CN214684067U - 一种盘件辗压成形系统 - Google Patents

Abstract

一种盘件辗压成形系统，包括：对盘件通过两压紧头对盘件中心进行固定；并驱动盘件旋转；通过感应线圈对盘件轮辐、轮辋部分进行加热；向盘件轮毂位置吹送冷却气体；通过辗压头对盘件进行辗压成形；降低感应线圈功率，使盘件缓慢降低到预定温度后空冷到室温；对盘件进行固溶热处理。可以通过对盘件的轮辐、轮辋部分进行加热，同时向轮毂部分吹送冷却气体，使盘件的中心位置温度低于盘件其他位置的温度，形成沿径向的温度差。以此使盘件在辗压成形后形成梯度分布并逐渐过渡的微观组织，实现高性能涡轮盘径向力学性能的梯度分布。

Description

一种盘件辗压成形系统

技术领域

本实用新型涉及金属零件加工领域，特别是指一种盘件辗压成形系统。

背景技术

钛合金、镍基高温合金等耐热合金被广泛用于制造航空发动机涡轮盘和压气机盘。它们具有高耐热性和耐气体腐蚀的特性，但同时由于延展性低和变形抗力高而具有较差的加工性能，因而也被称为难成形的高强金属材料。耐热合金涡轮盘对尺寸精度以及在变形和随后的热处理过程中形成的组织有很高的要求，目前主要是通过与美国专利US3519503中的描述类似的方法通过等温或近等温条件下对耐热合金盘坯整体进行模锻成形。该方法的缺点是需要大吨位压力机设备，根据计算，制造直径550mm的盘件大约需要成形力为150MN的等温锻压力机，设备能源消耗很大，此外锻造高温合金的模具费用也相当高昂。

还应注意，许多钛合金、镍基高温合金涡轮盘的服役工作条条件异常恶劣，在此条件下涡轮盘的各个区域中形成梯度过渡状的异质组织状态是有利的。一般来说轮毂(盘心)部位承受低温高应力，需要细晶组织以保证足够的强度和疲劳抗力，而轮辋(边缘)部位则承受高温低应力，需要粗晶以保证足够的蠕变和持久性能。然而用如前所述的整体模锻成形时，轮毂、轮辐、轮辋同时成形，要在锻造过程中对锻件分区进行梯度组织调控难度很大。

为了寻找低成本的盘类件制造方法，人们尝试了类似于环件轧制的回转成形方法制造盘类件。已公开专利CN100546759以及CN 100486754介绍了大中型空心、实心盘类锻件的轧制方法，这种成形工艺是基于径-轴向辗环机而开发的，属于盘件卧式轧制，它的特点在于，在上锥辊的轴向进给以及上下锥辊的旋转轧制联合作用下，盘坯轴向尺寸逐渐变薄，径向尺寸不断延展，最终使盘件成形。该方法的局限性之一在于加工柔性差，因为上下锥辊的辊形需要根据盘件最终形状要求而预制，如果盘件形状过于复杂则一次性预制的锥辊形状难以满足要求。局限性之二在于受径-轴向辗环机的结构特点所限，难以在成形设备上实现在线加热，因此基于辗环机的盘件轧制是差温成形。局限性之三在于在同一套锥辊上难以对盘件不同部位实现轧制变形速率的调控。

已公开的俄罗斯专利RU2119842介绍了一种与火车车轮轧制类似的盘件双面辗压成形方法，属于盘件立式双面辗压成形，其特点在于：盘坯的盘毂部位被两侧的驱动主轴夹紧并随主轴一起转动，两对辗头分别位于盘坯两侧，它们相对于工件可以径向和轴向进给，对盘坯两侧进行辗压，辗压成形过程由轧机的控制系统进行协调控制，盘坯、辗头和主轴夹头都处于封闭的加热炉腔内，能进行盘件等温辗压成形。该方法的局限性在于闭式加热炉炉璧上需要留有4个辗头臂和2个夹紧主轴的伸入孔，此外盘件径向进给行程相对较大，因此辗头臂伸入孔需要较大尺寸。加热炉以上孔洞的存在给炉温保持或形成温度梯度造成很多困难。

已公开的中国专利CN200720195059.6(双面辗压成形设备)、CN201110399183.5(盘型件双面辗压成形感应加热技术)和CN201310551488.2(高温合金双性能盘辗压成形工艺)也属于盘件立式双面辗压成形技术。所述的双面辗压成形设备与俄罗斯专利RU2119842所述设备成形原理类似，其优点之一在于加热装置是采用感应加热线圈，上、下分布的感应加热线圈使盘件外围部分(轮辋和轮辐)温度高，而轮毂部分温度偏低，刚好与高温合金双性能盘辗压所要求的温度分布相符。其优点之二在于上、下感应加热线圈中间留有空隙，和闭式加热炉方案相比，辗头臂的运动和进给均不受限制。该方法的局限性之一在于依靠感应线圈的分布而获得的盘件径向温差不够大，在期望盘件径向有足够温差以便获得不同晶粒度分布时，这种工艺无法满足要求。这是因为辗压过程中轮辋、轮辐部位不断向轮毂部位进行热传导，随着辗压时间的增加，轮辋、轮辐和轮毂之间的温差不断减小。局限性之二在于盘件在辗压过程中是随着辗头的旋转而被动旋转，造成一定程度的打滑，辗头辗压速度和辗压变形速率很难精确控制。局限性之三在于上、下感应加热线圈是串联在一起，给盘件的上料和下料带来一定困难，特别是工件较大时。

综上所述，亟需一种盘件辗压成形系统，以能使盘件在辗压成形后在径向形成梯度分布并逐渐过渡的微观组织，从而实现高性能涡轮盘径向力学性能的梯度分布。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种盘件辗压成形系统，以能使盘件在辗压成形后在径向形成梯度分布并逐渐过渡的微观组织，实现高性能涡轮盘径向力学性能的梯度分布。

本实用新型提供的盘件辗压成形系统，包括：旋转固定装置，具有相对设置的两压紧头，用于对盘件的中心进行夹紧固定并驱动盘件旋转；感应加热装置，具有围绕盘件设置的感应加热线圈，用于对盘件进行感应加热；辗压装置，具有在盘件两侧相对设置的辗压头，用于对盘件进行辗压成形；冷却管，一端设置在盘件中心位置，用于向盘件吹送冷却气体。

采用如上结构，通过旋转固定装置对盘件进行固定，并驱动盘件旋转；通过感应加热装置对盘件进行加热；通过辗压装置对盘件进行辗压成形；通过冷却管向盘件中心位置吹送冷却气体，使盘件的中心位置温度低于盘件其他位置的温度，形成沿径向的温度差。以此使盘件在辗压成形后形成梯度分布并逐渐过渡的微观组织，实现高性能涡轮盘径向力学性能的梯度分布。

本实用新型优选，所述旋转固定装置包括：壳体；呈筒状的主轴，通过套设在外周面的轴承与壳体活动连；呈圆柱形的压紧杆，一端为所述压紧头，另一端设置有驱动压紧杆沿轴向移动的压紧油缸，通过设置在外周面花键与主轴活动连接；驱动主轴旋转的电机。

采用如上结构，提供了旋转固定装置的具体结构，通过压紧油缸可以驱动压紧杆实现对盘件的固定，通过电机驱动主轴旋转，因为压紧杆与主轴通过花键活动连接，主轴旋转可带动压紧杆旋转。从而实现对盘件的固定及驱动盘件旋转。

本实用新型优选，所述压紧油缸具有通过液压驱动伸出或缩回的活塞杆；活塞杆的轴心与压紧杆重合，活塞杆的端部与压紧杆的另一端连接；活塞杆与压紧杆的轴心位置沿径向设置有所述冷却管；冷却管的一端在压紧头的端部形成开口，另一端在压紧油缸上形成进气口。

采用如上结构，提供了冷却管的具体结构，通过将冷却管设置在压紧杆及活塞杆轴心位置，可实现对盘件中心位置进行降温。使盘件的中心位置温度低于盘件其他位置的温度。以此使盘件在辗压成形后形成梯度分布并逐渐过渡的微观组织，实现高性能涡轮盘径向力学性能的梯度分布。

本实用新型优选，所述进气口上设置有旋转接头。

采用如上结构，当电机驱动压紧杆旋转，进而带动冷却管旋转时，通过旋转接头可以方便与冷却管的连接。

本实用新型优选，所述压紧头内设置有连通冷却管与压紧头外周面的排气管。

采用如上结构，可以便于对盘件进行冷却从而升温后的冷却气体排出，从而提高了冷却气体对盘件降温的效率。

本实用新型优选，所述主轴的外周面上设置有蜗轮；还包括与蜗轮啮合的蜗杆；电机通过减速机驱动蜗杆转动。

采用如上结构，提供了电机与主轴的传动方式。

本实用新型优选，所述感应加热线圈为相对设置的两个，感应加热线圈围绕盘件形成半圆形；所述压紧头及所述辗压头设置在两感应加热线圈之间。

采用如上结构，通过设置成半圆形的感应加热线圈，同时留出盘件中间位置的空间，便于压紧头对盘件进行固定，以及便于辗压装置的辗压头对盘件进行辗压成形。

本实用新型优选，两感应加热线圈上下相对设置，两感应加热现在相对一侧位于轮辐径向的中间位置。

采用如上结构可以使轮辐靠近轮毂的部分不会受到加热，从而使轮辐靠近轮毂位置的温度低于靠近轮辋位置的温度，从而沿径向形成温度差。以此使盘件在辗压成形后形成梯度分布并逐渐过渡的微观组织，实现高性能涡轮盘径向力学性能的梯度分布。

本实用新型优选，还包括温度检测装置，具有红外测温探头，用于检测盘件的温度。

采用如上结构，可以通过红外测温探头来检测盘件各部分的温度，通过调节冷却管中冷却气体的进气量来调节盘件中心的温度。

附图说明

图1为本申请的盘件辗压成形系统的侧面结构示意图；

图2为本申请的盘件辗压成形系统的顶部结构示意图；

图3为图1中A-A剖视图；

图4为盘件辗压成形中的感应加热区示意图；

图5为本申请盘件辗压成形的方法的流程图。

附图标记说明

盘件100；轮毂110；轴孔111；轮辐120；轮辋130；旋转固定装置200；壳体210；压紧杆220；压紧头221；花键222；压紧油缸230；活塞杆231；冷却管240；排气管241；排气口241a；进气口242；旋转接头243；主轴250；花键槽251；蜗轮252；蜗杆260；减速机270；驱动轴271；电机280；感应加热装置300；上感应加热线圈310；下感应加热线圈320；辗压装置400；辗压头410；温度检测装置500；第一红外测温探头510；芯轴600。

具体实施方式

下面，结合视图对本申请的盘件100辗压成形系统的具体结构进行详细的描述。

图1为本申请的盘件100辗压成形系统的侧面结构示意图；图2为本申请的盘件100辗压成形系统的顶部结构示意图。如图1、图2所示，盘件100辗压成形系统包括用于固定并驱动盘件100旋转的旋转固定装置200；用于对盘件100进行加热的感应加热装置300；具有辗压头410以对盘件100进行辗压作业的辗压装置400；以及用于对盘件100温度进行检测的温度检测装置500。待加工的盘件100为具有一定厚度的圆柱形坯料，盘件100圆心周围圆形区域为轮毂110，轮毂110中心具有圆形通孔状的轴孔111。轴孔111中安装与轴孔111大小相适配的呈筒状结构的芯轴600，旋转固定装置200通过下述相对设置的夹紧头夹持在轮毂110位置时，可以通过芯轴600对轮毂110实现支撑及保护作用，防止因夹持力过大使轮毂110位置发生变形。通过辗压头410对对盘件100进行辗压，使盘件100边缘区域形成较厚的环状的轮辋130，轮毂110与轮辋130之间形成较薄的轮辐120。

图3为图1中A-A剖视图。如图1、图2、图3所示，对盘件100进行固定需要两对称设置的旋转固定装置200配合实现。旋转固定装置200包括：壳体210；由壳体210内伸出压紧杆220，压紧杆220由壳体210伸出一端的端部为压紧头221，压紧头221呈半径逐渐增大的圆台形，压紧杆220位于壳体210内的部分的外周面沿轴向设置有花键222；壳体210上与压紧头221相背的一端设置有压紧油缸230，压紧油缸230具有伸进壳体210内部的活塞杆231，活塞杆231与压紧杆220轴心重合，活塞杆231的端部与压紧杆220的另一端(与压紧头221相背一端)相连。压紧油缸230通过驱动活塞杆231伸出或缩回，从而推动两压紧头221相向运动以夹紧轮毂110，或推动两夹紧头背向运动以松开轮毂110。压紧杆220与活塞杆231轴心位置具有相同直径的管道，共同形成冷却管240。冷却管240的一端在压紧头221的端部具有开口，且在压紧头221内置设置有若干排气管241，排气管241在压紧杆220的外周面形成有排气口241a；冷却管240的另一端在压紧油缸230的端部形成有进气口242，进气口242位置设置有旋转接头243，以使冷却管240转动时旋转接头243的接口保持静止，用于连接外设的冷却气源设备。

壳体210内还设置有主轴250，主轴250呈圆筒状，其内表面沿轴向设置有与上述花键222相适配的花键槽251，使主轴250可以套设在压紧杆220的外周面上。主轴250外周面的两端各套设有一轴承，主轴250通过轴承实现与壳体210的活动连接。主轴250外周面的中间位置固定套设有蜗轮252，与蜗轮252相对位置还设置有蜗杆260。蜗杆260的轴线与主轴250的轴线相垂直，蜗杆260与蜗轮252相啮合，蜗杆260的两端位置通过轴承与壳体210活动连接。蜗杆260轴向一侧还设置有相连的电机280及减速机270，减速机270伸出有驱动轴271，电机280驱动减速机270的驱动轴271转动，减速机270将电机280输出的转速降低，即驱动轴271的转速小于电机280的转速。驱动轴271与蜗杆260轴心重合，驱动轴271与蜗杆260端部通过联轴器272相连。电机280转动，驱动蜗杆260转动，蜗杆260驱动与其相啮合的蜗轮252转动，进而带动主轴250及主轴250内的压紧杆220转动。

图4为盘件100辗压成形中的感应加热区示意图。如图4所示，感应加热装置300具有并联的上、下对应设置的上感应加热线圈310以及下感应加热线圈320。其中，上感应加热线圈310围绕盘件100上半部的上部半月形区域，下感应加热线圈320围绕盘件100下半部的下部半月形区域设置。上感应加热线圈310与下感应加热线圈320之间具有呈条形的空间，轮毂110位于该条形空间内，以便压紧头221对轮毂110进行夹持固定，同时便于辗压头410对盘件100进行辗压成形。上感应加热线圈310与下加热线圈覆盖轮辋130及轮辐120的一部分，但不覆盖轮毂110区域，轮辋130覆盖区域面积大于轮辐120覆盖区域面积，因此盘件100在旋转中进行感应加热并达到热平衡情况下，轮辋130温度比轮辐120温度稍高。

温度检测装置500包括设置在盘件100一侧的第一红外测温探头510及第二红外测温探头520，其中第一红外测温探头510朝向轮辐120，用于检测轮辐120部位的温度；第二红外测温探头520朝向轮毂110，用于检测轮毂110部位的温度。

辗压装置400具有两对相对设置的辗压头410，通过相对设置的两辗压头410对盘件100进行辗压成形。辗压装置400与温度检测装置500的具体形式可以参考中国专利CN201110399183.5(盘型件双面辗压成形感应加热技术)中所公开的内容。

使用本申请的盘件100辗压成形系统对盘件100进行辗压成形，首先用吊具将穿好芯轴600的盘件100移动到两旋转固定装置200正中位置，两旋转固定装置200彼此相对的两个夹紧头在压紧油缸230驱动下伸出，将盘件100的轮毂110从两侧进行夹紧完成定位，同时使冷却管240与芯轴600内连通。旋转固定装置200的电机280启动，使盘件100旋转。同时启动感应加热装置300，使盘件100一边旋转一边被加热。加热开始后，通过旋转接头243充入冷却气体，冷却气体通过旋转固定装置200中间的冷却管240流过夹紧头，对盘件100轮毂110部位进行强制冷却后由排气口241a排出。盘件100加热到预定温度后，位于盘件100两侧的4个辗压头410在盘件100厚度方向上实施进给，进给到位后开始辗压，使盘件100成形至预定形状尺寸。在辗压过程中，第一红外测温探头510检测轮毂110部位温度，并控制冷却气体流量，使轮毂110部位保持在相对较低温度的弹性变形温度区间，以便使组织保持原始较细的晶粒度；同时第二红外测温探头520检测轮辐120温度，并控制感应加热装置300的功率，以便使盘辐相对于盘毂有较高的温度。由于上感应加热线圈310与下感应加热线圈320的特殊分布，在感应加热下，轮辋130温度本来就比盘辐温度稍高。这样就实现了盘件100在径向形成梯度温度分布，从而使盘件100从轮毂110-轮辐120-轮辋130形成从细晶到粗晶逐渐过渡的微观组织，从而实现高性能蜗轮252盘所要求的径向力学性能梯度分布。轮毂110部位的冷却带来的另一个益处是由于轮毂110不需要变形，轮毂110部位的盘件100材料在弹性变形温度区间可以防止盘件100辗压过程中轮毂110因为相邻区域的变形而产生附加变形。此外为了盘件100能主动旋转，夹紧头必须对盘件100施加一定载荷以便建立足够的摩擦力，轮毂110部位保持在弹性变形温度区间才不至于使轮毂110在夹紧力下产生塑性变形。

另外，基于上述盘件100辗压成形系统，本申请还提供了一种盘件100辗压成形的方法。下面，以高温合金GH4169盘形件为例进行说明。盘件100坯料是为辗压成形而特别制备的细晶盘坯，平均晶粒尺寸约为5-20μm。目标盘件100直径600mm，轮毂110部分直径150mm，轮辐120厚度为30mm。目标是用双面辗压成形制造具有径向阶梯过渡组织的高温合金GH4169盘形件，轮毂110形成晶粒度为8-12级的粗晶组织，轮缘形成晶粒度为5-6级的粗晶组织，从轮毂110到轮缘之间形成粗晶与细晶混合的过渡区。

图5为本申请盘件100辗压成形的方法的流程图。如图5所示，盘件100辗压成形的具体步骤为：

通过两压紧头221夹紧盘件100坯料的轮毂110位置，使盘件100的上部半月形区域处于上感应线圈内，盘件100的下部半月形区域处于下感应加热线圈320内，并使盘件100处于两辗压头410之间。启动电机280，使压紧头221旋转，从而使盘件100开始旋转。开启感应加热装置300，对盘件100的外围部分(轮辋130和轮辐120)进行加热，使轮辋130及轮辐120部分的温度达到并保持在1020℃～1100℃。由于盘件100轮毂110区域不在上感应加热线圈310及下感应加热线圈320内，因此轮毂110区域温度较低。向轮毂110内吹入冷却气体，对轮毂110进行强制冷却，使轮毂110部位的温度保持在950℃-1000℃。

开启辗压装置400，辗压头410转动，开始对盘件100进行辗压成形。盘件100外围部分(轮辋130和轮辐120)以10-3s-1～10-4s-1的应变速率进行辗压变形。辗压过程中，随着辗压头410在径向由内向外移动，辗压变形量由轮辐120内侧的25％逐渐增加，辗压头410移动到轮辐120中间时，辗压变形量增加到65％。随着辗头继续由内向外移动，然后辗压变形量逐渐减小，到达轮辋130时辗压变形量减小到25％。

辗压结束后，使盘件100缓慢冷却到450℃，然后空冷到室温。

对辗压后的盘件100进行标准固溶热处理：即将盘件100加热到965℃，然后保温1h，随后空冷到室温。通过将盘件100加热至高温单相区恒温保持，使中间相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到饱和固溶体。

根据《中国航空材料手册》第2卷中的相关数据进行分析，采用上述盘件100辗压成形方法对盘件100进行辗压成形，可以对盘件100实现分区温度控制以及辗压变形量分配，可以预期在盘件100中间部位得到9-10级的细晶组织，盘件100外围部位得到5-6级的粗晶组织。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种盘件辗压成形系统，可对盘件进行辗压成形，以形成位于中心的轮毂，位于边缘的轮辋，以及位于轮毂与轮辋之间的轮辐，其特征在于，包括：

旋转固定装置，具有相对设置的两压紧头，用于对盘件的中心进行夹紧固定并驱动盘件旋转；

感应加热装置，具有围绕盘件设置的感应加热线圈，用于对盘件进行感应加热；

辗压装置，具有在盘件两侧相对设置的辗压头，用于对盘件进行辗压成形；

冷却管，一端设置在盘件中心位置，用于向盘件吹送冷却气体。

2.根据权利要求1所述的盘件辗压成形系统，其特征在于，所述旋转固定装置包括：壳体；呈筒状的主轴，通过套设在外周面的轴承与壳体活动连；呈圆柱形的压紧杆，一端为所述压紧头，另一端设置有驱动压紧杆沿轴向移动的压紧油缸，通过设置在外周面花键与主轴活动连接；驱动主轴旋转的电机。

3.根据权利要求2所述的盘件辗压成形系统，其特征在于，所述压紧油缸具有通过液压驱动伸出或缩回的活塞杆；活塞杆的轴心与压紧杆重合，活塞杆的端部与压紧杆的另一端连接；活塞杆与压紧杆的轴心位置沿径向设置有所述冷却管；冷却管的一端在压紧头的端部形成开口，另一端在压紧油缸上形成进气口。

4.根据权利要求3所述的盘件辗压成形系统，其特征在于，所述进气口上设置有旋转接头。

5.根据权利要求3所述的盘件辗压成形系统，其特征在于，所述压紧头内设置有连通冷却管与压紧头外周面的排气管。

6.根据权利要求2所述的盘件辗压成形系统，其特征在于，所述主轴的外周面上设置有蜗轮；还包括与蜗轮啮合的蜗杆；电机通过减速机驱动蜗杆转动。

7.根据权利要求1所述的盘件辗压成形系统，其特征在于，所述感应加热线圈为相对设置的两个，感应加热线圈围绕盘件形成半圆形；所述压紧头及所述辗压头设置在两感应加热线圈之间。

8.根据权利要求7所述的盘件辗压成形系统，其特征在于，两感应加热线圈上下相对设置，两感应加热现在相对一侧位于轮辐径向的中间位置。

9.根据权利要求1所述的盘件辗压成形系统，其特征在于，还包括温度检测装置，具有红外测温探头，用于检测盘件的温度。

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