一种带内法兰结构的不锈钢厚壁超大半锥角异形环锻件空心缩径挤压成形工艺方法与流程

1.本发明涉及一种带内法兰结构的不锈钢厚壁超大半锥角异形环 锻件空心缩径挤压成形工艺方法。


背景技术：

2.航空航天异形环锻件目前主要采用“制坯 环轧 掰形 异形环轧
”ꢀ
或者“制坯 环轧 掰形”的工艺方法，掰形和异形环轧是异形环锻造成 功与否的关键。掰形的主要目的是，采用刚模胀形矩形环坯一端内径， 实现一端内径扩径成形，从而实现大小端内径尺寸的不同；异形环轧 的主要目的是，使异形环坯(或矩形环坯)在径向同步(或近似同步) 成形，达到最终锻件尺寸的目的。如果异形环锻件内径面半锥角超过 10
°
，就必须采用掰形成形工艺方法，否则难以通过异形环轧实现异 形环锻件的轧制成形。由此可见，掰形成形是异形环锻造成形关键中 的关键。
3.通过对大量的航空航天异形环锻件掰形成形生产过程总结，发现 这种掰形成形工艺方法存在诸多工艺缺陷：被动增加小端壁厚、内径 拉料严重、端面翻边、一次掰形角度受限等等，并且这些工艺缺陷是 掰形成形工艺的固有特性，不能彻底根除，只能适当改善或补救。被 动增加小端壁厚意味着，在保证大端成形壁厚余量足够的情况，还必 须额外增加小端内外径余量。内径拉料意味着，必须增加掰形前矩形 截面环形坯料高度尺寸，也即必须增加原材料下料重量。端面翻边意 味着，必须增加环件端面高度方向上的余量。一次掰形角度受限意味 着，当内径面半锥角大于15
°
时，必须增加掰形成形火次，当内径面 半锥角大于30
°
时，就必须采用3到4火次的掰形成形。
4.如果异形环锻件兼具内法兰、厚壁、超大半锥角(内径面半锥角 大于40
°
)等结构特性及不锈钢材料时，这使得掰形成形工艺难度将 成倍增加。
5.这种掰形成形工艺方法，尽管实现了异形环轧，但其固有的工艺 缺陷却迫使生产效率低下、制造成本居高不下，严重影响异形环锻件 的高效、低成本制造。
6.为此，亟待寻找一种全新的异形环成形工艺方法，既能实现空心 矩形环件一端内径扩径成形，又能降低成形火次、降低成形模具数量， 达到高效、低成本制造的目的。
7.掰形成形的核心是，使用刚性冲头使空心圆柱环坯一端扩径，其 最终结果是实现异形环坯在大小端内径尺寸不同。当然，实现空心圆 柱环坯大小端内径尺寸不同，还可以使用空心缩径挤压工艺方法。
8.空心缩径挤压工艺方法是通过正挤压的工艺方法让空心圆柱环 坯在缩径成形模具中实现缩径挤压成形，也即空心缩径挤压工艺方法 是一种特殊的正挤压工艺方法。经过查询相关正挤压理论资料及书 籍，常规空心缩径工艺方法凹模入口角小于45
°
(也即半锥角小于22.5
°
)。
9.经查询相关专利及文献，目前国内在异形环件锻造成形过程中没 有使用空心缩径挤压成形工艺方法，为此，需要结合航空航天异形环 件结构特点、材料特性，突破空心缩
径挤压工艺参数限制，实现异形 环坯成形，并进一步对缩径挤压成形工艺过程的研究，实现带内法兰 结构的不锈钢厚壁超大半锥角异形环锻件锻造生产。


技术实现要素：

10.为解决上述技术问题，本发明在空心缩径挤压工艺方法的基础 上，突破了常规空心缩径工艺方法凹模入口角小于45
°
(即半锥角小 于22.5
°
)的限制，并结合航空航天异形环件、厚壁、不锈钢材料、内 法兰结构对成形过程的要求，提供了一种带内法兰结构的不锈钢厚壁 超大半锥角异形环锻件空心缩径挤压成形工艺方法，实现了带内法兰 结构的不锈钢厚壁超大半锥角异形环锻件空心缩径挤压成形。
11.本发明通过以下技术方案得以实现。
12.本发明提供的一种带内法兰结构的不锈钢厚壁超大半锥角异形 环锻件空心缩径挤压成形工艺方法，包括以下步骤：
13.1)下料后对毛料的上下两端外侧进行倒圆角，加热后制作成坯 料；
14.2)将坯料加热后轧制得环坯；
15.3)对环坯的缩径变形程度进行初步校核，确保3)对环坯的缩径变形程度进行初步校核，确保
16.为缩径对数挤压比，εa为断面缩减率，为环坯材料最大缩 径对数挤压比，为环坯材料最大断面缩减率；
17.4)对环坯的一端外角进行倒角；
18.5)将环坯加热后放入胎模内；
19.6)对环坯尾端施加轴向载荷，使环坯竖直向下运动，从而实现 环件空心缩径挤压成型；缩径挤压成形过程中，坯料尾段端面必须同 时受到轴向端压力。
20.7)对环件进行检验后进行热处理，并进行理化测试；
21.8)对环件进行粗加工及探伤；
22.9)标识、终检，终检合格后入库。
23.所述胎模顶端加工有高度为50mm～60mm的直段，直段内壁上加 工有2
°
～3
°
的拔模斜度。
24.所述与环件相对应的胎模凹圆角的圆角半径小于环件的凸圆角 半径5mm～10mm。
25.所述胎模为一体式结构。
26.所述等壁厚设计理念，小端壁厚可适当增加。
27.所述缩径挤压成形过程中，坯料尾段端面必须同时受到轴向端压 力。
28.所述整形冲头为空心结构。
29.所述缩径对数挤压比断面缩减率 30.a0为缩径挤压前坯料横截面积，a1为缩径挤压后坯料横截面积。
31.所述步骤5)前需将胎模预热到250℃～350℃并涂覆模具润滑剂。
32.环坯出炉到放入胎模的转移时间＜30s。
33.所述空心圆柱环坯椭圆度须≤3mm。
34.本发明的有益效果在于：结合了航空航天异形环件特点及缩径挤 压成形规律，设
计了缩径挤压成形工装，使用了空心缩径挤压工艺对 凹模入口角大于45
°
的异形环件进行锻造，并缩短了加工时间，并节 约了生产材料。
附图说明
35.图1是本发明的结构示意图；
36.图2是带内法兰结构的不锈钢厚壁超大半锥角异形环粗加工锻件 图；
37.图3是本发明的缩径挤压成形后锻件结构示意图；
38.图中：1-胎模，2-整形冲头，3-直段。
具体实施方式
39.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限 于所述。
40.一种带内法兰结构的不锈钢厚壁超大半锥角异形环锻件空心缩 径挤压成形工艺方法，包括以下步骤：
41.1)下料后对毛料的上下两端外侧进行倒圆角，加热后制作成坯 料；
42.2)将坯料加热后轧制得环坯；
43.3)对环坯的缩径变形程度进行初步校核，确保3)对环坯的缩径变形程度进行初步校核，确保
44.为缩径对数挤压比，εa为断面缩减率，为环坯材料最大缩 径对数挤压比，为环坯材料最大断面缩减率；
45.4)对环坯的一端外角进行倒角；
46.5)将环坯加热后放入胎模内；
47.6)对环坯尾端施加轴向载荷，使环坯竖直向下运动，从而实现 环件空心缩径挤压成型；
48.7)对环件进行检验后进行热处理，并进行理化测试；
49.8)对环件进行粗加工及探伤；
50.9)标识、终检，终检合格后入库。
51.所述胎模顶端加工有高度为50mm～60mm的直段，直段内壁上加 工有2
°
～3
°
的拔模斜度。
52.所述与环件相对应的胎模凹圆角的圆角半径小于环件的凸圆角 半径5mm～10mm。
53.所述胎模为一体式结构。
54.所述等壁厚设计理念，小端壁厚可适当增加。
55.所述缩径挤压成形过程中，坯料尾段端面同时受到轴向端压力。
56.所述整形冲头为空心结构。
57.所述缩径对数挤压比断面缩减率 58.a0为缩径挤压前坯料横截面积，a1为缩径挤压后坯料横截面积。
59.所述步骤5)前需将胎模预热到250℃～350℃并涂覆模具润滑剂。
60.环坯出炉到放入胎模的转移时间＜30s。
61.所述空心圆柱环坯椭圆度须≤3mm。
62.实施例：以某产品为载体进行研究，该产品粗加工锻件图详见图 2，该产品材料为30crmnsia，从图2中能够看出，该载体具有：
63.1、超大半锥角
64.半锥角超过22.5
°
时，会导致空心缩径挤压坯料直段失稳的缺陷， 从而阻止缩径挤压的正常进行。如果缩径变形程度偏大，则坯料缩径 头部下行受阻，并将下行阻力传递给坯料尾部直段部位，而坯料尾部 直段部位受到设备的挤压力。如果挤压力大于下行阻力，则坯料可以 顺利挤压成形；如果下行阻力大于或近似等于挤压力，则坯料尾部直 段部位将产生镦粗、弯曲、折叠等挤压失稳现象。
65.下行阻力基本由缩径成形抗力和缩径下行摩擦阻力组成，缩径成 形抗力与缩径变形程度成正比，缩径下行摩擦阻力与半锥角、坯料和 模具间摩擦系数成正比。通常，缩径变形程度用缩径对数挤压比或 断面缩减率εa表示。
66.为此，保证缩径挤压成形的根本就是，确保缩径变形程度适宜， 并尽可能降低坯料与缩径模具之间的摩擦系数。
67.2、厚壁
68.对于空心缩径挤压而言，坯料高壁比(高度/壁厚)小于5，即可 归类为厚壁缩径挤压，此时，坯料刚度将影响缩径挤压轮廓形貌。在 空心缩径挤压过程中，坯料挤压缩径起始段与尾部直段转接处将发生 弯曲成形；随着坯料壁厚的增加，导致坯料刚度增加，致使转接处坯 料弯曲圆角增大、曲率减小，从而表现为坯料转接处与缩径挤压模具 不贴合，影响缩径挤压坯料此处的机械加工余量。
69.3、内法兰
70.当缩径挤压坯料存在内法兰时，意味着坯料缩径挤压头部将在此 处再次弯曲成形，一方面会增大下行阻力，另一方面会因为坯料刚度 导致坯料此处与缩径模具不贴合，影响此处的机械加工余量。
71.4、不锈钢
72.不锈钢材料锻造加热过程中，坯料表面氧化严重，氧化皮会在坯 料转移过程中先行冷却且不自动脱落，从而导致坯料与缩径挤压模具 之间摩擦系数直线上升，以致增大坯料缩径挤压下行阻力，影响缩径 挤压的正常进行。
73.研究过程：
74.1、在研究过程中首先研究其超大半锥角成形解决措施，为确保 挤压的顺利进行以及现场操作的方便，对于超大半锥角特征制定如下 解决措施：
75.a.产品大端必须预留足够的直端，便于承接设备提供的挤压力；
76.b.缩径挤压模具入口处必须预留足够的直端，便于坯料的放置， 以及坯料缩径挤压的导向；
77.c.对坯料进行倒角处理，提高坯料边缘与缩径模具之间的匹配程 度，降低下行阻力；
78.d.对缩径变形程度(缩径对数挤压比或断面缩减率εa)进行初 步校核，确保步校核，确保
[0079][0080][0081]
式(1)、式(2)中，a0为缩径挤压前坯料横截面积，a1为缩径 挤压后坯料横截面积。
[0082]
查询相关资料，对于不锈钢材料，查询相关资料，对于不锈钢材料，
[0083]
通过对产品缩径前后(也即大小端)横截尺寸进行测量(如图2 所示)，并按照式(1)、式(2)进行计算，得出该产品的εa＝22.3％，均分别小于为此，对于当前产品，可以 直接一火次缩径挤压成形。
[0084]
2、厚壁缩径成形解决措施：
[0085]
厚壁坯料缩径会导致转接处坯料弯曲圆角增大、曲率减小的缺 陷，可以采用：适当降低坯料壁厚、增加整形冲头等措施。针对本发 明中研究载体实际情况，选择采用整形冲头的措施，也即：完成缩径 挤压成形后，使用整形冲头对锻件内径面进行整形，从而消除锻件与 模具不贴合的缺陷。
[0086]
3、内法兰结构解决措施：
[0087]
本发明中研究载体的小端存在内法兰，而该内法兰的径向宽度与 坯料厚度差异不大，为此，本发现设计的缩径挤压工装时，在锻件小 端设计了成形模具，这样缩径挤压过程中，实现了缩径挤压头部的再 次变向，成形了内法兰区域。同时，使用整形冲头对内法兰转接处也 进行了整形，确保了内法兰的机械加工余量需求。
[0088]
4、不锈钢材料成形特性解决措施：
[0089]
为有效减少不锈钢材料加热过程中氧化皮情况，本发明采用降低 坯料加热温度的办法，该方法既能降低制造成本、又能便于工程制造 的实现。
[0090]
5、锻件设计及校核：
[0091]
根据缩径挤压的成形特点以及小端内法兰的结构特点，结合上述 措施，本发明研究载体锻件图采用了等壁厚设计理念，并且小端壁厚 适当增厚；大端设计了56mm的直段；小端设计了内法兰；各转接处 进行了圆角处理。最终的缩径成形锻件图详见图3。
[0092]
缩径对数挤压比或断面缩减率εa分别为：
[0093][0094][0095]
通过校核，本发明研究载体的缩径对数挤压比或断面缩减率εa均小于不锈钢材料的为此可以采用缩径挤压成形工艺 方法。
[0096]
6、空心缩径成形模具设计
[0097]
根据上述措施，设计了空心缩径成形模具，详见图1，并且该模 具具有下特点：
[0098]
a.胎模设计了57mm直段，直段的设计既能保证坯料顺利放入缩 径挤压模具型腔，又能保证坯料缩径挤压起始阶段能很好的 导向；直段设计了2
°
～3
°
的拔模斜度，便于坯料
的放入及取 出；
[0099]
b.胎模采用了整体设计理念，便于各转接部位圆角过渡的制造， 也便于成形操作；
[0100]
c.胎模凹圆角进行了减小处理，通常模具凹圆角半径较此处锻件 外圆角半径小5mm～10mm，考虑了厚壁成形不贴模的成形 特点；
[0101]
d.设计了整形冲头，并且进行了空心处理，既能降低冲头重量， 又能节省冲头制造成本。
[0102]
通过计算，本发明研究载体的空心圆柱环坯料尺寸： 坯料高壁比(高度/壁厚)为5.56， 一端外径倒角r20～r25mm。