一种大型盘类件的旋转锻造方法及锻造装置

摘要

本发明提出了一大型盘类件的旋转锻造方法及锻造装置。该方法包括锻造模具的设计、坯料准备、预锻分流槽、定位坯料和分步旋转锻造，并且基于该方法本发明提出了一种可以实现上锻模和下模相对旋转的锻造装置，通过上锻模和下模的旋转锻造来对盘类工件进行局部的渐进成形。为了对锻造过程中金属的流动进行控制，在旋转锻造前加入了分流槽预锻造工步。并且，针对旋转锻造过程中工件翘曲现象，提出了采用特殊结构的上锻模。该成形方法成形载荷低，模具简单加工费用低，可以很大程度的降低目前大型盘类件的制造成本。

说明书

技术领域

本发明属于锻造成形技术领域，涉及一种锻造方法和装置，尤其是一种针对大型盘类件的分步旋转锻造方法及用于实现该锻造方法的锻造装置。

背景技术

目前，大型盘类件主要是通过机械加工的方法制造，该方法材料利用率低，机械加工量大且制造时间长；此外大型盘类件的制造也可采用闭式模锻的方法，模锻所需成形力非常大，对设备和模具的要求很高。例如，某型号离心风机用叶轮轮盘其内直径为580mm，外直径1180mm，工件最厚处45mm，最薄处5mm，工件重83Kg，机械加工方法用坯料重702Kg，机加工量为619Kg，材料利用率仅为11％。如果采用闭式模锻方法，锻造力大于8万吨，并且对于不同形状的叶轮，都需要制造模具，因此，其模具制造成本也很高。随着工业的发展，特别是风机制造业的发展，对大型盘类件(直径可达1300mm)的省力、节材、低成本的成形方法的需求越来越明显。

采用局部锻打的方法也可以成形出大锻件，然而，由于每次上砧和下砧打击的不对称和局部性，使其金属的变形很不均匀，因此，常常会造成锻打后工件的形状误差大，废品率高等问题。如何使金属的流动受到控制，就成为保证锻件质量的重要因素。随着现代计算机和数值模拟技术的发展，采用有限元分析软件，如：DEFORM，FORGE和ABAQUS等可以对锻造中金属的变形过程进行分析，为成形工艺参数的制定和模具的设计提供依据。从而，推动了新锻造工艺的出现和发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种大型盘类件的分步旋转锻造方法及用于实现该锻造方法的锻造装置。分步旋转锻造方法可以解决大型盘类件(特别是小批量生产)在机械加工制造中所存在的材料利用率低、机械加工量大和制造成本高等问题。采用为了实现分步旋转锻造而设计的装置可以直接与普通锻造压力机相结合，使锻造用上模具能够旋转，实现大型盘类件的成形。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：本发明的大型盘类件的旋转锻造方法，具体按照以下步骤：A.锻造模具的设计使锻造模具由上锻模和下模组成，将上锻模设计为由一条或者多条矩形长条状锻模组件构成的轴对称结构，所述矩形长条状锻模组件的垂直截面下轮廓与被加工的大型盘类工件中心截面的上轮廓相同；B.坯料准备、预锻分流槽准备圆板或圆形坯料并加热到坯料金属材料的始锻温度；然后在该坯料上预先锻造出分流槽；再将预锻件加热至始锻温度；C.定位坯料将以上预锻并加热后的坯料固定在锻造模具的下模上，使坯料的中心轴、以及上锻模和下模的中心轴同轴；D.分步旋转锻造1)首先使上锻模以压下量H₁锻造坯料的局部，成形后升起上锻模，使上锻模和下模绕其中心轴相对旋转一角度α，紧接着再次使上锻模以压下量H₁锻造坯料局部，依此循环至上锻模和下模绕其中心轴相对旋转一圈；2)改变上锻模的压下量，使上锻模以压下量H₂锻造坯料的局部，成形后升起上锻模，使上锻模和下模绕其中心轴相对旋转一角度α，紧接着再次使上锻模以压下量H₂锻造坯料局部，依此循环至上锻模和下模绕其中心轴相对旋转一圈；所述压下量H₂大于压下量H₁；3)按照以上步骤1)至2)的规律，使上锻模和下模相对旋转从而对坯料进行反复多圈旋转锻造，每一圈旋转锻造的压下量均大于上一圈的压下量，当坯料被锻造成设计形状后，旋转锻造结束。

进一步，以上步骤B中，在坯料上预锻分流槽时，采用整体模锻方法成形或者分步旋转锻造方法。

上述步骤D中，当上锻模和下模绕其中心轴相对旋转时：使下模不动，上锻模绕其中心轴旋转；或者使上锻模不动，下模绕其中心轴旋转。

上述步骤D中，所述压下量H1小于坯料厚度的8％；角度α小于arctan(b/d)，其中b为组成上锻模的矩形长条状锻模组件的宽度，d为锻造过程坯料的外直径。

本发明还提供一种实现上述旋转锻造方法的锻造装置，包括水平设置的上模组件以及设置于上模组件正下方的下模，所述上模组件包括一上模板，上模板的下端面中部设有一水平的旋转盘，旋转盘的下端面固定设有旋转锻模，所述旋转锻模由一条或者多条矩形长条状锻模组件构成，所述矩形长条状锻模组件的垂直截面的下轮廓与被加工的大型盘类工件的中心截面的上轮廓相同；旋转锻模的中心轴与旋转盘的回转轴同轴。

上述旋转锻模由一条矩形长条状锻模组件构成，所述旋转锻模的中心轴是垂直于长条状锻模组件轴向且过其中心的轴。

上述旋转锻模由两条矩形长条状的锻模组件相互垂直构成，使旋转锻模呈“十字”形一体式结构。

上述旋转锻模由三条矩形长条状锻模组件相互均匀交叉构成，使旋转锻模呈一体式结构。

进一步，上述上模板的下端面中心位置设有圆形凹槽，该圆形凹槽口固定设有环形压圈，所述旋转盘通过连接轴、大螺母和键使旋转盘平行且紧贴上模板的下端面，所述环形压圈中心孔上设有圆柱滚子轴承，连接轴安装于圆柱滚子轴承上，所述圆柱滚子轴承使旋转盘易于沿回转轴转动。

上述旋转盘的外侧设有外齿圈，所述齿圈通过齿轮或链条啮合的方式与驱动设备连接。

本发明的有益效果如下：1.制造成本显著下降，与机械加工方法相比，可以使材料利用率达50％以上，并大幅降低机械加工量(如陕鼓某型号离心风机用盖盘采用该方法比机械加工制造方法材料利用率可以提高250％以上，轮盘采用该方法材料利用率可以提高200％以上)。

2.锻压成形中，旋转锻模由矩形长条状锻模组件构成，可以采用模具钢板直接进行线切割或铣出二维轮廓即可，因此模具不但重量轻而且制造费用低。

3.旋转锻造中只有矩形长条状锻模组件的上模具和锻造坯料接触，是局部变形，可以显著降低整体锻造的成形力，对成形设备吨位的要求低。例如某型号离心风机用盖盘采用旋转锻造的成形力约为闭式模锻的1//60。

4.本发明的分步旋转锻造方法中，通过改变工艺参数，如旋转锻造每步的压下量、上模具旋转角度和锻打顺序，以及利用多条矩形长条状锻模组件构成不同结构的旋转锻模作为上模具，可以消除由金属变形不均匀所引起的工件翘曲现象。

5.本发明的分步旋转锻造方法中，通过对带分流槽预成形工件形状的设计可以更好的控制金属流动，使工件外侧半径变大厚度变薄的过程中，工件中部所受应力及变形量小，避免了采用圆板坯料锻件中部凹陷以及采用圆环坯料内直径显著增大的问题。

6.本发明的分步旋转锻造装置可以直接用于普通压力机上进行锻造成形，避免了具有下转台专用压力机对分步旋转锻造方法应用的制约。本发明所述装置具有通用性强、结构简单、加工及制造费用低的优点。

附图说明

图1为两种典型盘类件的分步旋转锻造成形过程；其中：(a)图为离心风机用叶轮轮盘；(b)图为离心风机用叶轮盖盘。

图2是本发明的大型盘类件的旋转锻造装置的剖视图；其中：1.1为上模板；1.2为旋转盘；1.3为旋转锻模；1.4为环形压圈；2为坯料；3为下模；5为连接轴；6为圆柱滚子轴承；7为连接键；8为大螺母。

图3是本发明的大型盘类件的锻造装置的三维立体图。

图4是本发明的旋转锻模1.3不同结构形式；其中：(a)图为由一条矩形长条状锻模组件构成的旋转锻模1.3；(b)图为由两条矩形长条状锻模组件构成的旋转锻模1.3“十字”形一体式结构；(c)图为由三条矩形长条状锻模组件相互均匀交叉构成的一体式旋转锻模1.3。

图5是本发明的分步旋转锻造成形工艺过程框图。

图6是本发明可以采用分步旋转锻造成形的典型零件构型。

具体实施方式

本发明的的大型盘类件的旋转锻造方法，具体按照以下步骤：A.锻造模具的设计使锻造模具由上锻模和下模组成，将上锻模设计为由一条或者多条矩形长条状锻模组件构成的轴对称结构，所述矩形长条状锻模组件的垂直截面的下轮廓与被加工的大型盘类工件中心截面的上轮廓相同；B.坯料准备、预锻分流槽准备圆板或圆形坯料(如图1的a1或b1)并加热到坯料金属材料的始锻温度；然后采用整体模锻方法成形或者分步旋转锻造方法在该坯料上预先锻造出分流槽4；再将预锻件加热至始锻温度；C.定位坯料将以上预锻并加热后的坯料固定在锻造模具的下模上，使坯料的中心轴、以及上锻模和下模的中心轴同轴；D.分步旋转锻造1)首先使上锻模以压下量H₁(压下量H₁小于坯料厚度的8％；)锻造坯料的局部，成形后升起上锻模，使上锻模和下模绕其中心轴相对旋转一角度α(角度α小于arctan(b/d)，其中b为组成上锻模的矩形长条状锻模组件的宽度，d为锻造过程中圆板或圆形坯料的直径)，紧接着再次使上锻模以压下量H₁锻造坯料局部，依此循环至上锻模和下模绕其中心轴相对旋转一圈；2)改变上锻模的压下量，使上锻模以压下量H₂锻造坯料的局部，成形后升起上锻模，使上锻模和下模绕其中心轴相对旋转一角度α，紧接着再次使上锻模以压下量H₂锻造坯料局部，依此循环至上锻模和下模绕其中心轴相对旋转一圈；所述压下量H₂大于压下量H₁；3)按照以上步骤1)至2)的规律，使上锻模和下模相对旋转从而对坯料进行反复多圈旋转锻造，每一圈旋转锻造的压下量均大于上一圈的压下量，当坯料被锻造成设计形状后，旋转锻造结束。

当以上上锻模和下模绕其中心轴相对旋转时可以采用两种方式：第一种是使下模不动，上锻模绕其中心轴旋转；第二种是使上锻模不动，下模绕其中心轴旋转。

基于以上所述的旋转锻造方法，本发明提出了一种实现该种锻造方法的锻造装置，下面结合附图对该种锻造装置进行详细描述：参见图2、图3和图4，本发明提出的锻造装置，包括水平设置的上模组件以及设置于上模组件正下方的下模3，上模组件包括一上模板1.1，上模板1.1的下端面中部设有一水平的旋转盘1.2，所述旋转盘1.2通过连接轴5、大螺母8和键7使旋转盘1.2平行且紧贴上模板1.1的下端面，上模板1.1的下端面中心位置设有圆形凹槽，该圆形凹槽口固定设有环形压圈1.4，旋转盘1.2通过连接轴5、大螺母8和键7使旋转盘1.2平行且紧贴上模板1.1的下端面，环形压圈1.4中心孔上设有圆柱滚子轴承6，连接轴5安装于圆柱滚子轴承6上，其通过环形压圈1.4和圆柱滚子轴承6将旋转盘1.2装配于上模板1.1上，并且连接轴5和旋转盘1.2通过键7进行连接，使两者同步转动。圆柱滚子轴承6使旋转盘1.2易于沿回转轴转动。

旋转盘1.2可以通过外部驱动设备驱动，在旋转盘1.2的外侧设有外齿圈(图中未画出)，该齿圈通过齿轮或链条啮合的方式与驱动设备连接。旋转盘1.2的下端面通过螺栓固定设有旋转锻模1.3，旋转锻模1.3的中心轴与旋转盘1.2的回转轴同轴。

参见图4，本发明的旋转锻模1.3可以由一条或者多条矩形长条状锻模组件构成，其中每一条矩形长条状锻模组件的垂直截面的下轮廓与被加工的大型盘类工件的中心截面的上轮廓相同。本发明给出以下旋转锻模1.3三种结构方案：当旋转锻模1.3由一条矩形长条状锻模组件构成时，如图4中的(a)图，该旋转锻模1.3的中心轴是垂直于长条状锻模组件轴向且过其中心的轴。

当旋转锻模1.3由两条矩形长条状的锻模组件相互垂直构成时，如图4中的(b)图，该种旋转锻模1.3呈“十字”形且为一体式结构。

当旋转锻模1.3由三条矩形长条状锻模组件相互均匀交叉构成时，如图4中的(c)图，三条矩形长条状锻模组件之间的夹角相同，并且该旋转锻模1.3呈一体式结构。

图1是两种典型盘类件的分步旋转锻造成形过程，其中(a)图为离心风机用叶轮轮盘，由a1-a4；(b)图为离心风机用叶轮盖盘，由b1-b4。

以下结合以上所述的旋转锻造方法和用于实现该方法的其中一种锻造装置，对本发明的锻造机理以及装置的工作过程进行分析说明：本发明图2所示锻造装置的工作过程按照如下步骤进行：(1)坯料准备采用金属变形前后的体积不变原理和几何造型技术对零件进行分析，确定出锻造用坯料的形状和尺寸(如图1的a1或b1)。进而，通过有限元分析软件对旋转锻造过程进行分析，明确金属局部变形过程中的流动情况，确定出预锻件中分流槽4的构型(如图1的a2或b2)。再将锻造前坯料重量和最终零件重量进行对比例如图1中m_a1∶m_a4或m_b1∶m_b4(m_a1、m_a4、m_b1、m_b4分别是坯料a1、a4、b1、b4的重量)，即可得出材料利用率以及机械加工量。大型盘类件材料可为碳钢、不锈钢、钛合金、高温合金等。将材料加工成圆板或圆形坯料，然后加热到坯料金属材料的始锻温度。

(2)预先锻造出分流槽4分流槽4预锻件的成形可以采用分步旋转锻造，也可以采用整体模锻，或者采用机械加工的方法直接把分流槽加工出来。典型的分流槽4预锻件形状如图1所示，分流槽4为在预锻件上表面或上下表面所存在的环形槽，该槽的起始直径与盘类件厚度变薄处直径基本相同，其深度和盘类件外侧壁厚有关，壁厚越薄，则分流槽越深，且位于分流槽下方的坯料最小厚度应与最终锻件在该位置的厚度相同，其具体形状通过锻造过程有限元分析获得。成形完成后获得预锻坯料2，再加热坯料2至始锻温度。

(3)安装锻造装置、定位坯料2将上模板1.1安装到压力机上滑块上，将下模3安装到压力机下滑块上，将坯料2放置于下模3上。

(4)分步旋转锻造压力机推动上模板1.1下压，使旋转锻模1.3以压下量H₁锻造工件的局部(压下量H₁应小于坯料厚度的8％)，成形后旋转锻模1.3升起，使旋转锻模1.3在旋转盘1.2的带动下绕着中心轴旋转一角度α，紧接着再次使旋转锻模1.3以压下量H₁锻造工件局部，当旋转锻模1.3绕着中心轴旋转锻造一圈后，改变旋转锻模1.3的压下量，使旋转锻模1.3以压下量H₂再次绕着中心轴旋转锻造一圈，所述压下量H₂大于压下量H₁；(如压下量H₂是坯料厚度的12％)如此使旋转锻模1.3进行反复多圈旋转锻造，每一圈旋转锻造的压下量均大于上一圈的压下量，当坯料被锻造成设计形状后，旋转锻造结束。

以下进一步表述本发明所述的分步旋转锻造方法：综上所述，结合图5所示的本发明的主要工艺框图，在准备坯料时(即制坯时)，当坯料较厚时(如厚度大于100mm)可以采用传统的锻造工艺制备，当坯料较薄(如厚度小于100mm)可以直接在轧制好的板上进行切割。然后将坯料在加热炉中加热到始锻温度后进行分流槽的锻造成形，可以采用整体锻造方法或旋转锻造方法，还可以采用机械加工方法来加工分流槽。接下来在旋转锻模1.3旋转一周锻造过程中，其向下的压下量是一定的(如：坯料厚度的5％，该数值应小于坯料厚度的8％)，锻造中上模每次旋转的角度α小于arctan(b/d)，其中b为组成旋转锻模1.3的矩形长条状锻模组件的宽度，d为锻造过程中坯料的直径。当进行下一周锻造时，增加旋转锻模1.3的压下量(如：坯料厚度的10％)，再进行旋转锻造。如果，在旋转锻造过程中，坯料的温度小于终锻温度，则需将坯料再进行加热，直至旋转锻造完成。需要注意的是，在锻造完成时，应令旋转锻模1.3再旋转锻造一周，此时压下量不再增加，只起到整形作用。当成形工件尺寸满足设计要求，旋转锻造完成。由于旋转锻造成形是局部成形，因此锻造过程中可能会出现翘曲现象，为了消除翘曲可采用垂直旋转模具的下压方式，如在完成一次下压后，旋转上模具90度进行第二次下压，直至锻造一圈过程的完成。为了消除锻造翘曲现象，还可以采用如图4(b)、(c)所示的两种旋转锻模构型，这是由于采用长条状上模具压下后，坯料外侧在沿和模具中点的垂线方向翘曲最严重，通过采用“十字”或“*”形上模具构型，可以抑制翘曲的出现。当锻造完成后，采用机械加工的方法，对锻件进行粗加工和精加工，直至加工出满足尺寸要求的零件。

采用该旋转锻造方法成形出的盘类件为轴对称结构，且中部厚度要大于边部。盘类件可为中心实心的圆饼结构，也可为中心有孔的圆环结构，采用分步旋转锻造成形的典型零件结构如图6所示。