铝合金锥形环锻件的辗轧成形方法

专利名称：铝合金锥形环锻件的辗轧成形方法
技术领域：
本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法，特别是涉及了铝合金锥形环锻 件的辗轧成形方法。
背景技术：
采用铝合金(如美国材料牌号2618等)制造的民用航空发动机的锥形环锻 件，如内圈等部件由于长期在高空、高压下丄作，要求锻件具有较好的力学性 能及组织稳定性。"大型锥形环件成型制造新工艺及其数值模拟"(王泽武等，《核动力工程》， 第28巻第2期，第69 72页，2007年4月)文公开了一种锥形环件的成形 T-艺，该工艺包括制坯、加热、轧制及后续加T.。采用该丁艺轧制普通碳素钢 的锥形环件时是把轧环机的主辊、芯辊和抱辊加工成锥形后再把锥形环坯轧制 成锥形环件的。采用该工艺轧制锥形环件，由于是靠主辊、芯辊和抱辊的锥面 形状来确定锥形环件的锥面形状，靠锥辊来轧制其高度，因此，只能轧制内外 环面为平整面的简单锥形环件(如该文图示的那样)，而且对于锥度或高度不一 样的锥形环件，需要更换辊型，正如该文所指出的"锥形环件不同于矩形截面环 件，在轴向上环件有一定斜度，需要重新设计主辊、芯辊和抱辊"。由此可知， 采用该工艺不可能轧制出内外环面为复杂曲面的锥形环件，而目-轧制不同形状 的简单锥形环件时频繁更换辊型将会增加制造成本、延长生产周期和不利于设 备的维护保养。上述锥形环件成型制造新工艺并未公开轧制铝合金锥形环锻件的具体工艺歩骤，若采用该工艺轧制铝合金锥形环锻件，存在的问题如下不能轧制环面为复杂曲面并沿零件外形呈流线分布的锥形环锻竹，因此， 当需要轧制环面为复杂曲面的锥形环锻件时，只能靠增大加工余量的方法先轧 制成该文所公布的环面为平整面的锥形环锻件，再通过机加工成环面为复杂曲面的锥形环锻件。这样加工而成的锥形环锻件，环锻件毛坯的加工余量大，锻件尺寸精度较差，锻件的外形流线不能沿零件外形分布；由于加工量较大，既 费时费力和浪费大量的贵重铝合金材料，又切断了锻件的外形流线从而对锻件 的组织和性能产生不利影响。轧制铝合金锥形环锻件时，从合金棒料到最终轧制成锥形环锻件，合金的 变形量对环锻件的组织和性能影响很大，由于铝合金的塑性较差，其变形量选 择不准，将会造成环锻件晶粒粗大、轧裂、轧伤、易产生飞边等缺陷，从而影 响锻件的交付和使用。有鉴于此，本发明提供了一种铝合金锥形环锻件的辗轧成形方法。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种准确的变形量来实现铝合金锥形环锻 件精确辗轧成形的方法，采用该方法辗轧的锥形环锻件沿零件外形呈流线分布， 并具有优良的组织和性能。为解决上述技术问题，本发明所述铝合金锥形环锻件的辗轧成形方法，其 技术方案包括以下步骤把按规格下料的铝合金棒料加热到变形温度，经镦粗使其变形65% 70% 得到实心圆饼；把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30% 35% 后得到空心圆饼；加热所述空心圆饼到变形温度后使其被马架扩孔变形35% 40%后得到矩 形环坯;把所述矩形环坯加热到变形温度后装进胀形模内被胀形变形10% 15% 后得到锥形预轧坯；加热所述锥形预轧坯到变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所 述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的锥形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型形状 变形40% 45%，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧成锥形环锻件。当构成上述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是曲面时，辗轧成形的锥形环锻件的环面为曲面；当构成卜.述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是平整面时，辗轧 成形的锥形环锻件的环面为平整面。辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s 15mm/s，受到的径向轧 制力是20000 kg 120000kg。与现有技术相比，本发明的有益效果如下-本发明把按规格下料的铝合金棒料从镦粗、冲孔、制矩形环坯、制锥形预 轧坯到辗轧成锥形环锻件的整个工艺过程，通过选用准确的变形量和使用辗轧 模具来使锥形环锻件成形，获得了组织均匀和性能优良的锥形环锻件。以美国 材料牌号为2618的铝合金为例，经检测该合金锥形环锻件不同部位的金相低倍 组织，未发现有粗晶、裂纹、伤痕、縮孔等缺陷；经检测该合金锥形环锻件不 同部位的金相高倍组织，获得了晶粒均匀的组织；经检测该合金锥形环锻件的 室温拉伸性能，其抗拉强度为430MPa 452MPa(大于使用要求的397MPa)，其 伸长率为0.2%时的屈服强度为365MPa 387MPa (大于使用要求的283MPa), 其断后伸长率为6.5% 9% (大于使用要求的6%);经检测该合金锥形环锻.件 的布氏硬度为150，满足了使用要求；从该合金锥形环锻件的理化检测结果可知， 采用上述方法辗轧成形的该合金锥形环锻件取得了预料不到的技术效果，大大 满足了其使用要求。本发明还通过在轧环机上安装辗轧模具来实现铝合金锥形环锻件的辗轧成 形，即在轧环机的芯辊上安装芯辊模，在其主辊上安装主辊模，芯辊模与主辊 模合模后能够形成用于辗轧锥形环锻件的锥形孔型，从而把锥形环锻件的成形 方式山主辊、芯辊和锥辊辗轧成形改进为主要山模具辗轧成形，并且通过改变 构成所述锥形孔型的辗轧模具的锥形面的形状，便可辗轧成形不同环面形状的 锥形环锻件，从而使该模具能辗轧出环面为曲面或平整面的锥形环锻件。并且，采用本方法辗轧铝合金锥形环锻件，可以获得沿零件外形分布的环面 为复杂曲面流线的锥形环锻件，提高了锥形环锻件的尺寸精度，从而可以实现 精确轧制，减少锥形环锻件的机械加工余量和贵重铝合金材料的浪费；当辗轧不同环面形状的环锻件时，只需更换辗轧模具上形成所述锥形孔型的模块即可， 而不必更换轧环机的主辊、芯辊和抱辊等部件，从而可以降低锥形环锻件的制 造成本、縮短生产周期并有利于设备的维护保养。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。 图1是矩形环坏的制坯工艺流程图。图2是锥形预轧坯的制坯工艺流程图。图3是锥形预轧坯装进辗轧模具的结构图。图4是锥形预轧坯辗轧成锥形环锻件的工艺过程图。图5是图4所示的辗车L工艺过程的俯视方向示意图。图6是辗轧成形的锥形环锻件沿其中心线的纵剖面图。图7 (a)是图6所示a部位的金相低倍组织图。图7 (b)是图6所示b部位的金相低倍组织图。图7 (a')是图6所示a部位的金相高倍组织图。图7 (b')是图6所示b部位的金相高倍组织图。图8 (a)是第二种结构的辗轧模具孔型图。图8 (b)是采用图8 (a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心 线的纵剖面图。图9 (a)是是第三种结构的辗轧模具孔型图。图9 (b)是采用图9 (a)所不的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心 线的纵剖面图。图10 (a)是第四种结构的辗轧模具孔型图。图10 (b)是采用图10 (a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中 心线的纵剖面图。
具体实施方式
实施本发明所述的铝合金锥形环锻件的辗轧成形方法需要提供锻造加热炉、压力机、轧环机、机械手等设备。下面以美国材料牌号为2618的变形铝合金为例来详细说明该方法的
具体实施例方式该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为含Si量0.10% 025%、含 Fe量0.90% 1.30%、含Cu量1.90% 2.70%、含Mg量1.30% 1.80%、含Zn 量小于0.10%、含Ti量0.04% 0.10°/o、含Ni量0.90% 0.12°/o、此外还含有其 他微量元素(单个小于0.005%、总和余量小于0.15%)、余量为A1。该合金从棒料到生产山合格的锥形环锻件的工艺步骤如下 步骤l:矩形环坏的制坯。如图1所示，把按规格下料的2618铝合金棒料 1在锻造加热炉内加热到440'C 460。C的变形温度，在锻压机上镦粗使其变形 65% 70%得到实心圆饼2，接着把实心圆饼2用冲头4冲出中心孔得到空心圆 饼3，所述空心圆饼3的内径尺寸是其外径尺寸的30% 35%;把空心圆饼3再 加热到上述变形温度后采用马架扩孔使其变形35% 40%后得到矩形环坯5。采 用上述变形方式制作的矩形环坯5能够获得均匀的组织，避免产生晶粒粗大、 裂纹等缺陷。步骤2:锥形预轧坯的制坯。如图2所示，在压力机的上砧座8的底面装有 胀形模上模6，在压力机的下砧座9的上面装有胀形模下模7。把矩形环坯5加 热到44(TC 46(TC后装进所述下模7内，开启压力机使所述上模6从矩形环坯 5的内环而挤压该环坯5使其变形10% 15%后所述上、下模6和7合模，脱模 并修整后得到锥形预轧坯10。采用该变形方式制作的锥形预轧坯IO，由于变形 量小，变形方式主要为径向挤压成形，操作时只需使用较小的压力就可使该预 轧坯10成形，并且成形性较好。步骤3:锥形环锻件的辗轧成形。先把锥形预轧坯10在锻造加热炉内加热 到440。C 460'C后装进由主辊模和芯辊模组成的辗轧模具，如图3所示，用机 械手把该预轧坯10套装在芯辊模的内型模块16上并平放在轧环机的底盘上(图 中未示出)，所述芯辊模由内型模块16、芯套21、压环22通过螺母23和芯辊键24固定在芯辊12上；启动轧环机使其主辊13按图3所示方向旋转，然后使 芯辊12向主辊13方向平移靠近主辊13后芯辊模与主辊模合模，所述主辊模由 下端盖19、外型模块17、上端盖18通过主辊套20和主辊键25固定在主辊13 上，所述内型模块16和外型模块17的外周而与所述上、下端盖18和19围成 锥形孔型11，预轧坯10的纵向截面处于该锥形孔型11内；同时由轧环机驱动 上、下锥辊14和15按图3所示方向转动并准备夹持住预轧坯10的上、下端面， 使轧环机的两个抱辊26(如图5所示)扶持住预轧坯10外周面的底部大圆周面； 主辊13驱动预轧坯10、芯辊12和两个抱辊26按图4和图5所示的方向转动， 这时转动的上、下锥辊14和15夹持住转动的预轧坯10的上、下端面与其一起 转动；芯辊12沿径向朝主辊13方向作进给运动使芯辊12和主辊13以20000kg i20000kg的轧制力在其锥形孔型11内辗轧预轧坯10，预轧坯10以2mm/s 15mm/s的速度沿径向展宽，其壁厚逐渐减小，上、下锥辊14和15以及两个抱 辊26随着预轧坯10的径向展宽而外移；预轧坯10在锥形孔型11内被辗轧产 生连续局部塑性变形40% 45%后成为锥形环锻件27，所有转动部件停止后移 开主辊13、锥辊14和15、两个抱辊26以及压在芯辊12顶部的轧环机悬臂， 用机械手从芯辊顶部取出的锥形环锻件27。在上述步骤1至步骤3中，该合金的终轧或终锻温度不小于350°C 。 如图6所示，锥形环锻件27的外环面是由其上部c的外环直面、中部d的 外环斜面以及下部e的外环斜面通过圆弧自然过渡连接在一起的曲面，其内环 面是由其上部c的内环直面、中部d的内环斜面以及下部e的内环斜面通过圆弧 自然过渡连接在一起的曲面。按照GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》检测，该合金锥形环锻件的 室温抗拉强度为430MPa 452MPa，其伸长率为0.2%时的屈服强度为365MPa 387MPa，断后伸长率为6.5% 9%。按照GB/3247《铝及铝合金加工制品低倍组织检验方法》捡测，该锥形环锻 件的金相低倍组织如图7 (a)和图7 (b)所示，其中图7 (a)和图7 (b)的试 样分别是取自图6中的a和b和，在上述低倍组织图上均未发现有粗晶、裂纹、缩孔等缺陷。按照GB/3246《铝及铝合金加工制品显微组织检验方法》检测，该锥形环锻 件的金相高倍组织(显微镜下放大100倍)如图7 (a ')和图7 (b ')所示， 其中图7 (a')和图7 (b')的试样分别是取自图6中的a和b部位，从上述 高倍组织图上可以看出其晶粒均匀，未见粗晶。按照GB/231《金属布氏硬度试验方法》检测，该锥形环锻件的布氏硬度为150。上述理化检测结果表明，采用上述方法辗轧成形的2618铝合金锥形环锻件 具有优良的内部组织和性能，完全满足了该合金锻件的使用要求。图8 (a)示出了轧制图8 (b)所示的锥形环锻件27a的辗轧模具的锥形孔 型1"的结构，在图8 (a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模块 17分别换成内型模块163和外型模块17a即可，辗轧成形的锥形环锻件273的内 外环面均为平整面。图9 (a)不出/轧制图9 (b)所不的锥形环锻件27b的辗轧模具的锥形孔 型llb的结构，在图9 (a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模块 17分别换成内型模块16b和外型模块17b即可。锥形环锻件27b的外环面是由其 上部c'的凸起环的外环面、中部d'的外环斜面以及下部e'的凸起环的外环面通 过圆弧自然过渡连接在一起的复杂曲面，其内环面是由上部c'的内环直面和中 部d'、下部e'的内环斜面通过圆弧自然过渡连接的曲面。图10 (a)示出了轧制图10 (b)所示的锥形环锻件27e的辗轧模具的锥形 孔型ir的结构，在图10(a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模 块！7分别换成内型模块i6e和外型模块176即可。辗轧成形的锥形环锻件27e， 其内环面是由该锻件g、 i、 k部位的内环直面和h、 j部位的内环斜面以g、 h、 i、 j、 k部位的顺序通过圆弧自然过渡连接的曲面，其外环面是由该锻件g、 i、 k 部位的外环直面和h、 j部位的外环斜面以g、 h、 i、 j、 k部位的顺序通过圆弧自 然过渡连接的曲面。从图8 (a)、图9 (a)和图10 (a)可以看出，采用上述辗轧成形方法和辗轧模具辗轧不同截面的铝合金锥形环锻件是很方便的。当辗轧成形的锥形环锻件的锥度不大时，十.述步骤2的锥形预轧坯可以通过机加出一定的斜度获得， 或直接用矩形预轧坯替代该锥形预轧坯辗轧成锥形环锻件。本发明所述的辗轧 成形是把环锻件的预轧坯通过辗轧模具轧制成环锻件的成形方式。
权利要求
1. 一种铝合金锥形环锻件的辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤把按规格下料的铝合金棒料加热到变形温度，经镦粗使其变形65％～70％得到实心圆饼；把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后得到空心圆饼；加热所述空心圆饼到变形温度后使其被马架扩孔变形35％～40％后得到矩形环坯；把所述矩形环坯加热到变形温度后装进胀形模内被胀形变形10％～15％后得到锥形预轧坯；加热所述锥形预轧坯到变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的锥形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型形状变形40％～45％，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧成锥形环锻件。
2. 按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于构成所述锥形孔型 的辗轧模具的锥形面是曲面。
3. 按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于构成所述锥形孔型 的辗轧模具的锥形面是平整面。
4. 按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于所述预轧坯沿径向 的展宽速度是2 mm/s 15mm/s。
5.按照权利要求1或4所述的辗轧成形方法，其特征在于所述预轧坯受 到的径向轧制力是20000kg 120000kg。
全文摘要
本发明公开了一种铝合金锥形环锻件的辗轧成形方法，为获得组织和性能优良的该合金锥形环锻件和实现精确轧制，该方法包括以下步骤合金棒料经加热镦粗变形65％～70％制成实心圆饼再冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后制成空心圆饼；空心圆饼经加热被马架扩孔变形35％～40％后制成矩形环坯并把该环坯加热装进胀形模内胀变形10％～15％后制成锥形预轧坯；锥形预轧坯经加热装进轧环机辗轧模具并在该模具的锥形孔型内被辗轧变形40％～45％后成形为锥形环锻件。辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s，受到的径向轧制力是20000kg～120000kg。该方法主要用于航空发动机锥形环锻件的成形，采用该方法可以获得沿零件外形呈流线分布的环面为复杂曲面的锥形环锻件。
文档编号B21H1/06GK101279348SQ20081006872
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者涛 何, 刘志棋, 涛 吴, 红 周, 夏欲民, 捷 宋, 崔一平, 衡 张, 段忠园, 毅 舒, 魏志坚 申请人:贵州航宇科技发展有限公司;贵州安大航空锻造有限责任公司