CN1824426B - 加工金属毛坯的方法、实施其的套筒以及套筒与盖子装置 - Google Patents

加工金属毛坯的方法、实施其的套筒以及套筒与盖子装置 Download PDF

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Abstract

用于加工圆柱形的且覆有涂层的金属毛坯(1)的镦锻方法，其特征在于：毛坯(1)竖着放入套筒(2)中，所述套筒(2)的内壁与所述毛坯(1)的侧面具有空间，所述毛坯(1)和套筒(2)套件(9)放在镦锻容器(10)中，镦锻力至少从其一个横切面施加到所述毛坯(1)上，直至获得预定的长细比，把所述毛坯(1)从所述套筒(2)中分离出来。通过本发明，所述毛坯被连续地镦锻，但仅仅所述毛坯被镦锻，因为所述套筒的内壁形成的空间，就允许这样作。所述套筒材料，如由钢制成，与所述毛坯不熔焊在一起或卡在一起，这意味着，不需要在操作后还需用机加工来把这两部分分离开。

Description

加工金属毛坯的方法、实施其的套筒以及套筒与盖子装置
技术领域
本发明涉及一种镦锻加工金属毛坯的方法、一种实施该方法的套筒以及一种实施该方法的套筒和盖子装置。
背景技术
金属锻造通常通过锻造毛坯或坯段来获得，毛坯或坯段是部分完成的金属粗坯，通常是条状物，用作于锻造成部件的基本元件，它们的体积对于后者的体积要加上锻造过程中损失的体积。例如，在喷气发动机中，风扇或压缩鼓都是通过锻造金属毛坯来获得的。
本发明尤其用于加工粉末冶金制造的金属毛坯，但更通常地涉及加工金属毛坯。公认的用于加工难于锻造的材料，尤其是由于可接受的很小的温度范围。
由粉末冶金术而生成的金属毛坯通常是通过挤压装有粉末金属的容器而成。在挤压过程中，通过压力装置给容器施加压力，穿过横截面积小于它的孔，在这个操作过程中材料形成了密实的棒。机加工容器封套材料——在挤压过程中它已经和封套材料熔焊在一起——生产可以加工的毛坯。对于由粉末冶金术获得的金属毛坯，目前的限制是最大直径小于300mm，典型情况为230mm。
此外，在航空引擎领域，安全标准非常严格，在生产的所有阶段都需进行检查。特别地，毛坯必须要使用如超声波检查，以探测是否在金属中有是否存在包含物或瑕疵，这些包含物或瑕疵最终会在锻造中产生裂缝和可能致使完成部件断开。引擎制造商规定的控制最大允许瑕疵尺寸的要求越来越严格。毛坯供应商因此限制毛坯的直径，为了能够使用超声波完成质量控制，达到制造者规定的标准。典型地，对于由粉末冶金术生产的镍基和钻基的金属毛坯，这个直径还是要小于300mm。
如果喷气发动机的完成部件的体积很大，那么毛坯不得不具有高的长细比，典型地要超过2.8，常常在7到10，以补偿其小的横截面积。
术语“加工”旨在包含金属部件热变形以在体积不变下获得直径的增加和长度的减小。加工可以通过镦锻来完成，换而言之，通过在金属毛坯的长度方向施加压力。
在由粉末冶金生产的金属毛坯的情况，长细比超过2.8意味着要连续镦锻毛坯以加工它们来获得长与直径的比值较小的毛坯。比值要减小到一定数值，在该比值下毛坯才可以被锻造、冲压或者可选择地再次镦锻而不被侧面包夹且不会在金属纤维中造成挠曲或瑕疵的危险。
包夹镦锻(contained upsetting)意味着该镦锻过程中，毛坯侧面地受到保护，毛坯的表面不与外界空气接触。由粉末冶金生成的合金要求最大限度的恒温镦锻可能性，典型情况下它需要温度在镦锻过程中下降不超过50℃或100℃，否则将会在材料中出现深的裂痕或裂缝。操作温度处于塑性变形温度和合金熔点温度之间，这样允许合金进行锻造，而且受确保控制合金微结构的最高温度的限制。此外，加工的块不能太小，否则材料中就会产生瑕疵。需要这样安置以致长细比低于2.8。
为了达到这个目的，现有技术把毛坯套在钢管中，钢管既增加了毛坯的直径又为毛坯提供热保护。然后钢管和毛坯套件在外界空气中被镦锻，因为它有足够的直径。在这种镦锻过程中，毛坯和钢管间将会产生金属结合物，相当于在它们间进行卡住连接。因此，在镦锻后有必要机加工该套件，例如在车床上车销加工，以除去钢，为了得到只包含由粉末冶金术生成的合金。首先，这样的机加工成本昂贵，其次，这会导致毛坯材料的损失。材料的损失非常大，总的来说毛坯和管之间的结合部分相对不规则，这就意味着为了保险起见，需要进行更多的机加工。
最好不要使用钢套管。但是，这种情况下，需要使用非常热的热加工，这会在毛坯中导致裂缝和瑕疵，那么裂缝和瑕疵不得不通过碾磨除去，只要它们能够加工到。
发明内容
本发明的目的是减小这些缺点。
为了达到这个目的，本发明涉及一种用于加工圆柱形的且具有涂层的金属毛坯镦锻方法，其特征在于所述毛坯竖着放入套筒中，所述套筒的内壁与所述毛坯的侧面具有空间，所述毛坯和套筒套件放在镦锻容器中，在它的至少一个横切面将镦锻力施加到所述毛坯上，直至获得预定的长细比，把所述毛坯从所述套筒中分离出来。
通过本发明，所述毛坯被连续地镦锻，但仅仅所述毛坯被镦锻，这是因为由套筒的内壁形成的空间，就允许这样作。通过涂层和不同的横截面，套筒材料，如由钢制成，与毛坯不熔焊在一起或卡在一起，这意味着，不需要在操作后还需机加工来把这两部分分离开。因此没有材料损失，也没有与后续机加工相关的额外成本。通过这种方式获得的镦锻毛坯具有非常好的表面光洁度和非常高的冶金质量。
有益地，毛坯是圆柱体形状。
获得圆柱体形状的毛坯是有益的，这是因为这使得后续的锻造、镦锻或模压更容易。
为了实施上述方法，本发明还涉及使用一种圆柱体形套筒，圆柱体形套筒用于容纳毛坯，其包括端壁，从端壁升起圆柱形状的侧壁，所述端壁包括用于中心定位和操作毛坯的印痕。
本发明还涉及一种套筒和盖子套件，其包括如上所述的套筒和形状为圆形的盖子，圆形盖子的横截面或多或少等于套筒的内横截面，稍微小些。
本发明尤其适用于镦锻由粉末冶金术生成的合金毛坯，但也适用于更为通用的任意金属毛坯的镦锻。
附图说明
结合附图，通过本发明优选实施例，将对本发明有更好的了解。
图1是装在本发明套筒中的金属毛坯的剖面图；
图2是毛坯镦锻前，装在镦锻容器中的图1所示的毛坯和套筒的剖面图；
图3是在毛坯镦锻的端处，双双装在镦锻容器中的图1所示的毛坯和套筒的剖面图；
图4是毛坯镦锻完后，图1所示的毛坯和套筒的剖面图。
具体实施方式
本发明方法的目的是镦锻金属毛坯1，在该实例中毛坯1由从粉末冶金术生成的镍基或钴基合金制成。该毛坯1呈圆柱体状。它具有给定横截面和给定长度。它的长细比，即它的长度和它的横截面的直径的比超过了2.8，可能是10或更高。通过玻璃化将毛坯1覆上一层釉层。
毛坯1装在圆柱体状的套筒2中。套筒2包括端壁3，从端壁3上升起与盖套筒直径相比相对薄的圆柱形侧壁4。由侧壁4的内表面形成的圆柱的横截面比毛坯1的横截面大。在此例中，在具有横截面直径约为235mm的毛坯1的情况下，套筒2的内横截面直径大约为300mm，同时其侧壁的厚度大约为20mm。该例中，套筒2包括，在这里由软钢构成，对于既定的应用来说它是相当结实的。这种钢不算贵，考虑到套筒2是要被破坏掉的，这种刚更为可取。此外，一旦套筒2被破坏，它还可以被循环利用。在考虑到特殊情况下，通过焊接它的在此例中由软刚制成的圆柱体侧壁4形成套筒2，对于端壁3在此例中由镍合金制成。
穿过其开口端，将毛坯1插入到套筒2中。套筒2的端壁3包括用于中心定位毛坯1的压痕5。圆形盘形式的盖子6，其横截面差不多等于套筒2的内横截面，稍稍小一点，通过套筒2的开口端将盖子6插入以盖上毛坯1。在这里，盖子6由镍合金制成。盖子6在其下面，即在它的与毛坯1相接触的面上，也包括用于中心定位毛坯1的印痕7。然后，通过在其上表面和套筒2的内壁之间制造的焊缝8把盖子6固定在位。由于它的功能仅仅是使盖子保持在位置上而不是密封它，这个焊缝8不是设计得非常结实；该焊接也可以采取点焊的方式。因此，将包括毛坯1、套筒2和盖子6的套件9装在一起，通过使用足够的力量可将焊缝8打破。这个套件9适于使用而且可以暂时以这种状态保存。它也能够被处理。
在镦锻操作之前，将套件9放在炉子内，并在炉子内将其加热到镦锻所需的温度。确定这个温度才能在随后介绍的镦锻操作中控制毛坯1的材料变形和合金微结构。在这种特例下，对于由镍基合金制成的毛坯1，该温度范围在900℃和1200℃之间，例如温度在1100℃。
然后将套件9放进镦锻容器10中，镦锻容器10由钢制成，其包括圆柱体状支撑座11，支撑座11的横截面积与套筒2的外横截面积相对应。在处理过程中，套筒2的钢的机械强度将由于温度而确定无疑地减小，但仍足以保持其几何形状。镦锻容器10也被预热过，在此例中到400℃到500℃。将它装在包括压抵套件9的盖子6的上表面的冲头12的液压机上。冲头12可垂直移动，由液压机的活动上台板牵引。它与盖子6的接触面等于或稍微小于这个盖子横截面区域的直径。
然后执行毛坯1的镦锻操作。冲头12由液压机台板抵的传统液压机构驱动，以预定的速度落下，在其纵向通过与冲头12一起落下的盖子6向毛坯1施加压力，焊缝8被冲头12施加的压力破坏。由于毛坯1的温度高于塑性变形温度(但低于熔点)，继而毛坯1材料塑性变形，这可由它的长度的减少和横截面的增加来证明。冲头12下落的速度是确定的，与选择的材料的温度相配合，这样来控制材料的变形和微结构的改变。在特定应用下，对于镍基合金，速度选为10mm/sec。这个速度在镦锻操作中可以变化。
在镦锻过程中，因为盖子6的直径要比套筒2的内径稍微小些，填充了毛坯1和套筒2内壁之间的空隙的空气通过盖子6和套筒2之间的空隙排出去。
覆盖在毛坯1上面的釉有三个功能：润滑装置；保护以防止氧化；在毛坯和套筒2之间形成保护。因此在镦锻过程中，该釉形成糊状界面，当毛坯1的壁与套筒2的内壁接触时，在镦锻结束时，防止毛坯1把自己熔焊在该壁上。此外，在整个镦锻操作中在盖子6和套筒2的端壁3处也起着同样的作用。
将注意到，不象现有技术的方法，在这里只镦锻毛坯1。通过操作套筒2没有变形，起到了容纳毛坯1的作用而且在毛坯1和镦锻容器10之间起到了作为热壁垒或热缓冲的作用。因此，即使是镦锻容器10的温度下降了，毛坯1的温度不会因此受到大的影响。此外，毛坯1分别由套筒2的端壁3的印痕5和盖子6的下面的印痕7中心定位。因此，这些印痕5、7能够起到操作毛坯1的作用，因此印痕5、7应被设计成根据给定的完成部件的形状来操作毛坯1的端部，通过进一步在毛坯1上镦锻和/或冲压和/或锻造，一旦该镦锻操作完成。
当一定的力到达毛坯1上时，镦锻操作停止。然后毛坯1实际上充满了套筒2的整个横截面，由于体积没有变化，它的横截面积增加了而相应地它的长度减小了。在这种状态下，冲头12在落下的位置，如图3所示。通过镦锻，毛坯的确得到加工。
镦锻结束时，冲头12可以在套件上持续额外的压力，例如10秒左右，以确保加工的毛坯的几何形状无误，尤其是材料正确无误地充满整个支撑座11，尤其是在角上。
参见图4，包括毛坯1、套筒2和盖子6的套件9，在下降了的位置，和镦锻的毛坯，然后从镦锻容器10中抽出。该操作以完全传统的方式完成。为了达到这个目的，例如，传动机构可形成镦锻容器10的支撑座11的端壁，当镦锻操作完成后，被向上驱动，先前以被驱动的冲头12向上，因此套件9能够被从支撑座11中抽出。可用任何其他的抽取方法。
然后将套件9冷却。为了冷却，可以简单地把它放在外界空气中预以冷却。一旦达到想要的温度，将毛坯1从套筒2中移出。由于这两个元件没有把它们焊接在一起，这个操作相当容易。例如，一旦在盖子6将套筒2的上部切除，可以沿着套筒2的侧壁，通过磨的方式，制造两个相对的纵向长槽，在长槽中插入楔子以将两壁彼此分开，这样就能够把毛坯1从套筒2中取出。该长槽也可以开在盖子6或套筒2的端壁3的水平位置，为了除去这些端部之一，然后使其成为可能：在纵长方向上将毛坯1自由滑动且从套筒2抽取出，因此套筒2打开。然而，通常不需要这样的长槽，这是因为，由于釉，毛坯1既不会被紧固到端壁3又不会被紧固到盖子6。
然后，为了除去其上釉覆盖层的残留，只处理毛坯1。这种处理可为机械处理，如通过喷丸处理或钢线，或者化学处理，如使用苏打水清洗。
因此通过镦锻加工的毛坯1如果需要可使用同样的方法再次镦锻，或者被镦锻而不被包夹，被冲压或被锻造，或者可以经过这些操作的几个以获得完成部件。
可注意到，通过使用不同膨胀系数的材料，在这里从套筒2将毛坯1分离出来非常容易。因此，在冷却过程中，由镍合金制成的毛坯1的体积将会比由钢制成的套筒2的体积减小的多，因此，在这两者之间产生间隙以使它们易于分离。
通过本发明的方法，毛坯确实是以包夹方式镦锻，这在某些应用时具有优点，例如当镦锻由粉末冶金生产的直径相对较小的毛坯时。只要毛坯被镦锻，在方法的结尾，就可以很容易地除掉保护套筒。所获得的加工的毛坯没有任何的材料损失，或者任何与后续机加工相联系的额外成本，因此表现出非常好的表面光洁度和非常好的冶金质量。通过适配套筒的横截面和镦锻容器的横截面，可以获得各种各样横截面的毛坯。

Claims (27)

1.一种用于加工圆柱形的且具有涂层的金属毛坯(1)的镦锻方法，其特征在于：所述毛坯(1)竖着放入套筒(2)中，所述套筒(2)的内壁与所述毛坯(1)的侧面有空间，包括毛坯(1)和套筒(2)的套件(9)放在镦锻容器(10)中，将镦锻力施加到所述毛坯(1)上，直至在毛坯(1)的至少一个横切面上获得预定的长细比，把所述毛坯(1)从所述套筒(2)中分离出来。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述毛坯(1)为圆柱体形状。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述毛坯(1)的初始长细比超过2.8。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述毛坯(1)的初始长细比超过2.8。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述毛坯(1)覆盖有釉，镦锻过程中覆盖的釉形成糊状。
6.如权利要求2所述的方法，其中，所述毛坯(1)覆盖有釉，镦锻过程中覆盖的釉形成糊状。
7.如权利要求3所述的方法，其中，所述毛坯(1)覆盖有釉，镦锻过程中覆盖的釉形成糊状。
8.如权利要求4所述的方法，其中，所述毛坯(1)覆盖有釉，镦锻过程中覆盖的釉形成糊状。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述套筒(2)包括端壁(3)，在把所述套件(9)放在所述的镦锻容器(10)内之前，将盖子(6)放在所述套筒(2)中的所述毛坯(1)的自由端上。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述盖子(6)通过焊缝被焊接到套筒(2)，焊缝使盖子(6)定位，并且焊缝能够通过镦锻操作被破坏。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述端壁(3)和所述盖子(6)各包含用于中心定位和操作毛坯(1)的印痕(5，7)。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述端壁(3)和所述盖子(6)各包含用于中心定位和操作毛坯(1)的印痕(5，7)。
13.如权利要求1至8、10至12中任一项所述的方法，其中，从所述套筒(2)分离所述毛坯(1)的操作包括碾磨所述套筒(2)的所述内壁之一内的至少一个长槽的操作。
14.如权利要求1至8、10至12中任一项所述的方法，其中，在被放置在所述镦锻容器(10)内之前，所述套件(9)被加热。
15.如权利要求1至8、10至12中任一项所述的方法，其中，由液压机的冲头(12)施加镦锻力，所述镦锻容器(10)被安装在所述液压机上。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述冲头(12)的速度遵循这样的法则，其值是10mm/sec，在方法的最后，所述冲头(12)持续压在所述毛坯(1)上。
17.如权利要求1至8、10至12中任一项所述的方法，其中，所述套筒(2)的材料包含软钢。
18.如权利要求1至8、10至12中任一项所述的方法，其中，所述毛坯(1)由粉末冶金术生成。
19.用于实施如权利要求1至8之一所述的方法的套筒，其形状为圆柱体形，用于容纳金属毛坯，包含端壁(3)，从所述端壁(3)升起圆柱形内壁(4)，所述端壁(3)包含用于中心定位和操作毛坯的印痕(5)。
20.用于实施如权利要求10至12之一所述的方法的套筒，其形状为圆柱体形，用于容纳金属毛坯，包含端壁(3)，从所述端壁(3)升起圆柱形内壁(4)，所述端壁(3)包含用于中心定位和操作毛坯的印痕(5)。
21.依据权利要求19中所述的套筒(2)，所述套筒(2)中设置有盖子(6)，该盖子(6)呈圆形片状，盖子(6)的横截面稍微小于所述的套筒(2)的横截面。
22.依据权利要求20中所述的套筒(2)，该盖子(6)呈圆形片状，盖子(6)的横截面稍微小于所述的套筒(2)的横截面。
23.如权利要求13所述的方法，其中，在被放置在所述镦锻容器(10)内之前，所述套件(9)被加热。
24.如权利要求14所述的方法，其中，由液压机的冲头(12)施加镦锻力，所述镦锻容器(10)被安装在所述液压机上。
25.如权利要求16所述的方法，其中，所述套筒(2)的材料包含软钢。
26.如权利要求17所述的方法，其中，所述毛坯(1)由粉末冶金术生成。
27.用于实施如权利要求18所述的方法的套筒，其形状为圆柱体形，用于容纳金属毛坯，包含端壁(3)，从所述端壁(3)升起圆柱形内壁(4)，所述端壁(3)包含用于中心定位和操作毛坯的印痕(5)。
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