CN201711480U - 一种用于长轴类锻件制坯的胎模 - Google Patents
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Abstract
一种用于长轴类锻件制坯的胎模，包括上模和下模；上模和下模的型腔扣合后形成了变截面的模具型腔。模具型腔包括整形区、变形区和定位区，其中整形区和定位区分别位于模具型腔两端，其横截面为圆形；变形区位于模具型腔中部，其横截面为多个等分的椭圆形截面；变形区与定位区相邻一端为进口端，与整形区相邻一端为出口端；变形区进口端截面与出口端截面之间椭圆绕模具型腔的中心线扭转，其中出口端截面为无扭转的椭圆轮廓，进口端的椭圆轮廓扭转量最大，其最大扭转量为10°～60°；变形区的椭圆长短半轴可根据实际模型大小计算得出。本实用新型在实际应用中，在提高坯料内部质量的同时，使变形力也同时得到了降低，克服了坯料锻透性和设备吨位之间的矛盾。
Description
技术领域
本发明涉及大型长轴类锻件制坯的工模具，具体是一种用于长轴类锻件制坯的胎模。
背景技术
大型轴类锻件在重型锻件生产中为数最多，工作量最大，尤其是其中的汽轮机转子、发电机转子、轧辊、主轴等。这类锻件一般来说都是机器上的关键零件，质量要求十分严格，生产工艺复杂，技术难度大，因此，如何在提高质量的前提下，能够较快、较省的生产轴类锻件，就成为锻造工程技术领域极为关注的关键问题。
目前，大型长轴类锻件常用的锻造工艺有JTS法、直接拔长法和镦粗-拔长复合法。这些工艺方法可以在平砧间进行拔长成形，型砧内拔长成形，也可以在芯轴上拔长成形，其中所采用的型砧以上下V型砧和上平下V型砧应用最为广泛。但是对于大型长轴类锻件来说，由于锻件尺寸很大，不论采用哪种型砧，也不论采用哪种工艺方案，都不可避免的存在一些瓶颈之处，如选用短粗型钢锭采用直接拔长法虽能成形，很难达到要求的锻比；而采用镦粗-拔长复合工艺时，镦粗又受到设备吨位的限制，所以成形锻件的尺寸受到限制，进而在锻比小于3的正常镦粗、拔长锻造过程中，材料心部的一些缺陷无法消除，如缩孔、疏松、夹杂、偏析与晶粒粗大等组织缺陷，从而使棒坯心部的机械性能较差，并往往成为裂纹的发源地，造成锻件报废；JTS法是常说的表面降温锻造法，它虽然能在不大的锻比条件下达到锻透的目的，但是在提高材料内部质量、提高材料利用率、降低能源消耗方面仍有待进一步提高。
目前，理论研究针对制坯现象中的一些问题，提出了一种新的工艺，即扭-压复合加载变形，它是在成形中沿坯料高度方向施加压力的同时，沿着坯料横截面方向施加扭矩，并通过控制工件与工具之间的接触摩擦，将其有害的作用加以利用，与镦粗变形相比，扭压变形可以减小变形力，并且工件压下量越大，变形力降低幅度越大，而其最大的优点是可以改善坯料变形的不均匀性。但是目前的设备在锻压坯料的时候，无法施加扭转变形，为此哈尔滨工业大学在研究压扭加载变形时，通过自主研发自制了一套试验装置，它是利用100T材料实验机作为主动机械来解决相关技术难题的，经过研究，发现扭压变形确实可以降低变形力，并且可以改善变形的不均匀性，为理论研究提供了现实依据。对于这种变形方式，由于现有的锻压设备都无法直接满足扭转变形的需要，因此相关的生产实践较少，参考文献也较少。
发明内容
为克服现有技术中存在的坯料锻透性和设备吨位之间的矛盾，本发明提出了一种用于长轴类锻件制坯的胎模。
本发明包括上模和下模，并且在上模和下模相对应的表面上，沿模具的长度方向的中心有半个型腔，当上模和下模的型腔扣合后形成了变截面的模具型腔。上模和下模扣合后形成的模具型腔包括整形区、变形区和定位区，其中整形区和定位区分别位于模具型腔的两端，其横截面为圆形。变形区位于模具中部，其横截面为椭圆形；整形区和变形区的长度相同。变形区的椭圆短半轴与整形区的型腔内径相同；在确定变形区的横截面时，首先按照与定位区的型腔截面面积相等的原则确定出该变形区椭圆的轮廓面积，再根据椭圆的短半轴与整形区的型腔内径的关系，由椭圆的面积公式计算出变形区椭圆的长半轴。变形区等分为多个截面，每个截面上的型腔轮廓均为椭圆。变形区与定位区相邻一端为进口端，变形区与整形区相邻一端为出口端；变形区进口端截面与出口端截面之间的椭圆绕模具型腔中心线扭转，其中出口端截面为无扭转的椭圆轮廓，进口端的椭圆轮廓扭转量最大，并且从变形区出口端第二个截面起，每个截面相对于前一个相邻的截面递增扭转，其扭转角度按照扭转的截面数将最大扭角等分；变形区B进口端椭圆轮廓的最大扭转量为10°～60°。
所述定位区C的长度两倍于变形区的长度。变形区的每个截面上的椭圆轮廓均光滑过渡，并且圆形截面与椭圆形截面之间亦光滑过渡。
本发明根据扭压变形理论提出了一种椭圆镦粗、扭转与拔长相结合的复合塑性变形模具。使用本发明在对坯料进行成形时，由于模具变形区的椭圆截面绕模具型腔的中心线扭转，从而使坯料扭压变形中产生扭矩，使变形金属受到一剪切力的作用，根据屈服准则，此时变形体进入塑性状态所需的轴向压应力就小于屈服应力，从而使变形过程中的变形力降低，并且扭矩越大，效果越明显。另外在扭压成形中通过控制工件与工具之间的接触摩擦及工件内部的剪切变形程度，将摩擦的有害作用加以利用，从而使工件在相同的锻造比下，变形量更大，并且工件内部变形均匀，金属纤维流线合理，有效地提高了工件内部的质量，从而克服了坯料锻透性和设备吨位之间的矛盾。
本发明在常规的锻压设备上即可实现棒坯的压扭复合塑性变形，无需设备改造，通用性强；调整变形区的椭圆扭转角度，以及椭圆长短轴之比可以控制棒坯在锻造过程中的截面变形量。
附图说明
附图1是模具结构示意图；
附图2是模具右视图；
附图3是模具a截面的结构示意图；
附图4是模具b截面的结构示意图；
附图5是模具c截面的结构示意图；
附图6是模具d截面的结构示意图；
附图7是模具e截面的结构示意图。
A.整形区 B.变形区 C.定位区 1.整形区轮廓 2.定位区轮廓 3.变形区出口端4.变形区进口端 5.b截面 6.c截面 7.d截面 8.上模 9.下模
具体实施方式
实施例一
本实施例是用于一种长轴锻件制坯的胎模。本实施例包括外形均为矩形的上模8和下模9；上模8和下模9的结构相同、方向相反。在上模8和下模9相对应的表面上，沿模具的长度方向的中心有半个型腔，当上模和下模的型腔扣合后形成了变截面的模具型腔。
上模8和下模9扣合后形成的模具型腔包括整形区A、变形区B和定位区C，其中整形区A和定位区C分别位于模具型腔的两端。定位区C的长度两倍于变形区B的长度，整形区A和变形区B的长度相同。本实施例中，上模和下模的尺寸分别为：长400mm，宽200mm和高100mm；定位区长200mm，整形区长100mm，变形区长100mm。变形区B的横截面为椭圆形，该椭圆的短半轴与整形区型腔内径相同；在确定变形区B的横截面时，首先按照与定位区型腔截面面积相等的原则确定出该变形区B椭圆的轮廓面积，再根据椭圆的短半轴与整形区型腔内径，由椭圆的面积公式计算出椭圆的长半轴；定位区C的圆形轮廓直径为98mm，整形区A的圆形轮廓直径为80mm；变形区B椭圆的长半轴与短半轴之比为60∶40。
变形区B与定位区C相邻一端为进口端，与整形区A相邻一端为出口端。
如附图3～附图7所示，将变形区B等分为5个截面，每个截面上的型腔轮廓均为椭圆。变形区进口端截面与出口端截面之间椭圆绕模具型腔的中心线扭转，其中出口端截面为无扭转的椭圆轮廓，进口端为扭转量10°的椭圆轮廓，并且从变形区出口端第二个截面算起，每个截面相对于前一个相邻的截面进行递增扭转，其扭转角度按照扭转的截面数将最大扭角等分。本实施例中，变形区的5个截面在绕模具型腔的中心线扭转时，自变形区出口端第二个截面起，在每个截面上的扭转量以2.5°递增，形成了变形区型腔的五个椭圆轮廓，其中，第一个轮廓为无扭转的变形区出口端截面3，第二个轮廓为扭转量为10°的变形区进口端截面4，第三个轮廓为扭转量为2.5°的变形区的b截面5，第四个轮廓为扭转量为5°的c截面6，第五个轮廓为扭转量7.5°的d截面7。
变形区的每个截面上的椭圆轮廓均光滑过渡，而圆形截面与椭圆形截面之间也光滑过渡。
实施例二
本实施例是用于一种长轴锻件制坯的胎模。本实施例包括外形均为矩形的上模8和下模9；上模8和下模9的结构相同、方向相反。在上模8和下模9相对应的表面上，沿模具的长度方向的中心有半个型腔，当上模和下模的型腔扣合后形成了变截面的模具型腔。
上模8和下模9扣合后形成的模具型腔包括整形区A、变形区B和定位区C，其中整形区A和定位区C分别位于模具型腔的两端。定位区C的长度两倍于变形区B的长度，而整形区A和变形区B的长度相同。本实施例中，上模和下模的尺寸分别为：长400mm，宽200mm和高100mm；定位区长200mm，整形区长100mm，变形区长100mm。变形区B的横截面为椭圆形，该椭圆的短半轴与整形区型腔内径相同；在确定变形区B的横截面时，首先按照与定位区型腔截面面积相等的原则确定出该变形区B椭圆的轮廓面积，再根据椭圆的短半轴与整形区型腔内径，由椭圆的面积公式计算出椭圆的长半轴；定位区C的圆形轮廓直径为98mm，整形区A的圆形轮廓直径为70mm；变形区B椭圆的长半轴与短半轴之比为68.6∶35。
变形区B与定位区C相邻一端为进口端，与整形区A相邻一端为出口端。
将变形区B等分为6个截面，每个截面上的型腔轮廓均为椭圆。变形区进口端截面与出口端截面之间椭圆绕模具型腔中心线扭转，其中出口端截面为无扭转的椭圆轮廓，进口端为扭转量30°的椭圆轮廓，并且从变形区出口端第二个截面算起，每个截面相对于前一个相邻的截面进行递增扭转，其扭转角度按照扭转的截面数将最大扭角等分。本实施例中，变形区的6个截面在绕模具型腔的中心线扭转时，自变形区出口端第二个截面起，在每个截面上的扭转量以6°递增，形成了变形区型腔的六个椭圆轮廓，其中，第一个轮廓为无扭转的变形区出口端截面，第二个轮廓为扭转量为30°的变形区进口端截面，第三个轮廓为变形区扭转量为6°的截面，第四个轮廓为变形区扭转量为12°的截面，第五个轮廓为变形区扭转量为18°的截面，第六个轮廓为变形区扭转量为24°的截面。
变形区的每个截面上的椭圆轮廓均光滑过渡，而圆形截面与椭圆形截面之间也光滑过渡。
实施例三
本实施例是用于一种长轴锻件制坯的胎模。本实施例包括外形均为矩形的上模8和下模9；上模8和下模9的结构相同、方向相反。在上模8和下模9相对应的表面上，沿模具的长度方向的中心有半个型腔，当上模和下模的型腔扣合后形成了变截面的模具型腔。
上模8和下模9扣合后形成的模具型腔包括整形区A、变形区B和定位区C，其中整形区A和定位区C分别位于模具型腔的两端。定位区C的长度两倍于变形区B的长度，而整形区A和变形区B的长度相同。本实施例中，上模和下模的尺寸分别为：长400mm，宽200mm和高100mm；定位区长200mm，整形区长100mm，变形区长100mm。变形区B的横截面为椭圆形，该椭圆的短半轴与整形区型腔内径相同；在确定变形区B的横截面时，首先按照与定位区型腔截面面积相等的原则确定出该变形区B椭圆的轮廓面积，再根据椭圆的短半轴与整形区型腔内径，由椭圆的面积公式计算出椭圆的长半轴；定位区C的圆形轮廓直径为98mm，整形区A的圆形轮廓直径为60mm；变形区B椭圆的长半轴与短半轴之比为80∶30。
变形区B与定位区C相邻一端为进口端，与整形区A相邻一端为出口端。
将变形区B等分为7个截面，每个截面上的型腔轮廓均为椭圆。变形区进口端截面与出口端截面之间椭圆绕模具型腔中心线扭转，其中出口端截面为无扭转的椭圆轮廓，进口端为扭转量45°的椭圆轮廓，并且从变形区出口端第二个截面算起，每个截面相对于前一个相邻的截面进行递增扭转，其扭转角度按照扭转的截面数将最大扭角等分。本实施例中，变形区的7个截面在绕模具型腔的中心线扭转时，自变形区出口端第二个截面起，在每个截面上的扭转量以7.5°递增，形成了变形区型腔的七个椭圆轮廓，其中，第一个轮廓为无扭转的变形区出口端截面，第二个轮廓为扭转量为45°的变形区进口端截面，第三个轮廓为变形区扭转量为7.5°的截面，第四个轮廓为变形区扭转量为15°的截面，第五个轮廓为变形区扭转量为22.5°的截面，第六个轮廓为变形区扭转量为30°的截面，第七个轮廓为变形区扭转量为37.5°的截面。
变形区的每个截面上的椭圆轮廓均光滑过渡，而圆形截面与椭圆形截面之间也光滑过渡。
实施例四
本实施例是用于一种长轴锻件制坯的胎模。本实施例包括外形均为矩形的上模8和下模9；上模8和下模9的结构相同、方向相反。在上模8和下模9相对应的表面上，沿模具的长度方向的中心有半个型腔，当上模和下模的型腔扣合后形成了变截面的模具型腔。
上模8和下模9扣合后形成的模具型腔包括整形区A、变形区B和定位区C，其中整形区A和定位区C分别位于模具型腔的两端。定位区C的长度两倍于变形区B的长度，而整形区A和变形区B的长度相同。本实施例中，上模和下模的尺寸分别为：长400mm，宽200mm和高100mm；定位区长200mm，整形区长100mm，变形区长100mm。变形区B的横截面为椭圆形，该椭圆的短半轴与整形区型腔内径相同；在确定变形区B的横截面时，首先按照与定位区型腔截面面积相等的原则确定出该变形区B椭圆的轮廓面积，再根据椭圆的短半轴与整形区型腔内径，由椭圆的面积公式计算出椭圆的长半轴；定位区C的圆形轮廓直径为98mm，整形区A的圆形轮廓直径为50mm；变形区B椭圆的长半轴与短半轴之比为96∶25。
变形区B与定位区C相邻一端为进口端，与整形区A相邻一端为出口端。
将变形区B等分为8个截面，每个截面上的型腔轮廓均为椭圆。变形区进口端截面与出口端截面之间椭圆绕模具型腔的中心线扭转，其中出口端截面为无扭转的椭圆轮廓，进口端为扭转量60°的椭圆轮廓，并且从变形区出口端第二个截面算起，每个截面相对于前一个相邻的截面进行递增扭转，其扭转角度按照扭转的截面数将最大扭角等分。本实施例中，变形区的8个截面在绕模具型腔的中心线扭转时，自变形区出口端第二个截面起，在每个截面上的扭转量以8.57°递增，形成了变形区型腔的八个椭圆轮廓，其中，第一个轮廓为无扭转的变形区出口端截面，第二个轮廓为扭转量为60°的变形区进口端截面，第三个轮廓为变形区扭转量为8.57°的截面，第四个轮廓为变形区扭转量为17.14°的截面，第五个轮廓为变形区扭转量为25.71°的截面，第六个轮廓为变形区扭转量为34.28°的截面，第七个轮廓为变形区扭转量为42.85°的截面，第八个轮廓为变形区扭转量为51.42°的截面。
变形区的每个截面上的椭圆轮廓均光滑过渡，而圆形截面与椭圆形截面之间也光滑过渡。
Claims (3)
1.一种用于长轴类锻件制坯的胎模，其特征在于：
a.所述的胎模包括上模(8)和下模(9)；在上模(8)和下模(9)相对应的表面上，沿模具的长度方向的中心有半个型腔，当上模(8)和下模(9)的型腔扣合后形成了变截面的模具型腔；
b.上模(8)和下模(9)扣合后形成的模具型腔包括整形区A、变形区B和定位区C，其中整形区A和定位区C分别位于模具型腔的两端，其横截面为圆形；变形区B位于模具中部，其横截面为椭圆形；整形区A和变形区B的长度相同；
c.变形区B的椭圆短半轴与整形区A的型腔内径相同；在确定变形区B的横截面时，首先按照与定位区C的型腔截面面积相等的原则确定出该变形区B椭圆的轮廓面积，再根据椭圆的短半轴与整形区A的型腔内径的关系，由椭圆的面积公式计算出变形区B椭圆的长半轴；
d.变形区B等分为多个截面，每个截面上的型腔轮廓均为椭圆；变形区B与定位区C相邻一端为进口端，变形区B与整形区A相邻一端为出口端；变形区B进口端截面与出口端截面之间的椭圆绕模具型腔中心线扭转，其中出口端截面为无扭转的椭圆轮廓，进口端的椭圆轮廓扭转量最大，并且从变形区出口端第二个截面起，每个截面相对于前一个相邻的截面递增扭转，其扭转角度按照扭转的截面数将最大扭角等分；变形区B进口端椭圆轮廓的最大扭转量为10°～60°。
2.如权利要求1所述一种用于长轴类锻件制坯的胎模，其特征在于，定位区C的长度两倍于变形区B的长度。
3.如权利要求1所述一种用于长轴类锻件制坯的胎模，其特征在于，变形区的每个截面上的椭圆轮廓均光滑过渡，并且圆形截面与椭圆形截面之间亦光滑过渡。
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