CN116441466A - 协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法 - Google Patents

协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，涉及环件轧制成形技术领域，复杂锥形环件的内、外表面均带有锥度，复杂锥形环件的大端外侧带有法兰，先确定复杂锥形环件成形工艺链包含的基本工序，再确定异形环轧用锥形环坯的尺寸，再确定胎模锻坯料尺寸和胎模锻模具尺寸，再确定矩形环轧坯料尺寸，然后确定冲孔坯料尺寸和模具尺寸，最后确定棒料镦粗坯料尺寸，考虑各工序之间坯料、模具形状尺寸的遗传关系，实现成形工艺链各工序之间的协同设计，提高难变形材料环件的成形精度、性能和材料利用率，建立复杂锥形环件成形工艺链坯料和模具尺寸的成套计算方法，为实现难变形材料复杂锥形环件的精确成形制造提供基础技术支撑。

Description

协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法
技术领域
本发明属于环件轧制成形加工技术领域，具体涉及协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法。
背景技术
复杂锥形环件是航空发动机、燃气轮机等高端装备广泛采用的核心基础构件。然而，这类构件通常采用高温合金等难变形材料，同时环件截面轮廓带锥度、带有法兰等复杂几何特征，因此，在其生产制造中面临着环件截面精确成形与组织性能调控极难等挑战。这类难变形材料复杂锥形环件的最终质量，取决于其成形工艺链中多个工序的协同设计与优化，具体体现在成形工艺链中各工序的坯料和模具尺寸的协同科学确定。
目前，有关该类难变形材料构件的成形工艺链中各工序的坯料和模具尺寸的确定，主要依赖于基于经验的试错法，还缺乏基于精确计算的坯料和模具尺寸的科学定量协同确定方法和技术，导致该类构件的成形制造成品率低、周期长、成本高、产品质量一致性差等问题。
如一公开号为CN109079066B的专利申请文件公开了一种大型锥形环件的制造工艺，所述制造工艺包括根据大型锥形环件的锥形截面特点设计合理的环锻件截面尺寸，并根据环锻件的轧制成形特点设计合理的环件坯料，然后设计相应的模具工装和胎膜，以及整体环件制造工艺。
上述技术方案提出通过切料、锻造开坯、预制矩形环坯、胎模制环坯及辗环成形的工艺路线来制造大型锥形环件的方法，但对该工艺路线中关键工序(如锥形环轧工序、胎模锻制备锥形环坯工序)的坯料和模具尺寸的确定，缺乏详细的设计和计算方法。因此，迫切需要考虑成形工艺链各工序节点的坯料和模具尺寸之间的关联关系，建立基于精确计算的成形工艺链中各工序坯料和模具尺寸的协同确定方法。
发明内容
本发明的目的是，为了解决现有技术中由于缺乏难变形材料复杂锥形环件成形工艺链各工序坯料和模具尺寸的协同确定方法而导致的成品率低、周期长、成本高、产品质量一致性差等问题，提供协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法。
协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，复杂锥形环件的内表面和外表面均带有锥度，所述复杂锥形环件的大端外侧带有法兰，包括：
步骤一：协同确定复杂锥形环件成形工艺链包含的基本工序；
所述工序包括棒料镦粗、冲孔、矩形环轧、胎模锻以及异形环轧，矩形环轧用于制备胎模锻用矩形环坯，胎模锻用于制备异形环轧用锥形环坯，异形环轧用于制备目标复杂锥形环件；
步骤二：确定异形环轧用锥形环坯的尺寸；
确定异形环轧用锥形环坯的尺寸时，基于使异形环轧用锥形环坯和目标复杂锥形环件具有相同轴向体积分布的设计原则；
步骤三：确定胎模锻坯料尺寸和胎模锻模具尺寸；
所述胎模锻坯料尺寸包括胎模锻所用矩形环坯内径d1，胎模锻所用矩形环坯外径D1以及胎模锻所用矩形环坯高度h1；
步骤四：确定矩形环轧坯料尺寸；
所述矩形环轧坯料尺寸包括矩形环轧坯料内径d0，矩形环轧坯料外径D0以及矩形环轧坯料高度h0；
步骤五：确定冲孔坯料尺寸和模具尺寸；
所述冲孔坯料尺寸包括冲孔前的坯料高度hpun和冲孔前坯料的外径Dpun；
步骤六：确定棒料镦粗坯料尺寸；
所述镦粗坯料尺寸包括初始棒料直径Dbar和初始棒料高度Hbar。
进一步地，步骤二中，具体步骤包括，
S21、对目标复杂锥形环件和异形环轧用锥形环坯沿轴向进行分层，将目标复杂锥形环件和异形环轧用锥形环坯都沿轴线方向平均分为n层，n≥20；
S22、确定异形环轧用锥形环坯的各层尺寸，包括各层高度hip，各层内径dip，各层外径Dip，符号下标i表示自下而上的第i层，i的取值为1，2，…，n；
S23、根据S22确定的异形环轧用锥形环坯的各层尺寸，得到异形环轧用锥形环坯各层的纵截面内轮廓线段和外轮廓线段，将各层内轮廓线段和外轮廓线段分别光滑连接，得到整个异形环轧用锥形环坯的纵截面的内轮廓及外轮廓。
进一步地，S22中，异形环轧用锥形环坯的总高度等于目标复杂锥形环件的总高度，因此，异形环轧用锥形环坯的各层高度hip为：
hip＝h/n(i＝1，2...n) (1)
式(1)中，h为目标复杂锥形环件的总高度；
异形环轧用锥形环坯的内表面轮廓形状和目标复杂锥形环件内表面轮廓形状一致，且定义异形环轧轧比k为目标复杂锥形环件大端内径dbf与异形环轧用锥形环坯的大端内径dbp之比，则得到异形环轧用锥形环坯的各层内径dip为：
式(2)中，dif为目标复杂锥形环件的第i层内径；
异形环轧用锥形环坯的第i层体积设计的与目标复杂锥形环件的第i层体积相等：
式(3)中，Vif为目标复杂锥形环件的第i层体积，根据式(3)，得到异形环轧用锥形环坯的各层外径Dip为：
进一步地，S23中，异形环轧用锥形环坯的纵截面内表面由大端垂直直线段AB，斜直线段BC以及小端垂直直线段CD组成，异形环轧用锥形环坯的纵截面外表面由小端直线段EF，斜直线段FG，法兰过渡直线段GH，法兰过渡圆弧段HI，以及大端法兰直线段IJ组成，所述异形环轧用锥形环坯分为锥形环和法兰环，所述法兰环的纵截面由线段AB，BH，HI，IJ，JA组成，所述锥形环的锥形环的纵截面由线段BC，CD，DE，EF，FG，GH，HB组成。
进一步地，锥形环的外表面轮廓长度L为：
L＝LEF+LFG+LGH (5)
式(5)中，LEF为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段EF的长度，LFG为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段FG的长度，LGH为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段GH的长度。
进一步地，步骤三中，所述胎模锻分为第一步胎模锻和第二步胎模锻，所述第一步胎模锻用于将矩形环轧后得到的矩形截面环件成形为带有锥度的中间环坯，所述第二步胎模锻用于成形复杂锥形环件的大端的外侧法兰，得到锥形环坯。
进一步地，所述胎模锻模具尺寸包括，
第一步胎模锻凸模斜度δ1，第一步胎模锻凸模底端直径Du1，第一步胎模锻凹模大端内径Dbc1，第一步胎模锻凹模小端内径Dsc1，第一步胎模锻凹模高度hc1；
第二步胎模锻凸模大端直径Dbu2，第二步胎模锻凸模小端直径Dsu2，第二步胎模锻凸模高度hu2，第二步胎模锻凹模大端内径Dbc2，第二步胎模锻凹模小端内径Dsu2和第二步胎模锻凹模高度hc2。
进一步地，步骤三中，具体步骤包括，
S31、确定第二步胎模锻凸模和凹模尺寸；
根据异形环轧用锥形环坯尺寸确定第二步胎模锻凸模和凹模尺寸，第二步胎模锻凸模和凹模尺寸确定过程中，使第二步胎模锻的凸模外表面轮廓形状和尺寸与异形环轧用锥形环坯的内表面轮廓形状和尺寸一致，第二步胎模锻的凹模内表面轮廓形状和尺寸与异形环轧用锥形环坯的外表面轮廓形状和尺寸保持一致：
式(6)中，Dbp为异形环轧用锥形环坯的大端外径，Dsp为异形环轧用锥形环坯的小端外径，dbp为异形环轧用锥形环坯的大端内径，dsp为异形环轧用锥形环坯的小端内径；
S32、确定第一步胎模锻所用的凹模尺寸；
第一步胎模锻和第二段胎模锻的凹模相同：
Dbc1＝Dbc2，Dsc1＝Dsc2，hc1＝hc2 (7)
S33、确定胎模锻所用矩形环坯尺寸，即第一步胎模锻用矩形环坯；
其中，胎模锻所用矩形环坯外径D1小于第一步胎模锻凹模小端内径Dsc1：
D1＝Dsc1-(5～10)mm (8)
在胎模锻过程中，所述划分的锥形环由胎模锻所用矩形环坯中高度为L的部分成形得到，且L小于矩形环坯的高度h1，矩形环坯中高度为L部分的体积与所述划分的锥形环的体积相等：
式(9)中，Vcon为所述划分的锥形环的体积，根据式(9)，得到胎模锻所用矩形环坯内径d1的表达式为：
根据塑性成形体积不变原则，得到胎模锻所用矩形环坯高度h1：
式(11)中，V为异形环轧用锥形环坯的总体积；
S34、确定第一步胎模锻所用凸模尺寸；
异形环轧用锥形环坯的锥度δp为异形环轧用锥形环坯的外表面轮廓上J点和F点连线与环件轴线所形成的角度，第一步胎模锻凸模的锥度δ1小于异形环轧用锥形环坯的锥度δp：
δ1＝δp-(3～8)° (12)
第一步胎模锻凸模底端直径Du1小于第一步胎模锻所用矩形截面环坯内径d1：
Du1＝d1-(5～20)mm (13)。
进一步地，步骤四中，矩形环轧坯料尺寸：
式(14)中，b1为胎模锻所用矩形环坯壁厚，k0是矩形环轧的轧比，即矩形环轧坯料截面面积与第一步胎模锻所用矩形环坯截面面积之比；λ是矩形环轧的径轴向变形量分配比，即矩形环轧过程高度减小量与壁厚减薄量之比；
步骤五中，所述冲孔模具尺寸包括冲头的直径dpun，冲头的直径dpun与矩形环轧坯料内径d0相等：
dpun＝d0 (15)
冲孔前坯料的高度hpun大于冲孔后坯料高度，所述冲孔后坯料高度也就是矩形环轧坯料高度h0，hpun与h0的关系可表示为：
hpun＝(1.1～1.2)ho (16)
根据塑性成形体积不变原则，得到：
根据式(15)和(17)，得到冲孔前坯料的外径Dpun为：
步骤六中，基于体积不变原则，初始棒料直径Dbar和初始棒料高度Hbar为：
式(19)中，V0为冲孔前的坯料体积η为初始棒料的高径比。
进一步地，η的取值范围是1.2～2.2。
本发明的有益效果是：
采用逆向设计思路，协同确定了成形工艺链中各工序的坯料和模具尺寸。首先以目标复杂锥形环件尺寸为出发点，基于使异形环轧用锥形环坯和目标复杂锥形环件具有相同轴向体积分布的设计原则，确定了异形环轧用锥形环坯的形状尺寸；其次，根据所得到的异形环轧用锥形环坯的尺寸，确定了胎模锻所用矩形环坯尺寸以及凸模和凹模的尺寸；再次，根据所得到的胎模锻所用矩形环坯尺寸，确定了矩形环轧的坯料尺寸；最后，根据所得到的矩形环轧的坯料尺寸，确定了镦粗和冲孔的坯料及模具尺寸；
考虑了各工序坯料及模具的形状尺寸之间的遗传关系，实现了复杂锥形环件成形工艺链各工序间的协同设计，有助于提高难变形材料锥形环件的成形精度、性能和材料利用率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的流程框图；
图2是本发明的锥形环件纵截面示意图；
图3是本发明的成形工艺链所包含的工序示意图；
图4是本发明的目标复杂锥形环件和异形环轧用锥形环坯的轴向分层示意图；
图5是本发明的异形环轧用锥形环坯的不同区域划分示意图；
图6是本发明的成形工艺链关键工序有限元模拟图。
图中标记为：1、镦粗上砧板；2、初始棒料；3、镦粗下砧板；4、冲孔冲头；5、冲孔坯料；6、冲孔下砧板；7、矩形环轧主辊；8、矩形环轧坯料；9、矩形环轧芯辊；10、矩形环轧锥辊；11、第一步胎模锻凸模；12、第一步胎模锻凹模；13、胎模锻所用矩形环坯；14、第二步胎模锻凸模；15、第二步胎模锻凹模；16、第二步胎模锻坯料；17、异形环轧主辊；18、异形环轧用锥形环坯；19、异形环轧芯辊；20、异形环轧锥辊；21、异形环轧用锥形环坯的法兰环；22、异形环轧用锥形环坯的锥形环。
具体实施方式
协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，以目标复杂锥形环件为出发点，采用和成形过程相反的顺序并考虑各工序尺寸之间的链接关系，协同确定成形工艺链中不同工序的坯料和模具尺寸。
如图2所示，复杂锥形环件的内表面和外表面均带有锥度，复杂锥形环件的大端外侧带有法兰，复杂锥形环件材料为高温合金。
协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一：协同确定复杂锥形环件成形工艺链包含的基本工序；
如图3所示，工序包括棒料镦粗、冲孔、矩形环轧、胎模锻以及异形环轧。
如图3-a所示，图3-a是棒料镦粗工序，初始棒料2位于镦粗上砧板1和镦粗下砧板2之间；冲孔工序包含冲盲孔和冲连皮，镦粗工序使棒料高度减小而横截面增大。
如图3-b所示，图3-b是冲盲孔，通过冲孔冲头4对冲孔坯料5进行冲孔，冲盲孔是镦粗后的坯料在冲头作用下加工出环件内孔，但底部仍留有一薄层金属。
如图3-c所示，图3-c是冲连皮，通过冲孔冲头4再对冲孔下砧板6进行冲孔，冲连皮是将冲盲孔后环件底部余留的一薄层金属冲掉，获得后续矩形环轧用矩形环坯。
如图3-d所示，图3-d是矩形环轧工序，通过矩形环轧主辊7、矩形环轧芯辊9和矩形环轧锥辊10对矩形环轧坯料8进行矩形环轧，矩形环轧工序是在辗环机上通过具有矩形截面的主辊和芯辊使环件壁厚减薄，高度降低，直径扩大，获得后续胎模锻所用矩形环坯。
胎模锻工序分为第一步胎模锻和第二步胎模锻；
如图3-e所示，图3-e是第一步胎模锻，通过使用第一步胎模锻凸模11和第一步胎模锻凹模12对胎模锻所用矩形环坯13进行第一步胎模锻，第一步胎模锻将矩形环轧后得到的矩形截面环件成形为带有锥度的中间环坯。
如图3-f所示，图3-f是第二步胎模锻，通过使用第二步胎模锻凸模14和第二步胎模锻凹模15对第二步胎模锻坯料16进行第二步胎膜锻，第二步胎模锻在凸模和凹模共同作用下使的中间环坯的锥度进一步增大，并且成形大端的外侧法兰，获得后续异形环轧用锥形环坯。
如图3-g所示，图3-g是异形环轧工序，通过使用异形环轧主辊17、异形环轧芯辊19、异形环轧锥辊20对异形环轧用锥形环坯18进行异形环轧，异形环轧工序将胎模锻后得到的锥形环坯，在辗环机上通过具有异形截面的主辊和芯辊使锥形环坯壁厚减薄、直径长大、成形复杂截面形状，最终得到目标复杂锥形环件。
步骤二：确定异形环轧用锥形环坯的尺寸；
确定异形环轧用锥形环坯的尺寸时，基于使异形环轧用锥形环坯和目标复杂锥形环件具有相同轴向体积分布的设计原则，具体步骤包括：
S21、对目标复杂锥形环件和异形环轧用锥形环坯沿轴向进行分层，将目标复杂锥形环件和异形环轧用锥形环坯都沿轴线方向平均分为n层，n≥20，则目标复杂锥形环件和异形环轧用锥形环坯分割后的各层都可以近似看作高度很小的矩形截面环件，如图4-a所示，4-a为目标复杂锥形环件轴向分层示意图；
S22、确定异形环轧用锥形环坯的各层尺寸，如图4所示，包括各层高度hip，各层内径dip，各层外径Dip，符号下标i表示自下而上的第i层，i的取值为1，2，…，n；
异形环轧用锥形环坯的总高度等于目标复杂锥形环件的总高度，因此，异形环轧用锥形环坯的各层高度hip为：
hip＝h/n(i＝1，2...n) (1)
式(1)中，h为目标复杂锥形环件的总高度。
异形环轧用锥形环坯的内表面轮廓形状和目标复杂锥形环件内表面轮廓形状一致，且定义异形环轧轧比k为目标复杂锥形环件大端内径dbf与异形环轧用锥形环坯的大端内径dbp之比，则得到异形环轧用锥形环坯的各层内径dip为：
式(2)中，dif为目标复杂锥形环件的第i层内径；
异形环轧用锥形环坯的第i层体积设计的与目标复杂锥形环件的第i层体积相等：
式(3)中，Vif为目标复杂锥形环件的第i层体积，根据式(3)，得到异形环轧用锥形环坯的各层外径Dip为：
在本实施例中，目标复杂锥形环件的高度h为421.0mm，大端内径dbf为1037.0mm，n值取20，目标复杂锥形环件的各层内径dif和Vif如表1所示，异形环轧轧比k取1.5。
根据式(1)，得到异形环轧用锥形环坯的各层高度hip为21.05mm。
根据式(2)和(4)，计算得到异形环轧用锥形环坯的各层内径dip和各层外径Dip，如表1所示。
表1目标复杂锥形环件及异形环轧用锥形环坯的各层尺寸
S23、根据上述S22确定的异形环轧用锥形环坯的各层高度hip，各层内径dip和各层外径Dip，得到异形环轧用锥形环坯各层的纵截面内轮廓线段和外轮廓线段，将各层内轮廓线段和外轮廓线段分别光滑连接，得到整个异形环轧用锥形环坯的纵截面的内轮廓及外轮廓；
在本实施例中，异形环轧用锥形环坯的各层高度hip为21.05mm，再结合表1中确定的异形环轧用锥形环坯的各层内径dip和各层外径Dip，得到异形环轧用锥形环坯各层的纵截面内轮廓线段和外轮廓线段。分别光滑连接各层内轮廓线段和外轮廓线段，得到整个异形环轧用锥形环坯纵截面的内轮廓及外轮廓，如图4-b所示，图4-b为异形环轧用锥形环坯的轴向分层示意图。
S23中，如图5所示，异形环轧用锥形环坯的纵截面内表面由大端垂直直线段AB，斜直线段BC以及小端垂直直线段CD组成，异形环轧用锥形环坯的纵截面外表面由小端直线段EF，斜直线段FG，法兰过渡直线段GH，法兰过渡圆弧段HI，以及大端法兰直线段IJ组成，所述异形环轧用锥形环坯分为锥形环和法兰环，所述法兰环的纵截面由线段AB，BH，HI，IJ，JA组成，所述锥形环的锥形环的纵截面由线段BC，CD，DE，EF，FG，GH，HB组成。
锥形环的外表面轮廓长度L为：
L＝LEF+LFG+LGH (5)
式(5)中，LEF为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段EF的长度，LFG为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段FG的长度，LGH为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段GH的长度。
步骤三：确定胎模锻坯料尺寸和胎模锻模具尺寸；
所述胎模锻坯料尺寸包括胎模锻所用矩形环坯内径d1，胎模锻所用矩形环坯外径D1以及胎模锻所用矩形环坯高度h1，如图3-d所示；
所述胎模锻模具尺寸包括，
第一步胎模锻凸模斜度δ1，第一步胎模锻凸模底端直径Du1，第一步胎模锻凹模大端内径Dbc1，第一步胎模锻凹模小端内径Dsc1，第一步胎模锻凹模高度hc1；
第二步胎模锻凸模大端直径Dbu2，第二步胎模锻凸模小端直径Dsu2，第二步胎模锻凸模高度hu2，第二步胎模锻凹模大端内径Dbc2，第二步胎模锻凹模小端内径Dsc2和第二步胎模锻凹模高度hc2，如图3-d和图3-e所示。
确定所述胎模锻坯料尺寸和模具尺寸的具体步骤包括：
S31、确定第二步胎模锻凸模和凹模尺寸；
根据异形环轧用锥形环坯尺寸确定第二步胎模锻凸模和凹模尺寸，第二步胎模锻凸模和凹模尺寸确定过程中，使第二步胎模锻的凸模外表面轮廓形状和尺寸与异形环轧用锥形环坯的内表面轮廓形状和尺寸一致，第二步胎模锻的凹模内表面轮廓形状和尺寸与异形环轧用锥形环坯的外表面轮廓形状和尺寸保持一致：
式(6)中，Dbp为异形环轧用锥形环坯的大端外径，Dsp为异形环轧用锥形环坯的小端外径，dbp为异形环轧用锥形环坯的大端内径，dsp为异形环轧用锥形环坯的小端内径。
在本实施例中，由步骤二确定的异形环轧用锥形环坯的高度为421.0mm，大端外径Dbp为875.6mm，小端外径Dsp为654.9mm，大端内径dbp为694.0mm，小端内径dsp为446.0mm。
根据公式(6)得到，第二步胎模锻凹模大端内径Dbc2为875.6mm，第二步胎模锻凹模小端内径Dsc2为654.9mm，第二步胎模锻凹模高度hc2为421.0mm，第二步胎模锻凸模大端直径Dbu2为694.0mm，第二步胎模锻凸模小端直径Dsu2为446.0mm，第二步胎模锻凸模高度hu2为421.0mm。
S32、确定第一步胎模锻所用的凹模尺寸；
第一步胎模锻的主要目的是，在凸模作用下将矩形环坯成形为带有锥度的中间环坯，作为第二步胎模锻的坯料，因此为了节约模具成本，第一步胎模锻和第二段胎模锻的凹模相同：
Dbc1＝Dbc2，Dsc1＝Dsc2，hc1＝hc1 (7)
在本实施例中，由S31确定的第二步胎模锻凹模大端内径Dbc2为875.6mm，第二步胎模锻凹模小端内径Dsc2为654.9mm，第二步胎模锻凹模高度hc2为421.0mm。
根据公式(7)得到：第一步胎模锻凹模大端内径Dbc1为875.6mm，第一步胎模锻凹模小端内径Dsc1为654.9mm，第一步胎模锻凹模高度hc1为421.0mm。
S33、确定胎模锻所用矩形环坯尺寸，即第一步胎模锻用矩形环坯；
其中，为满足装配要求，胎模锻所用矩形环坯外径D1小于第一步胎模锻凹模小端内径Dsc1：
D1＝Dsc1-(5～10)mm (8)
在胎模锻过程中，所述划分的锥形环由胎模锻所用矩形环坯中高度为L的部分成形得到，且L小于矩形环坯的高度h1，矩形环坯中高度为L部分的体积与所述划分的锥形环的体积相等：
式(9)中，Vcon为所述划分的锥形环的体积，根据式(9)，得到胎模锻所用矩形环坯内径d1的表达式为：
根据塑性成形体积不变原则，得到胎模锻所用矩形环坯高度h1：
式(11)中，V为异形环轧用锥形环坯的总体积。
在本实施例中，由S32得到的第一步胎模锻凹模小端内径Dsc1为654.9mm，根据式(8)，可确定胎模锻所用矩形环坯外径D1为648.0mm。异形环轧用锥形环坯纵截面外轮廓中线段EF的长度LEF为84.8mm，异形环轧用锥形环坯纵截面外轮廓中线段FG的长度LFG为182.0mm，异形环轧用锥形环坯纵截面外轮廓中线段GH的长度LGH为72.8mm。
根据式(5)，得到划分的锥形环的外表面轮廓长度L为339.6mm。
此外，异形环轧用锥形环坯中划分的锥形环的体积Vcon为53972540.3mm3。
根据式(10)，得到胎模锻所用矩形环坯内径d1为470.0mm，异形环轧用锥形环坯的总体积V为74494545.6mm3。
根据式(11)，得到胎模锻所用矩形环坯高度h1为475.0mm。
S34、确定第一步胎模锻所用凸模尺寸；
异形环轧用锥形环坯的锥度δp为异形环轧用锥形环坯的外表面轮廓上J点和F点连线与环件轴线所形成的角度，如图5所示，为了避免胎模锻过程中金属流到凹模型腔外，第一步胎模锻凸模的锥度δ1小于异形环轧用锥形环坯的锥度δp：
δ1＝δp-(3～8)° (12)
为满足装配要求，第一步胎模锻凸模底端直径Du1小于第一步胎模锻所用矩形截面环坯内径d1：
Du1＝d1-(5～20)mm (13)
在本实施例中，异形环轧用锥形环坯的锥度δp为17.1°。
根据式(12)，确定第一步胎模锻凸模的锥度δ1为12.0°，由S32得到的胎模锻所用矩形环坯内径d1为470.0mm。
根据式(13)，确定第一步胎模锻凸模底端直径Du1为463.0mm。
步骤四：确定矩形环轧坯料尺寸；
所述矩形环轧坯料尺寸包括矩形环轧坯料内径d0，矩形环轧坯料外径D0以及矩形环轧坯料高度h0，如图3c所示；
矩形环轧坯料尺寸：
矩形环轧坯料尺寸，式(14)中，b1为胎模锻所用矩形环坯壁厚，k0是矩形环轧的轧比，即矩形环轧坯料截面面积与第一步胎模锻所用矩形环坯截面面积之比；λ是矩形环轧的径轴向变形量分配比，即矩形环轧过程高度减小量与壁厚减薄量之比。
在本实施例中，由步骤三确定的胎模锻所用矩形环坯外径D1为648.0mm，胎模锻所用矩形环坯内径d1为470.0mm，胎模锻所用矩形环坯壁厚b1为89.0mm。选择矩形环轧的轧比k0为1.5，选择矩形环轧的径轴向变形量分配比λ为0.5。根据式(14)，可以确定矩形环轧坯料内径d0为244.5mm，矩形环轧坯料外径D0为500.9mm，矩形环轧坯料高度h0为494.6mm。
步骤五：确定冲孔坯料尺寸和模具尺寸；
冲孔坯料尺寸包括冲孔前的坯料高度hpun和冲孔前坯料的外径Dpun；
冲孔模具尺寸包括冲头的直径dpun，冲头的直径dpun与矩形环轧坯料内径d0相等：
dpun＝d0 (15)
冲孔前坯料的高度hpun大于冲孔后坯料高度，所述冲孔后坯料高度也就是矩形环轧坯料高度h0，hpun与h0的关系可表示为：
hpum＝(1.1～1.2)h0 (16)
根据塑性成形体积不变原则，得到：
根据式(15)和(17)，得到冲孔前坯料的外径Dpun为：
在本实施例中，由步骤四确定的矩形环轧坯料内径d0为244.5mm，矩形环轧坯料外径D0为500.9mm，矩形环轧坯料高度h0为494.6mm。
根据式(15)，确定冲头的直径Dpun为244.5mm；
根据式(16)，确定冲孔前坯料高度hpun为545.0mm；
根据式(18)，确定冲孔前坯料外径Dpun为482.9mm。
步骤六：确定棒料镦粗坯料尺寸；
镦粗坯料尺寸包括初始棒料直径Dbar和初始棒料高度Hbar，如图3-a所示。
基于体积不变原则，初始棒料直径Dbar和初始棒料高度Hbar为：
式(19)中，V0为冲孔前的坯料体积η为初始棒料的高径比，为避免镦粗过程失稳，η的取值范围是1.2～2.2。
在本实施例中,由步骤四确定的冲孔前坯料高度hpun为545.0mm,冲孔前坯料外径Dpun为482.9mm。初始棒料的高径比η选择为1.8。
根据式(19)，得到初始棒料直径Dbar为413.3mm，初始棒料高度Hbar为743.9mm。
为了进一步阐明本发明技术的合理性，针对本实施例目标高温合金复杂锥形环件，基于本发明的成形工艺链坯料和模具尺寸的协同设计结果，开展了有限元模拟分析，如图6所示，其中，图6-a为第一步胎模锻开始时刻，图6-b为第一步胎模锻结束时刻，图6-c为第二步胎模锻开始时刻，图6-d为第二步胎模锻结束时刻，图6-e为异形环轧开始时刻，图6-f为异形环轧结束时刻。结果表明，基于本发明确定的异形环轧用锥形环坯尺寸、胎模锻坯料尺寸及模具尺寸，实现了胎模锻锥形环坯的精确制备、以及异形环轧的稳定成形，并获得了圆度和尺寸精度良好的目标复杂锥形环件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，复杂锥形环件的内表面和外表面均带有锥度，所述复杂锥形环件的大端外侧带有法兰，其特征在于，包括：
步骤一：协同确定复杂锥形环件成形工艺链包含的基本工序；
所述工序包括棒料镦粗、冲孔、矩形环轧、胎模锻以及异形环轧，矩形环轧用于制备胎模锻用矩形环坯，胎模锻用于制备异形环轧用锥形环坯，异形环轧用于制备目标复杂锥形环件；
步骤二：确定异形环轧用锥形环坯的尺寸；
确定异形环轧用锥形环坯的尺寸时，基于使异形环轧用锥形环坯和目标复杂锥形环件具有相同轴向体积分布的设计原则；
步骤三：确定胎模锻坯料尺寸和胎模锻模具尺寸；
所述胎模锻坯料尺寸包括胎模锻所用矩形环坯内径d1，胎模锻所用矩形环坯外径D1以及胎模锻所用矩形环坯高度h1；
步骤四：确定矩形环轧坯料尺寸；
所述矩形环轧坯料尺寸包括矩形环轧坯料内径d0，矩形环轧坯料外径D0以及矩形环轧坯料高度h0；
步骤五：确定冲孔坯料尺寸和模具尺寸；
所述冲孔坯料尺寸包括冲孔前的坯料高度hpun和冲孔前坯料的外径Dpun；
步骤六：确定棒料镦粗坯料尺寸；
所述镦粗坯料尺寸包括初始棒料直径Dbar和初始棒料高度Hbar。
2.根据权利要求1所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，步骤二中，具体步骤包括，
S21、对目标复杂锥形环件和异形环轧用锥形环坯沿轴向进行分层，将目标复杂锥形环件和异形环轧用锥形环坯都沿轴线方向平均分为n层，n≥20；
S22、确定异形环轧用锥形环坯的各层尺寸，包括各层高度hip，各层内径dip，各层外径Dip，符号下标i表示自下而上的第i层，i的取值为1，2，…，n；
S23、根据S22确定的异形环轧用锥形环坯的各层尺寸，得到异形环轧用锥形环坯各层的纵截面内轮廓线段和外轮廓线段，将各层内轮廓线段和外轮廓线段分别光滑连接，得到整个异形环轧用锥形环坯的纵截面的内轮廓及外轮廓。
3.根据权利要求2所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，S22中，异形环轧用锥形环坯的总高度等于目标复杂锥形环件的总高度，因此，异形环轧用锥形环坯的各层高度hip为：
hip＝h/n(i＝1，2...n) (1)
式(1)中，h为目标复杂锥形环件的总高度；
异形环轧用锥形环坯的内表面轮廓形状和目标复杂锥形环件内表面轮廓形状一致，且定义异形环轧轧比k为目标复杂锥形环件大端内径dbf与异形环轧用锥形环坯的大端内径dbp之比，则得到异形环轧用锥形环坯的各层内径dip为：
式(2)中，dif为目标复杂锥形环件的第i层内径；
异形环轧用锥形环坯的第i层体积设计的与目标复杂锥形环件的第i层体积相等：
式(3)中，Vif为目标复杂锥形环件的第i层体积，根据式(3)，得到异形环轧用锥形环坯的各层外径Dip为：
4.根据权利要求2所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，S23中，异形环轧用锥形环坯的纵截面内表面由大端垂直直线段AB，斜直线段BC以及小端垂直直线段CD组成，异形环轧用锥形环坯的纵截面外表面由小端直线段EF，斜直线段FG，法兰过渡直线段GH，法兰过渡圆弧段HI，以及大端法兰直线段IJ组成，所述异形环轧用锥形环坯分为锥形环和法兰环，所述法兰环的纵截面由线段AB，BH，HI，IJ，JA组成，所述锥形环的锥形环的纵截面由线段BC，CD，DE，EF，FG，GH，HB组成。
5.根据权利要求4所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，所述锥形环的外表面轮廓长度L为：
L＝LEF+LFG+LGH (5)
式(5)中，LEF为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段EF的长度，LFG为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段FG的长度，LGH为异形环轧用锥形环坯的纵截面外轮廓中线段GH的长度。
6.根据权利要求1所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，步骤三中，所述胎模锻分为第一步胎模锻和第二步胎模锻，所述第一步胎模锻用于将矩形环轧后得到的矩形截面环件成形为带有锥度的中间环坯，所述第二步胎模锻用于成形复杂锥形环件的大端的外侧法兰，得到锥形环坯。
7.根据权利要求4所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，所述胎模锻模具尺寸包括，
第一步胎模锻凸模斜度δ1，第一步胎模锻凸模底端直径Du1，第一步胎模锻凹模大端内径Dbc1，第一步胎模锻凹模小端内径Dsc1，第一步胎模锻凹模高度hc1；
第二步胎模锻凸模大端直径Dbu2，第二步胎模锻凸模小端直径Dsu2，第二步胎模锻凸模高度hu2，第二步胎模锻凹模大端内径Dbc2，第二步胎模锻凹模小端内径Dsc2和第二步胎模锻凹模高度hc2。
8.根据权利要求5所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，步骤三中，具体步骤包括，
S31、确定第二步胎模锻凸模和凹模尺寸；
根据异形环轧用锥形环坯尺寸确定第二步胎模锻凸模和凹模尺寸，第二步胎模锻凸模和凹模尺寸确定过程中，使第二步胎模锻的凸模外表面轮廓形状和尺寸与异形环轧用锥形环坯的内表面轮廓形状和尺寸一致，第二步胎模锻的凹模内表面轮廓形状和尺寸与异形环轧用锥形环坯的外表面轮廓形状和尺寸保持一致：
式(6)中，Dbp为异形环轧用锥形环坯的大端外径，Dsp为异形环轧用锥形环坯的小端外径，dbp为异形环轧用锥形环坯的大端内径，dsp为异形环轧用锥形环坯的小端内径；
S32、确定第一步胎模锻所用的凹模尺寸；
第一步胎模锻和第二段胎模锻的凹模相同：
Dbc1＝Dbc2，Dsc1＝Dsc2，hc1＝hc2 (7)
S33、确定胎模锻所用矩形环坯尺寸，即第一步胎模锻用矩形环坯；
其中，胎模锻所用矩形环坯外径D1小于第一步胎模锻凹模小端内径Dsc1：
D1＝Dsc1-(5～10)mm (8)
在胎模锻过程中，所述划分的锥形环由胎模锻所用矩形环坯中高度为L的部分成形得到，且L小于矩形环坯的高度h1，矩形环坯中高度为L部分的体积与所述划分的锥形环的体积相等：
式(9)中，Vcon为所述划分的锥形环的体积，根据式(9)，得到胎模锻所用矩形环坯内径d1的表达式为：
根据塑性成形体积不变原则，得到胎模锻所用矩形环坯高度h1：
式(11)中，V为异形环轧用锥形环坯的总体积；
S34、确定第一步胎模锻所用凸模尺寸；
异形环轧用锥形环坯的锥度δp为异形环轧用锥形环坯的外表面轮廓上J点和F点连线与环件轴线所形成的角度，第一步胎模锻凸模的锥度δ1小于异形环轧用锥形环坯的锥度δp：
δ1＝δp-(3～8)° (12)
第一步胎模锻凸模底端直径Du1小于第一步胎模锻所用矩形截面环坯内径d1：
Du1＝d1-(5～20)mm (13)。
9.根据权利要求1所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，
步骤四中，矩形环轧坯料尺寸：
式(14)中，b1为胎模锻所用矩形环坯壁厚，k0是矩形环轧的轧比，即矩形环轧坯料截面面积与第一步胎模锻所用矩形环坯截面面积之比；λ是矩形环轧的径轴向变形量分配比，即矩形环轧过程高度减小量与壁厚减薄量之比；
步骤五中，所述冲孔模具尺寸包括冲头的直径dpun，冲头的直径dpun与矩形环轧坯料内径d0相等：
dpun＝d0 (15)
冲孔前坯料的高度hpun大于冲孔后坯料高度，所述冲孔后坯料高度也就是矩形环轧坯料高度h0，hpun与h0的关系可表示为：
hpun＝(1.1～1.2)h0 (16)
根据塑性成形体积不变原则，得到：
根据式(15)和(17)，得到冲孔前坯料的外径Dpun为：
步骤六中，基于体积不变原则，初始棒料直径Dbar和初始棒料高度Hbar为：
式(19)中，V0为冲孔前的坯料体积η为初始棒料的高径比。
10.根据权利要求9所述的协同确定复杂锥形环件成形工艺链坯料及模具尺寸的方法，其特征在于，η的取值范围是1.2～2.2。
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