中锻件的放置位置示意图；

图5是本发明所述方法使用的锻造设备中六个活动式锤击单元的一种组合安装示意图；

图6是本发明所述方法使用的锻造设备的一种示意图；

图7是本发明实施例1中的锻件在锻造前的光学照片图；

图8是本发明实施例1中的锻件经锻造后的光学照片图；

图9是本发明实施例1中的锻件在锻造前的维氏压坑图；

图10是本发明实施例1中的锻件经锻造后的维氏压坑图；

图11是本发明实施例2中的锻件在锻造前的光学照片图；

图12是本发明实施例2中的锻件经锻造后的光学照片图；

图13是本发明实施例2中的锻件在锻造前的维氏压坑图；

图14是本发明实施例2中的锻件经锻造后的维氏压坑图。

图中，1—锻锤，1-1—安装段，1-2—锤头，1-3—锤面，2—组合套，3—垫块，4—螺钉，5—固定环，6-1—第一密封环，6-2—第一密封环，7—第二工作介质过孔，8—活塞，9—缸体，10-1—第一工作介质腔，10-2—第二工作介质腔，11—第一工作介质过孔，12—活动式锤击单元，12-1—第一活动式锤击单元，12-2—第二活动式锤击单元，12-3—第三活动式锤击单元，12-4—第四活动式锤击单元，12-5—第五活动式锤击单元，12-6—第六活动式锤击单元，13—锻件，14—底座，15—连接件，16—驱动系统。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述基于三轴加载的锻造方法及所使用的锻造设备作进一步说明。

下述实施例所使用的锻造设备如图5、图6所示，由底座14、六个活动式锤击单元12、连接件15和驱动系统16组成；六个活动式锤击单元结构相同，分别命名为第一活动式锤击单元12-1、第二活动式锤击单元12-2、第三活动式锤击单元12-3、第四活动式锤击单元12-4、第五活动式锤击单元12-5、第六活动式锤击单元2-6；连接件15为杆件，驱动系统16为液压驱动系统，由低压液压驱动系统和高压液压驱动系统组成，低压液压驱动系统、高压液压驱动系统均包括液压泵和控制元件(各种液压阀)组成的液压流路，低压液压驱动系统用于调整活动式锤击单元中锻锤的位置，低压液压驱动系统与高压液压驱动系统相互配合控制活动式锤击单元中的锻锤对锻件施加压力。活动式锤击单元如图2所示，包括锻锤1、组合套2、垫块3、缸体9和活塞8；锻锤1如图1所示，由一体化结构的圆柱形安装段1-1和正四棱锥台形锤头1-2构成，由牌号为YG-6碳化钨合金加工制作，锤头1-2的顶面为正方形锤面1-3；活塞8为下大上小的三阶梯轴结构，缸体9为圆筒体，其内径与活塞8下部段直径匹配，其顶面所设孔的孔径与活塞中部段直径匹配，其底壁设置有第一工作介质过孔11、侧壁上部设置有第二工作介质过孔7；活塞8与缸体9组合，它们组合后形成的位于下部的第一工作介质腔10-1和位于上部的第二工作介质腔10-2通过安装在活塞8上的第一密封环6-1、安装在缸体9顶面的第二密封环6-2实现密封，所述第二密封环6-2通过固定环5和螺钉4固定；垫块3为下大上小的圆锥台形，组合套2由圆筒段和圆锥台筒段组成，圆筒段的内孔孔径与活塞上部段直径相匹配，圆锥台筒段内孔尺寸与垫块3的外形尺寸相匹配，圆锥台筒段顶部的孔径与锻锤安装段1-1的直径为过盈配合，垫块3放置在活塞上部段顶面，组合套2套装于活塞上部段和垫块3上，通过螺钉4与活塞上部段固连，锻锤的安装段1-1插装在组合套上端，通过两者之间的过盈配合实现固定并与垫块3接触。上述各部件(系统)的组合方式：第一活动式锤击单元12-1固定在底座14上，其中心线与底座的中心线重合；第二活动式锤击单元12-2、第三活动式锤击单元12-3、第四活动式锤击单元12-4、第五活动式锤击单元12-5分别间隔90°环绕第一活动式锤击单元12-1的中心线布置，通过连接件15——杆件使相邻两个活动式锤击单元相互连接且与固定在底座上的第一活动式锤击单元连接，安装时应保证四个活动式锤击单元的中心线在同一平面上并与第一活动式锤击单元的中心线相交于一点；第六活动式锤击单元12-6位于最上方，其轴线与第一活动式锤击单元12-1的轴线重合，通过连接件15分别与第二活动式锤击单元12-2、第三活动式锤击单元12-3、第四活动式锤击单元12-4、第五活动式锤击单元12-5连接；液压驱动系统通过管件分别与各活动式锤击单元中缸体所设置的第一工作介质过孔11、第二工作介质过孔7连接。

从上述锻造设备的结构可以看出，六个活动式锤击单元的安装方式将六个活动式锤击单元分为了三对，每对活动式锤击单元的中心线位于同一轴线上，三对活动式锤击单元的中心线所在的三条轴线两两垂直并相交形成笛卡尔坐标系，如图3所示。

实施例1

本实施例所锻造锻件的材料为牌号Q195的低碳钢，锻造前将锻件加工成正方体毛坯块(见图7)，其长20cm、宽20cm、高20cm，因此锻件棱长为20cm；然后将正方体毛坯块加热至800℃保温30min再进行锻造。锻造设备中活动式锤击单元所含锻锤的锤面选择边长为14cm的正方形。

锻造工艺步骤如下：

(1)用夹持器将所述加热后的毛坯块放在第一活动式锤击单元12-1的锻锤锤面上，然后调整毛坯块的位置，使其几何中心位第一活动式锤击单元(锻锤)的中心轴线上且底面的四条边分别与锻锤锤面对应的边平行，再操作液压驱动系统调整其它五个活动式锤击单元中锻锤的位置使它们的锤头锤面分别与毛坯块对应的面贴合；

(2)设置锻造加载参数：最高加载油压55MPa，保压时间10min；然后操作液压驱动系统控制六个锻锤同步向毛坯块几何中心(笛卡尔坐标系原点)方向运行，从六个方向对毛坯块施加压力，进行锻造；

(3)保压时间到达后，操作液压驱动系统卸载，卸载时，控制第一活动式锤击单元12-1中的锻锤处于原位不动，控制其它五个活动式锤击单元中的锻锤同步向毛坯块几何中心(笛卡尔坐标系原点)反方向运行，当卸载油压至0MPa后锻造结束，取出锻造后的锻件，锻造后的锻件见图8。

经测试，本实施例中的锻件在锻造前的维氏压坑图如图9所示，维氏硬度值为4.088GPa；锻件经锻造后的维氏压坑图如图10所示，维氏硬度值为5.016GPa。

实施例2

本实施例所锻造锻件的材料为牌号Q235的低碳钢，锻造前将锻件加工成正方体毛坯块(见图11)，其长40cm、宽40cm、高40cm，因此锻件棱长为40cm。锻造设备中活动式锤击单元所含锻锤的锤面选择边长为36cm的正方形。

锻造工艺步骤如下：

(1)用机械臂将所述毛坯块放入锻造设备的六个活动式锤击单元形成的空间中并保持机械臂夹持的悬空状态，调整机械臂的位置和角度，使毛坯块的几何中心与六个活动式锤击单元的中心线所在的三条轴线形成的笛卡尔坐标系原点重合，且毛坯块的六个面分别与相对应的活动式锤击单元所含锤头的锤面平行(见图4)，再操作液压驱动系统调整第一活动式锤击单元12-1中锻锤的位置，使其锤头锤面与毛坯块的底面接触实现对毛坯块的支承，并将机械臂退出锻造设备，然后操作液压驱动系统调整其它五个活动式锤击单元中锻锤的位置使它们的锤头锤面分别与毛坯块对应的面贴合；

(2)设置锻造加载参数：最高加载油压30MPa，保压时间5min；然后操作液压驱动系统控制六个锻锤同步向毛坯块几何中心(笛卡尔坐标系原点)方向运行，从六个方向对毛坯块施加压力，进行锻造；

(3)保压时间到达后，操作液压驱动系统卸载，卸载时，控制第一活动式锤击单元12-1中的锻锤处于原位不动，控制其它五个活动式锤击单元中的锻锤同步向毛坯块几何中心(笛卡尔坐标系原点)反方向运行，当卸载油压至0MPa后锻造结束，取出锻造后的锻件，锻造后的锻件见图12。

经测试，本实施例中的锻件在锻造前的维氏压坑图如图13所示，维氏硬度值为4.076GPa；锻件经锻造后的维氏压坑图如图14所示，维氏硬度值为4.305GPa。

Claims (6)

1.基于三轴加载的锻造方法，其特征在于使用六个含锻锤的活动式锤击单元，每两个活动式锤击单元为一对，六个活动式锤击单元分为三对，每对活动式锤击单元的中心线位于同一轴线上，三对活动式锤击单元的布置方式：三对活动式锤击单元的中心线所在的三条轴线两两垂直并相交形成笛卡尔坐标系，六个活动式锤击单元在驱动系统的作用下其锻锤同步向笛卡尔坐标系原点方向运行，从六个方向对锻件施加压力，完成对锻件的锻造加工。

2.根据权利要求1所述基于三轴加载的锻造方法，其特征在于六个活动式锤击单元的锻锤(1)锤面为尺寸相同的正方形，锻件的形状为正方体或近似于正方体，所述锤面的边长小于锻件的棱长，锻件棱长与锤面边长之差的控制规则是：在对锻件施加压力时能避免锻锤之间发生碰撞并使整个锻件受力均匀。

3.根据权利要求2所述基于三轴加载的锻造方法，其特征在于锻件的放置位置应使锻件的几何中心与三对活动式锤击单元的中心线所在的三条轴线形成的笛卡尔坐标系原点重合，且锻件的六个面分别与相对应的活动式锤击单元所含锤头的锤面平行；当各活动式锤击单元的锤面调整至与锻件对应的面贴合后，开始对锻件施加压力。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述基于三轴加载的锻造方法，其特征在于活动式锤击单元除包括锻锤(1)外，还包括组合套(2)、垫块(3)、缸体(9)和活塞(8)；活塞(8)为下大上小的阶梯轴结构，缸体(9)为圆筒体，其底壁设置有第一工作介质过孔(11)、侧壁上部设置有第二工作介质过孔(7)，活塞(8)与缸体(9)组合，它们组合后形成的工作介质腔(10-1、10-2)通过密封圈(6-1、6-2)实现密封；锻锤(1)由圆柱形安装段(1-1)和四棱锥台形锤头(1-2)构成，锤头(1-2)的顶面为长方形或正方形锤面(1-3)；组合套(2)内孔与活塞上部段、垫块(3)和锻锤安装段形状和尺寸匹配，垫块(3)放置在活塞上部段顶面，组合套(2)套装于活塞上部段和垫块(3)上，通过螺钉与活塞上部段固连，锻锤的安装段(1-1)插装在组合套上端，通过两者之间的过盈配合实现固定。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述基于三轴加载的锻造方法，其特征在于活动式锤击单元所用驱动系统为液压驱动系统或气动驱动系统。

6.根据权利要求4所述基于三轴加载的锻造方法，其特征在于活动式锤击单元所用驱动系统为液压驱动系统或气动驱动系统。

Images