大船用导轨模锻件的锻造方法及锻造模具

摘要

本发明提供一种大船用导轨模锻件的锻造方法及锻造模具，该锻造方法包括：将坯料进行镦粗处理，制备横截面为椭圆形的饼坯；将饼坯置于制坯模具中进行压肩分料处理，制备横截面为十字形的初坯；将初坯进行自由锻造处理，制备预锻坯；将预锻坯置于成型模具中进行模锻处理，锻造大船用导轨模锻件。本发明可以实现在较小吨位的设备上来生产较大吨位设备才能生产出的不锈钢导轨模锻件，并且提高了材料利用率，缩短了生产周期，降低了生产成本，同时保证了金属纤维流线的完整性，使模锻件的各项力学性能均可以达到设计要求。

说明书

技术领域

本发明涉及锻造技术领域，具体涉及一种大船用导轨模锻件的锻造方法及锻造模具。

背景技术

导轨是用于大船上的一种比较关键和重要的零件，采用沉淀硬化型不锈钢材料制作，其强度、韧度、力学性能、晶粒度、耐蚀性等要求很高，非金属夹杂物、低倍组织和超声波探伤等质量要求也很高。此外，导轨的结构很复杂，零件主体呈十字架结构，在零件主体的三个垂直方向均有大小不同、形状不同、宽窄不同的凹坑或凹槽，属枝芽复合类形的模锻件。因此，大船用不锈钢导轨模锻件的制造对我国的大船及国防装备的发展是非常重要。

目前，此类零件的生产方法主要有两种，一种是在锻压设备上模锻，适合大批量生产，但是这种方法中使用的模具费用高昂，锻件飞边材料损耗多，通常是锻件重量的18％左右，且生产周期长、设备投资大；另一种是采用自由锻造法锻造，先锻出简单形状后再加工成形，适合中小批量的一般零件的生产，这种方法材料利用率很低，通常仅为30％左右，加工成本高，大约70％的材料要去掉成为废料，且生产周期长、金属纤维组织被破坏，其力学性能达不到设计要求。

用于大船上的不锈钢导轨，其锻件水平投影面积约1800cm²，采用沉淀硬化型不锈钢材料制作，制作的原材料价格很高。若采用模锻锤进行模锻，需要的设备吨位为100KN，相应的模具费用昂贵，其总生产成本较高；若采用自由锻造法加工成形，其总生产成本也很高，而且其力学性能及晶粒度等也达不到设计要求。

发明内容

本发明提供一种大船用导轨模锻件的锻造方法及锻造模具，以解决现有技术中采用锻压设备进行模锻生产导轨存在的模具费用高昂、所需设备吨位大、材料损耗多、生产周期长且生产成本大等问题。

本发明的另一个目的在于解决现有技术中采用自由锻造法生产导轨存在的材料利用率低、生产成本高、生产周期长、金属纤维组织被破坏及力学性能达不到设计要求等问题。

第一方面，本发明提供一种大船用导轨模锻件的锻造方法，包括：

将坯料进行镦粗处理，制备横截面为椭圆形的饼坯；

将所述饼坯置于制坯模具中进行压肩分料处理，制备横截面为十字形的初坯；

将所述初坯进行自由锻造处理，制备预锻坯；

将所述预锻坯置于成型模具中进行模锻处理，锻造大船用导轨模锻件。

作为本发明第一方面的优选方式，所述制备横截面为椭圆形的饼坯的步骤包括：

将不锈钢棒料进行下料处理，制备高径比为2.4的坯料并加热；

将加热好的所述坯料沿轴向进行镦粗处理至高径比为1.3，然后将所述坯料进行铆镦处理，最后将所述坯料翻转90°使所述坯料的长轴沿水平方向后进行镦粗拍扁处理，制备横截面为椭圆形的饼坯。

作为本发明第一方面的优选方式，所述制备横截面为十字形的初坯的步骤包括：

将所述饼坯置于制坯模具的制坯下模中，使所述饼坯的金属纤维流线沿水平方向；

所述制坯模具的制坯上模下压，将所述饼坯镦挤成横截面为十字形的初坯，其中所述饼坯沿椭圆形短轴方向的两侧受镦挤后形成所述初坯的两个短枝，所述饼坯沿椭圆形长轴方向的两侧受镦挤后形成所述初坯的两个长枝。

作为本发明第一方面的优选方式，所述制备预锻坯的步骤包括：

将所述初坯的短枝和长枝分别进行拔长处理，经修整和校正后，制备预锻坯；其中两个所述短枝形成所述预锻坯的两个短分枝，两个所述长枝形成所述预锻坯的两个下端面为斜面的长分枝。

作为本发明第一方面的优选方式，所述制备横截面为椭圆形的饼坯的步骤、制备横截面为十字形的初坯的步骤、制备预锻坯的步骤以及锻造大船用导轨模锻件的步骤中，始锻温度为1180℃，终锻温度为900℃。

作为本发明第一方面的优选方式，所述制备横截面为十字形的初坯的步骤以及所述锻造大船用导轨模锻件的步骤中，所述制坯模具和所述成型模具的预热温度均为200～300℃。

本发明提供的大船用导轨模锻件的锻造方法，通过对锻造过程中各步骤进行优化并设计了相对应的模具，可以实现在较小吨位的设备上来生产较大吨位设备才能生产出的不锈钢导轨模锻件，并且提高了材料利用率，缩短了生产周期，降低了生产成本，同时保证了金属纤维流线的完整性，使模锻件的各项力学性能均可以达到设计要求。

第二方面，本发明提供一种大船用导轨模锻件的锻造模具，包括制坯模具和成型模具；

其中，所述成型模具包括成型上模、成型下模、活动垫块和退模垫，所述成型上模的中间位置处设有细长凸起部，所述细长凸起部的两侧对称设有方形凸起部，所述方形凸起部相背的两侧面为斜面；所述成型下模具有向下凹陷的成型下模型腔，所述活动垫块设于所述成型下模型腔下部，所述活动垫块为长条形，所述活动垫块的轴向与所述细长凸起部的轴向垂直，所述退模垫设于所述活动垫块的下方；所述成型上模、所述成型下模和所述活动垫块相结合后形成的内部腔体形状与模锻件的外部形状相同。

作为本发明第二方面的优选方式，所述成型下模中位于所述活动垫块轴向两侧的两侧面的拔模斜度均为1.5°；所述成型上模的拔模斜度为10°。

作为本发明第二方面的优选方式，所述活动垫块上沿其轴向的两侧面为斜面，所述斜面具有20°的倾斜角。

作为本发明第二方面的优选方式，所述制坯模具包括相互配合的制坯上模和制坯下模，所述制坯上模具有向上凹陷的台阶式制坯上模型腔，所述制坯下模具有向下凹陷的台阶式制坯下模型腔；所述制坯上模和所述制坯下模相结合后形成的内部腔体形状与初坯的外部形状相同。

本发明提供的大船用导轨模锻件的锻造模具，通过在制备初坯和锻造导轨模锻件的过程中设计并改进了相对应的制坯模具和成型模具，可以实现在较小吨位的设备上来生产较大吨位设备才能生产出的不锈钢导轨模锻件，并且提高了材料利用率，缩短了生产周期，降低了生产成本，同时保证了金属纤维流线的完整性，使模锻件的各项力学性能均可以达到设计要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造方法中饼坯的制备流程图；

图2为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造方法中初坯的制备流程图；

图3为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造方法中预锻坯的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造方法中预锻坯的另一结构示意图；

图5为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造方法中导轨模锻件的结构示意图；

图6为图5中沿E-E线的剖面图；

图7为图5的右视图；

图8为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造方法中导轨模锻件的立体结构示意图；

图9为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造方法中导轨模锻件的另一立体结构示意图；

图10为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造模具中成型模具的结构示意图；

图11为图10中沿A-A线的剖面图。

图12为本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造模具中制坯模具的结构示意图；

其中，1、成型上模，2、成型下模，3、活动垫块，4、退模垫，5、导套，6、导柱，7、制坯上模，8、制坯下模。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供一种大船用导轨模锻件的锻造方法，该锻造方法包括以下步骤：

101、将坯料进行镦粗处理，制备横截面为椭圆形的饼坯。

102、将饼坯置于制坯模具中进行压肩分料处理，制备横截面为十字形的初坯。

103、将初坯进行自由锻造处理，制备预锻坯。

104、将预锻坯置于成型模具中进行模锻处理，锻造大船用导轨模锻件。

本发明提供的大船用导轨模锻件的锻造方法，通过对锻造过程中各步骤进行优化并设计了相对应的模具，可以实现在较小吨位的设备上来生产较大吨位设备才能生产出的不锈钢导轨模锻件，并且提高了材料利用率，缩短了生产周期，降低了生产成本，同时保证了金属纤维流线的完整性，使模锻件的各项力学性能均可以达到设计要求。

在上述实施例的基础上，参照图1所示，步骤101，即制备横截面为椭圆形的饼坯具体可按照如下步骤实施：

1011、将不锈钢棒料进行下料处理，制备高径比为2.4的坯料并加热。

该步骤中，将不锈钢棒料在锯床上下料，制备高径比为2.4的坯料。将坯料的高径比优选为2.4，目的是增大锻造比。本实施例中，选取φ120mm的不锈钢棒料，下料后的长度为288mm，高径比为2.4。

1012、将加热好的所述坯料沿轴向进行镦粗处理至高径比为1.3，然后将所述坯料进行铆镦处理，最后将所述坯料翻转90°使所述坯料的长轴沿水平方向后进行镦粗拍扁处理，制备横截面为椭圆形的饼坯。

该步骤中，对下料后的坯料进行镦粗处理的过程中还采用了铆镦操作和变向镦粗拍扁操作，从而可保证最终锻造出的模锻件的金属纤维流线完整、分布合理。另外，现有技术中饼坯的横截面通常为矩形，本发明实施例中优选为椭圆形，这样在后续的制备初坯的过程中，材料更容易充满十字形的制坯模具中，而不需增加余料，并可以进一步保证金属纤维流线完整而没有被切断。

在上述实施例的基础上，参照图2所示，步骤102，即制备横截面为十字形的初坯具体可按照如下步骤实施：

1021、将饼坯置于制坯模具的制坯下模中，使饼坯的金属纤维流线沿水平方向。

该步骤中，将饼坯置于制坯模具的制坯下模中时需保证饼坯的金属纤维流线沿水平方向，这样当制坯上模下压对饼坯进行镦挤时，材料的金属纤维流线连续、完整。

1022、制坯模具的制坯上模下压，将饼坯镦挤成横截面为十字形的初坯，其中饼坯沿椭圆形短轴方向的两侧受镦挤后形成初坯的两个短枝，饼坯沿椭圆形长轴方向的两侧受镦挤后形成初坯的两个长枝。

该步骤中，在制坯上模和制坯下模闭合时对饼坯进行压肩分料，利用饼坯的完全对称性，在制坯模具中完成对椭圆形饼坯的准确分料。同时，饼坯在制坯模具中压肩时是受挤压力成形，金属纤维流线连续完整，解决了传统矩形饼坯压肩时受剪切力成形使金属纤维流线被切断的问题。并且，压肩时不需要增加余料，解决了传统矩形饼坯压肩时因长度不够需增加余料，而余料最后被切除变成废料的问题，有效节约了材料。

其中，本发明实施例中所述的制坯模具包括相互配合的制坯上模和制坯下模，制坯上模具有向上凹陷的台阶式制坯上模型腔，制坯下模具有向下凹陷的台阶式制坯下模型腔，制坯上模和制坯下模相结合后形成的内部腔体形状与初坯的外部形状相同。

在上述实施例的基础上，步骤103，即制备预锻坯具体可按照如下过程实施：

将初坯的短枝和长枝分别进行拔长处理，经修整和校正后，制备预锻坯；其中两个短枝形成预锻坯的两个短分枝，两个长枝形成预锻坯的两个下端面为斜面的长分枝。

该步骤中，将初坯的短枝和长枝分别进行拔长处理，主要是为后续的模锻工序做准备，可以提供形状更加合理、尺寸控制更加精确的预锻坯，保证预锻坯最终在成型模具中模锻时金属材料可完全充满模膛，使模锻件飞边在飞边的桥部充满，在飞边的仓部没有过多的飞边废料，从而节约了材料。本步骤中制备出的预锻坯的具体形状参照图3和图4所示。

步骤104，即锻造大船用导轨模锻件的步骤中，采用的成型模具包括成型上模、成型下模、活动垫块和退模垫，其中成型上模、成型下模和活动垫块相结合后形成的内部腔体形状与模锻件的外部形状相同。

该步骤中，可以实现在较小吨位的设备上生产较大吨位设备才能生产出的不锈钢导轨模锻件。将成型模具置于30KN电液锤的下砧上，依次将退模垫、活动垫块和加热好的预锻坯放入成型模具的成型下模中进行模锻。模锻完成后用操作机将成型上模取出，将成型下模翻转180°，敲击退模垫，退模垫连同模锻件及活动垫块一起从下模中退出，活动垫块与模锻件也会自动分离。最后将模锻件放置在切边模中热切边去除飞边，即完成了整个大船用导轨模锻件的生产制造过程。

该导轨模锻件的具体形状具体参照图5-图9所示，导轨模锻件上部具有一个长凹槽和两个分别对称设置在长凹槽两侧的凹坑，其下部具有两个窄长支撑腿和一个宽凹槽。其中，图8和图9为导轨模锻件的立体结构图，其更能够反映导轨模锻件结构的复杂性。该导轨模锻件模锻时是一火一次成型，保证了最终锻造时的变形量和金属纤维流线，模锻件晶粒度≥6级，导轨模锻件的质量及各项力学性能均可以达到设计要求。

在上述实施例的基础上，步骤101、步骤102、步骤103及步骤104中，始锻温度为1180℃，终锻温度为900℃。对锻造温度的精确控制，更利于材料的成形，并保证金属纤维流线的完整。

在上述实施例的基础上，步骤102中采用的制坯模具及步骤104中采用的成型模具的预热温度均为200～300℃，并采用水基石墨进行润滑。

本发明实施例还提供一种大船用导轨模锻件的锻造模具，该锻造模具包括制坯模具和成型模具。参照图10及图11所示，该成型模具包括成型上模1、成型下模2、活动垫块3和退模垫4，成型上模1的中间位置处设有细长凸起部11，细长凸起部11的两侧对称设有方形凸起部12，方形凸起部12相背的两侧面为斜面。成型下模2具有向下凹陷的成型下模型腔，活动垫块3设于成型下模型腔下部，活动垫块3为长条形，活动垫块3的轴向与细长凸起部11的轴向垂直，退模垫4设于活动垫块3的下方。成型上模1、成型下模2和活动垫块3相结合后形成的内部腔体形状与模锻件的外部形状相同。

在上述实施例的基础上，成型下模中位于活动垫块轴向两侧的两侧面的拔模斜度均为1.5°，较小的拔模斜度使打击能量更加集中，利于金属材料充满模膛，因此所需设备的吨位可减少，可实现在30KN电液锤上完成100KN模锻锤的模锻件的生产。同时，30KN电液锤无顶出装置，退模垫使模锻件在此拔模斜度下能够顺利脱模。成型上模的拔模斜度为10°，可以保证模锻件不粘成型上模，也有利于脱模。

在上述实施例的基础上，活动垫块3上沿其轴向的两侧面为斜面，该斜面具有20°的倾斜角。将成型下模2的易损部位设计为活动垫块3，易于更换，可有效延长成型模具的使用寿命。一般地，活动垫块3通常配备两件，模锻时交替使用。活动垫块3上的斜面的倾斜角设计为20°，不仅易使最终成形为模锻件上两个窄长支撑腿的部位充满，而且模锻件脱模后易使活动垫块3与模锻件自动分离，同时也使退模垫4的脱模功能得以实现。

此外，成型上模1上设有用于导向的导柱6，成型下模2上设有与该导柱6相配合的导套5。

在上述实施例的基础上，参照图12所示，制坯模具包括相互配合的制坯上模7和制坯下模8，制坯上模7具有向上凹陷的台阶式制坯上模型腔，制坯下模8具有向下凹陷的台阶式制坯下模型腔，制坯上模7和制坯下模8相结合后形成的内部腔体形状与初坯的外部形状相同。该制坯模具结构简单，四个方位均可操作，制作成本低。

最后，对本发明实施例提供的大船用导轨模锻件的锻造方法及锻造模具生产出的模锻件的材料利用率、力学性能和内部质量分别进行了检测，其检测结果分别见表1、表2和表3所示。

表1材料利用率对照表

表2本发明模锻件力学性能数据表

表3本发明模锻件内部质量数据表

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