高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法
2023-10-19 04:22:47 2
高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法
【專利摘要】本發明公開了一種高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法，其步驟為：把預熱的模套固定在脹形機的工作檯上，再把加熱的高溫合金矩形截面環形件套裝在脹形機內經預熱的脹形塊外圍，使其處於由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的環形空間內；啟動脹形機使脹形塊從該環形件的內圓周表面沿徑向擠壓該環形件並變形12%～15%後被擠壓到模套的內環面內，充滿了由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔，經保壓後成為異形截面環形件。該方法採用一次大變形量脹形成形，簡化了操作，獲得了尺寸精度高、產品質量好、生產率高的脹形異形截面環形件。該異形截面環形件主要用於航空航天等領域使用的筒形殼體等迴轉體零部件。
【專利說明】高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種環件的脹形方法，特別是涉及了高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法。
【背景技術】
[0002]在環形件成形【技術領域】，隨著航空、航天、船舶、核能、燃氣輪機、風力發電等行業的發展對環形件高可靠性、高壽命和低成本的要求，對環形件的成形尺寸精度、組織及性能也提出了較高的要求，環形件成形朝著優質、精密、高效、環保、低成本的方向發展。
[0003]高溫合金矩形截面環形件(指縱截面是矩形截面的環形件)或異形截面環形件(指縱截面是非矩形截面的環形件)採用環軋機軋制後，由於受軋制工藝及設備局限性的影響，其尺寸精度一般不高；只有在環形件形狀較理想和設備性能較優異的情況下，其尺寸精度才能達到相應尺寸的3%。?5%。(千分之三至千分之五)，而且軋制後的環形件由於應力較大，在後續加工工序中如果控制不好易產生翹曲、變形甚至開裂等缺陷。
[0004]2012年6月27日公開的中國發明專利說明書CN 102513442A公開了一種高溫合金矩形環軋件熱脹形成形為異形環件的方法，所述矩形環軋件即為矩形截面環形件，所述異形環件即為異形截面環形件。該方法把加熱的高溫合金矩形環軋件裝進脹形機，通過對脹形機的芯軸滑塊施加軸向拉力使其沿軸向向下移動並沿所述徑向滑塊的內孔錐面擠壓徑向滑塊使各徑向滑塊沿徑向同步移動擴散，裝在徑向滑塊外圓周面上的脹形塊從矩形環軋件的內圓周表面沿徑向擠壓矩形環軋件使其發生內、外徑尺寸擴大及壁厚減薄的塑性變形，經過一次大變形和連續三次小變形，所述高溫合金矩形環軋件被脹形塊脹形成形為異形環件。該方法採用開放式脹形方式脹形成形的高溫合金異形截面環形件存在以下問題:第一，僅僅是所述環形件的內徑尺寸精度能夠達到內徑尺寸的1%。?2%。，對於所述環形件的外徑及高度的尺寸精度則無法達到該尺寸精度，因為在脹形過程中所述環形件的外徑及高度的尺寸精度是不受控的，不能通過該脹形方法來提高其尺寸精度；第二，在採用該方法把矩形截面環形件脹形成異形截面環形件的過程中，由於矩形截面環形件的下半部先受到來自於脹形塊的脹形力作用，其下半部先被脹形變薄，金屬從其下半部向其上半部流動，控制不好容易造成上半部金屬堆積過多使脹形成形的異形截面環形件壁厚不均勻，嚴重時會造成異形截面環形件的上半部產生鼓包等缺陷而報廢；第三，該方法通過一次大變形脹形和連續三次小變形脹形，以及三次旋轉來把矩形截面環形件脹形成異形截面環形件，每次脹形都要通過調節和控制大量的工藝參數才能實現，其工序較為繁瑣，生產率低，能源消化大，生產準備時間和生產周期較長，對設備的要求也較高，實際生產過程中不利於控制產品質量和組織大批量生產，很難獲得優質、精密、高效、環保和低成本的環形件。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種採用模套來實現高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法，該方法通過一次大變形對所述高溫合金矩形截面環形件進行脹形，簡化了操作，獲得了尺寸精度高、產品質量易於控制、有利於組織大批量生產和生產率高的脹形異形截面環形件。
[0006]為解決上述技術問題，本發明所述高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法，其技術方案包括以下步驟:
[0007]把預熱到350°C?380°C的模套固定在脹形機的工作檯上並與芯軸滑塊同心，再把加熱到950°C?980°C的高溫合金矩形截面環形件套裝進脹形機，使其內環面套在經預熱到350°C?380°C的脹形塊的外圓周面外圍，所述矩形截面環形件處於由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的環形空間內，所述脹形塊的外圓周面具有與最終脹形成形的異形截面環形件的內圓周面相配合一致的形狀，所述模套的內圓周面具有與最終脹形成形的異形截面環形件的外圓周面相配合一致的形狀，此時，徑向滑塊處於合攏狀態；
[0008]啟動脹形機對芯軸滑塊施加軸向拉力F使其沿軸向向下移動並沿所述徑向滑塊的內孔錐面擠壓徑向滑塊使各徑向滑塊沿徑向同步移動擴散，裝在徑向滑塊外圓周面上的脹形塊從矩形截面環形件的內圓周表面沿徑向擠壓該矩形截面環形件，矩形截面環形件發生內、外徑尺寸擴大及壁厚減薄的塑性變形，當其脹形變形量達到12%?15%時被擠壓到模套的內環面內，充滿了由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔，經保壓後成為異形截面環形件；
[0009]所述矩形截面環形件的脹形溫度為950°C?980°C，脹形時間按矩形截面環形件的壁厚X 0.8 s/mm?1.2s/mm計算,保壓時間按異形截面環形件的壁厚X 20 s/mm?40s/mm計算；
[0010]脹形結束後，向上移動芯軸滑塊，合攏徑向滑塊，拆卸並取出模套後取出經脹形後的異形截面環形件。
[0011]所述高溫合金材料牌號是GH4169。
[0012]脹形過程中，所述脹形機對芯軸滑塊施加的軸向拉力F按下式計算確定:
[0013]F = ξ X Q02XS
[0014]式中:
[0015]ξ—脹形機脹形係數，本發明取1.26?1.52 ;
[0016]σα2——脹形溫度下高溫合金材料的屈服強度(MPa)，GH4169合金取350 MPa?400MPa ；
[0017]S —矩形截面環形件或異形環坯的縱截面面積(mm2)。
[0018]採用上述方法脹形成形的異形截面環形件，其內徑尺寸範圍為Φ400πιπι?Φ 4500mm,壁厚為 IOmm ?200mm,高度為 40mm ?750mm。
[0019]與現有技術相比，本發明的有益效果如下:
[0020]本發明把所述矩形截面環形件置於由脹形機上的脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的環形空間內，通過採用12%?15%大變形量把矩形截面環形件擠壓到由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔內一次性脹形成為異形截面環形件，實現了封閉式脹形。
[0021]相對於現有技術的開放式脹形而言，本發明採用閉式脹形方式在脹形過程中能夠使所述矩形截面環形件內徑、外徑和高度尺寸處於受控狀態，不僅可以提高異形截面環形件的內徑尺寸精度，而且也可以提高其外徑和高度的尺寸精度，即可以使整個異形截面環形件的所有尺寸精度得到提高，從而實現了精密脹形成形。
[0022]在採用閉式脹形方式脹形的過程中，由於受脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔的限制，可以避免矩形截面環形件內的金屬從其下半部向其上半部大量流動，從而克服其上半部金屬堆積過多使脹形成形的異形截面環形件壁厚不均勻、產生鼓包等缺陷，提聞了廣品質量。
[0023]本發明通過一次大變形量脹形成形，大大簡化了脹形工藝，降低了對脹形設備的要求，在實際生產過程中不僅能夠節約能源、降低成本、提高生產率，而且易於控制產品質量和實現大批量生產，能夠獲得優質、精密、高效、環保和低成本的環形件。
[0024]本發明在脹形過程中脹形時間按矩形截面環形件的壁厚X0.8 s/mm-1.2s/mm計算，能夠根據脹形時間合理地控制脹形塊的脹形速度，使矩形截面環形件內的金屬流動較為順暢，有利於充滿所述封閉型腔；保壓時間按異形截面環形件的壁厚X20 s/mm-40s/mm計算，有利於所述異形截面環形件在所述封閉型腔內充分變形、降溫和取模。所述脹形時間和保壓時間的精確計算，還能夠使產品生產時間處於受控狀態。
[0025]經檢測該高溫合金異形截面環形件的內徑、外徑和高度的尺寸精度，分別達到了所述內徑、外徑和高度尺寸的1%。-2%。;經檢測該合金異形截面環形件的內部組織，未發生顯著變化，而且無壁厚不均、鼓包等缺陷；經機械加工後檢測該合金異形截面環形件的內、外環面及上、下底面，未發現有裂紋。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0027]圖1是矩形截面環形件沿其中心線的縱剖面圖。
[0028]圖2是安裝有模套的脹形機結構簡圖。
[0029]圖3是矩形截面環形件的裝機示意圖。
[0030]圖4是矩形截面環形件熱脹形成形為異形截面環形件的過程示意圖。
[0031]圖5是脹形塊脫離脹形後的異形截面環形件的示意圖。
[0032]圖6是脹形後的異形截面環形件沿其中心線的縱剖面圖。
【具體實施方式】
[0033]實施本發明所述的高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法需要提供脹形機、鍛造加熱爐、機械手等設備。下面以材料牌號為GH4169的高溫合金為例來詳細說明該方法的【具體實施方式】:
[0034]現有技術中給出的該合金的主要化學元素含量(重量百分比)為:含C量< 0.08%、含 Cr 量 17.0% -21.0%、含 Ni 量 50.0% -55.0%、含 Co 量≤ 1.0%、含 Mo 量 2.80% -3.30%、含 Al 量 0.30% -0.70%、含 Ti 量 0.75% -1.15%、含 Nb 量 4.75% -5.50%、含 B 量≤ 0.006%、含Mg量≤0.01%、含Mn量≤0.35%、含Si量≤0.35%、含P量≤0.015%、含S量≤0.015%、含Cu量≤0.30%、含Ca量≤0.01%、含Pb量≤0.0005%、含Se量≤0.0003%、餘量為Fe。
[0035]現有技術中給出的用於實施本發明所述熱脹形方法所用的脹形機的結構簡圖如圖2所示，該脹形機主要由芯軸滑塊1、徑向滑塊2、脹形塊3、工作檯4及導軌5組成。芯軸滑塊I呈圓錐形並套裝在徑向滑塊2內與徑向滑塊2的錐形內圓周面配合，芯軸滑塊I可由脹形機的液壓缸帶動在徑向滑塊2內沿軸向上下移動並擠壓徑向滑塊2 ;徑向滑塊2安裝在脹形機的導軌5上並可沿導軌5徑向來回移動，徑向滑塊2從圖2俯視方向看是12塊分開的扇形塊形狀，各扇形塊的外圓周面上分別固定安裝有脹形塊3，各扇形塊合攏時與脹形塊3 —起可以形成一個圓環形狀；當芯軸滑塊I在徑向滑塊2內沿軸向向下移動時可使各徑向滑塊2沿徑向同步移動擴散使脹形塊3達到脹形環件的目的，當芯軸滑塊I在徑向滑塊2內沿軸向向上移動時脹形機可驅動各徑向滑塊2沿徑向同步移動合攏使脹形塊3脫離脹形後的環件，脹形塊3在脹形過程中具有實時測量環件內徑尺寸並把測量數據傳送到脹形機的顯示器上的功能；此外，在該脹形機的工作檯4上還有可驅動環件在該工作檯上沿中心軸線旋轉的導輥(圖中未示出)。
[0036]此外，如圖2所示，實施本發明還需要在脹形機上安裝可拆卸的模套30，模套30呈異形截面環形狀，在其上端面上具有園形通孔31，該模套30的內圓周面與如圖6所示的最終脹形成形的異形截面環形件20的外圓周面形狀相同，脹形時需把模套30固定在脹形機的工作檯4上並與芯軸滑塊I同心，脹形結束後時，需把模套30從脹形機的工作檯4上拆卸後取模。
[0037]該合金從矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的工藝步驟如下:
[0038]步驟1:裝機。
[0039]如圖3所示，把模套30預熱到350°C?380°C後固定在脹形機的工作檯4上並與芯軸滑塊I同心，並預熱脹形機上的脹形塊3到350°C?380°C，再把如圖1所示的GH4169合金矩形截面環形件10加熱到950°C?980°C後套裝進脹形機，使其內環面套在脹形塊3的外圓周面外圍，矩形截面環形件10處於由脹形塊3的外圓周面和模套30的內環面圍成的環形空間內，脹形塊3的外圓周面具有與如圖6所示最終脹形成形的異形截面環形件20的內圓周面相配合一致的形狀，模套30的內圓周面具有與如圖6所示的最終脹形成形的異形截面環形件20的外圓周面相配合一致的形狀，矩形截面環形件10的底面平放在工作檯4的上面，此時，徑向滑塊2處於合攏狀態。裝機時工件的裝運主要通過機械手操作完成。
[0040]步驟2:脹形。
[0041]如圖4所示，啟動脹形機使其芯軸滑塊I沿其軸向向下移動，芯軸滑塊I在徑向滑塊2內沿其錐形面擠壓徑向滑塊2使各徑向滑塊2沿徑向同步移動擴散，徑向滑塊2上的脹形塊3的外圓周面沿矩形截面環形件10的內圓周表面擠壓矩形截面環形件10，使矩形截面環形件10從內圓周表面到外圓周表面受到來自脹形塊3的徑向擠壓力，導致矩形截面環形件10的內圓周面沿徑向擴大，矩形截面環形件10發生內、外徑尺寸擴大，壁厚減薄的塑性變形；矩形截面環形件10被脹形塊3脹形且當其脹形變形量達到12%?15%時被擠壓到模套30的內環面內，充滿了由脹形塊3的外圓周面和模套30的內環面圍成的封閉型腔，此時停止芯軸滑塊I向下移動使脹形塊3不再作徑向運動，經保壓後獲得異形截面環形件20。
[0042]脹形時脹形機的液壓缸對芯軸滑塊I施加的軸向拉力為F，矩形截面環形件10的脹形溫度為950°C?980°C,脹形時間按矩形截面環形件10的壁厚X0.8 s/mm?1.2s/mm計算，保壓時間按異形截面環形件20的壁厚X20 s/mm?40s/mm計算。
[0043]所述脹形時間是指矩形截面環形件10從一開始被脹形至達到脹形變形量的時間；所述保壓時間是指矩形截面環形件10被脹形達變形量後在由脹形塊3的外圓周面和模套30的內環面圍成的封閉型腔內不再發生變形並最終成形為異形截面環形件20的時間。
[0044]所述矩形截面環形件10的脹形變形量的計算方法為:脹形變形量=[(異形截面環形件20的中徑尺寸一矩形截面環形件10的中徑尺寸)/矩形截面環形件10的中徑尺寸]X 100%ο
[0045]所述矩形截面環形件10的中徑尺寸=(矩形截面環形件10的內徑尺寸+矩形截面環形件10的外徑尺寸)+2。
[0046]所述異形截面環形件20的中徑尺寸=(異形截面環形件20的內徑尺寸+異形截面環形件20的外徑尺寸)+2。
[0047]步驟3:取模。
[0048]如圖5所示，脹形結束後，向上移動芯軸滑塊1，合攏徑向滑塊2並使脹形塊3脫離異形截面環形件20，從脹形機的工作檯4上拆卸掉模套30，用機械手先取出模套30，再取出異形截面環形件20，其形狀如圖6所示。
[0049]所述矩形截面環形件10在脹形過程中，所述軸向拉力F按下式計算:
[0050]F = ξ X Q02XS
[0051]式中:
[0052]ξ —脹形機脹形係數，本發明取1.26?1.52 ;
[0053]σα2——脹形溫度下高溫合金材料的屈服強度(MPa)，本發明取350 MPa?400MPa ；
[0054]S —矩形截面環形件10縱截面面積(mm2)；
[0055]上述尺寸在計算時以變形最大的尺寸為準，對於本發明而言計算時的尺寸是指矩形截面環形件10或異形截面環形件20的大頭端面即底端面的尺寸。
[0056]採用上述方法脹形的高溫合金異形截面環形件20，其內徑尺寸範圍為:Φ 400mm ?Φ 4500mm,壁厚為 IOmm ?200mm,高度為 40mm ?750mm。
[0057]本發明並不限於上述異形截面環形件20，對於不同截面的異形截面環形件只要對應把脹形塊3的外圓周面形狀和模套30的內圓周形狀加工成與所述異形截面環形件的內圓周面的形狀和外圓周面形狀相一致的形狀，採用本發明所述的方法便可脹形出不同截面的異形截面環形件。
【權利要求】
1.一種高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 把預熱到350°C?380°C的模套固定在脹形機的工作檯上並與芯軸滑塊同心，再把加熱到950°C?980°C的高溫合金矩形截面環形件套裝進脹形機，使其內環面套在經預熱到350°C?380°C的脹形塊的外圓周面外圍，所述矩形截面環形件處於由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的環形空間內，所述脹形塊的外圓周面具有與最終脹形成形的異形截面環形件的內圓周面相配合一致的形狀，所述模套的內圓周面具有與最終脹形成形的異形截面環形件的外圓周面相配合一致的形狀，此時，徑向滑塊處於合攏狀態； 啟動脹形機對芯軸滑塊施加軸向拉力F使其沿軸向向下移動並沿所述徑向滑塊的內孔錐面擠壓徑向滑塊使各徑向滑塊沿徑向同步移動擴散，裝在徑向滑塊外圓周面上的脹形塊從矩形截面環形件的內圓周表面沿徑向擠壓該矩形截面環形件，矩形截面環形件發生內、外徑尺寸擴大及壁厚減薄的塑性變形，當其脹形變形量達到12%?15%時被擠壓到模套的內環面內，充滿了由脹形塊的外圓周面和模套的內環面圍成的封閉型腔，經保壓後成為異形截面環形件； 所述矩形截面環形件的脹形溫度為950°C?980°C，脹形時間按矩形截面環形件的壁厚X0.8 s/mm?1.2s/mm計算,保壓時間按異形截面環形件的壁厚X 20 s/mm?40s/mm計算; 脹形結束後，向上移動芯軸滑塊，合攏徑向滑塊，拆卸並取出模套後取出經脹形後的異形截面環形件。
2.根據權利要求1所述的高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法，其特徵在於:所述高溫合金是GH4169。
3.根據權利要求1或2所述的高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法，其特徵在於，所述脹形機對芯軸滑塊施加的軸向拉力F按下式計算確定: F=IX Q02XS 式中: I —脹形機脹形係數，本發明取1.26?1.52 ; σ 0.2——脹形溫度下高溫合金材料的屈服強度(MPa)，GH4169合金取350 MPa?400MPa ； S —矩形截面環形件或異形環坯的縱截面面積(mm2)。
4.根據權利要求1或2所述的高溫合金矩形截面環形件熱脹形成異形截面環形件的方法，其特徵在於:所述脹形成形的異形截面環形件，其內徑尺寸範圍為Φ400πιπι?Φ 4500mm,壁厚為 IOmm ?200mm,高度為 40mm ?750mm。
【文檔編號】B21D37/10GK103433363SQ201310388841
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月1日 優先權日:2013年9月1日
【發明者】宋捷, 吳永安, 楊家典, 孫傳華, 陳學洪, 張建軍, 盧永恆 申請人:貴州航宇科技發展股份有限公司