采用附加强制冷却的锥形板镦粗法锻制锻件的工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属塑性加工领域，涉及一种附加强制冷却的锥形板镦粗法，可以增大内部静水应力，有效锻合内部缺陷，并防止出现内部裂纹。
【背景技术】
[0002]大型锻件是在液压机上进行锻造的典型锻件之一，是重型装备的核心部件之一，包括汽轮机锅炉用管板和叶轮、核反应堆压力壳平顶盖、热交换器管板、化工容器底封头等，其中有的还带有盲孔。所用原材料都是钢锭。钢锭都有其固有缺陷，如偏析、夹杂、疏松、粗大的柱状晶等。为了减少这些铸造缺陷，一方面要提高冶炼水平，另一方面还要改进锻造水平，只有这样才能生产出优质的锻件。
[0003]空洞是大锻件内部缺陷的重要形式，若空洞在热锻过程中能够闭合，则通过高温下的原子扩散和再结晶可使其进一步焊合，从而改善材料的力学性能。空洞锻合是焊合的前提条件。
[0004]刘助柏等人提出了锥形板镦粗工艺，通过数值模拟和物理模拟证明了该工艺能改善变形体内部的应力状态(为三向压应力)，迫使平板镦粗的刚性区变形，消除或降低平板镦粗静水应力区的剪切变形强度，锻件鼓形小，整体变形均匀;有利于闭合毛坯内部空洞型缺陷，改善毛坯内部金属的组织与性能，防止内部新缺陷(如夹杂性裂纹)的产生起到良好效果。(刘助柏，王连东.用锥形板镦粗的新工艺及其力学原理.机械工程学报，1994年，30卷，第4期)。
[0005]李琼采用解析法论证了锥形板镦粗可抑制内部裂纹的产生，有利于内部缺陷的锻合。(李琼.锥形板镦粗在大锻件锻造中的应用.锻压技术，1999年第3期)。
[0006]邓冬梅等利用ANSYS软件对锥形板镦粗圆柱体的整个过程进行了数值模拟。介绍了模型建立时的简化及参数选取情况;给出了变形过程中，不同压下量下毛坯内部的变形过程及应力、应变分布情况;并对比分析了锥形板镦粗和普通平板镦粗时的应力、应变情况。分析结果表明该新工艺对改善毛还内部的应力、应变状态起到一定作用，从而定量地证明了锥形板镦粗圆柱体力学模型的正确性，对该理论的完善起到一定作用。(邓冬梅，刘助柏，倪利勇.锥形板镦粗新工艺的数值模拟[J].锻压技术，2005年第3期)。
[0007]刘新宇利用MSC.SuperForge软件，针对锥形板镦粗工艺进行数值模拟，并结合物理实验结果加以分析，得到锥形板镦粗时的变形规律，为生产现场中确定毛坯尺寸、制定成形工艺参数提供了依据。(刘新宇.用MSC.SuperForge对锥形板镦粗工艺的数值模拟[J].现代制造工程，2009年第8期)。
[0008]王志伟等人采用有限元数值模拟方法分析不同镦粗工艺对夹杂物的弥散作用。建立了常用的平砧镦粗、锥形砧镦粗和凹面砧镦粗等3种计算模型，通过对镦粗过程中夹杂物的应力应变集中程度、基体损伤值、夹杂物间距的结果分析，认为锥形砧镦粗工艺最好。(王志伟，安红萍，刘建生.含夹杂坯料镦粗的有限元分析[J].精密成形工程.2011年第4期)。
[0009]张绍军等利用Forge锻造模拟软件模拟了中心凸台压实工艺和锥形板镦粗工艺的核电管板锻件。结果表明:采用中心凸台压实工艺的坯料心部在镦粗过程中一直存在三向压应力，且心部产生了变形，但上下端面仍存在难变形区；采用锥形板镦粗工艺的坯料心部在镦粗过程中一直存在两向拉应力，虽迫使与锥板接触部位的坯料产生了变形，消除了难变形区，但心部并没有产生有效变形。(张绍军，梁书华，刘钊.核电大型管板锻件两种压实工艺的数值模拟与研究[J].热加工工艺，2013年第13期)。
[0010]上述研究人员对锥形板镦粗的效果有分歧，原因在于采用的工艺参数不同，表明锥形板镦粗工艺有其合理的工艺参数范围。
[0011]本发明提出一种附加强制冷却的锥形板镦粗法锻制锻件的工艺，可以增大内部静水应力，有效锻合内部缺陷，并防止出现内部裂纹，具有较宽的工艺参数范围。
【发明内容】
[0012]大型钢锭都有其固有缺陷，如偏析、夹杂、疏松、粗大的柱状晶等。为了减少这些铸造缺陷，本发明提出一种附加强制冷却的锥形板镦粗法锻制锻件的工艺，其主要技术路线是:铸造钢锭—倒棱—下料—强制冷却+锥形板镦粗—辗平—平整。
[0013]在短时高速强制冷却后，经过与外界的换热和坯料内部的传热后，坯料温度呈现分布由内向外逐渐降低。中心高温区塑性好，加工过程中是变形主体部分，坯料表面温度较低区域形成一层硬壳，减少内部拉应力。高温区面积控制在整个截面面积的85%以上，尚温部分体积控制在还料总体积的80%左右，完全可以?两足材料利用率的生广要求。
[0014]极速冷却钢锭以后，采用锥形角度为130°?150°的锥形板进行镦粗，其内部压应力较其他角度锥形板大且均匀，与冷却前比较，压应力更大，有利于内部空洞闭合，外部受到拉应力较小，不会产生表面裂缝。
[0015]此工艺可用于电炉冶炼、真空浇铸或大气浇铸的钢锭。
[0016]钢锭倒棱(镦粗)、预拔长下料再经加热后，采用上下锥形板进行镦粗变形。这种工艺改善了变形体内部的应力状态(成为三向压应力)，能迫使平板镦粗体的刚性区变形，能消除或降低平板镦粗体内静水应力区的剪切变形强度，锻件鼓形小，整体变形均匀。这对锻合毛坯的内部空洞型陷、改善毛坯内部金属的组织与性能、防止内部新缺陷(裂纹或夹杂性裂纹)的产生可起到良好的效果。具体操作有两种方法。
[0017]具体操作有二种方法。
[0018](I)用两块锥形板进行镦粗，其操作过程如图1所示。
[0019]I)制作高径比0.8?2的铸造钢锭I，倒棱，切去水口和冒口；
2)加热钢锭至锻造温度，对钢锭I采用喷淋系统2进行快速强制冷却，使表皮形成一层硬壳，并把变形区高温区面积控制在整个截面面积的85%以上，高温部分体积控制在坯料总体积的80%左右；
3)采用130°?150°的锥形板3将钢锭I压窝，翻转180°倒置后，立于锥形板上，上端再置放锥形板进行镦粗，采用50%以上的大压下量镦粗至接近锻件所需尺寸；
4)在平板上用方砧4局部变形辗平一面，翻转180°再辗平另一面，获得所需锻件。
[0020](2)用一块锥形板进行镦粗，其操作过程如图2所示。
[0021]I)制作高径比0.8?2的铸造钢锭1，倒棱，切去水口和冒口； 2)加热钢锭至锻造温度，对钢锭I采用喷淋系统2进行快速强制冷却，使表皮形成一层硬壳，并把变形区高温区面积控制在整个截面面积的85%以上，高温部分体积控制在坯料总体积的80%左右；
3)采用130°?150°的锥形板3将钢锭I进行镦粗，采用20?50%的大压下量镦粗；
4)取下锥形镦粗板4，在平板上用方砧4进行局部变形，辗平一面；
5)将钢锭I翻转180°，立于平板上，采用130°?150°的锥形板4将钢锭I进行镦粗，至接近所需锻件高度尺寸；
6)取下锥形镦粗板4，在平板上用方砧4进行局部变形，辗平另一面，获得所需锻件。
[0022]说明书附图
图1是用附加强制冷却的锥形板镦粗法锻合内部空隙的工艺路线示意图(第一种操作方法)。
[0023]图2是用附加强制冷却的锥形板镦粗法锻合内部空隙的工艺路线示意图(第二种操作方法)。
图3是附加强制冷却的锥形板墩粗法所用锥形板的形状尺寸示例。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0025]实施例:
本实施例采用上述第一种操作方法，采用材料45钢铸造钢锭I后，倒棱，切去冒口水口，制作原始高径比H0/D0为1.5的钢锭，钢锭的尺寸Φ 800mm X 1200mm，在毛坯加热至1110士20°C，采用喷淋系统2进行水冷30秒，然后采用锥形板3在钢锭I的一端压窝，再倒置后立于另一块锥形板上，采用锥形板3镦粗，以lOmm/s的速度压下钢锭高度的80%。采用方砧4展平一面，然后翻转180°，再展平另一面。
[0026]上述方案中，锥形板的角度取140°，直径为Φ 1000mm，锥形板预热温度为300°C，具体尺寸如图3所示。
【主权项】
1.一种附加强制冷却的锥形板镦粗法，用于锻合锻件内部空隙，其特征在于:采用铸造钢锭4倒棱4下料4强制冷却+锥形板镦粗4辗平4平整等工序制作完成。2.根据权利要求1所称的锥形板镦粗法，其特征在于，具体工艺如下: . 1)制作高径比0.8?2的铸造钢锭I，倒棱，切去水口和冒口； .2)加热钢锭至锻造温度，对钢锭I采用喷淋系统2进行快速强制冷却，使表皮形成一层硬壳，并把变形区高温区面积控制在整个截面面积的85%以上，高温部分体积控制在坯料总体积的80%左右； .3)采用130°?150°的锥形板3将钢锭I压窝，倒置后，立于下锥形板上进行镦粗，采用50%以上的大压下量镦粗至接近锻件所需尺寸； .4)在平板上用方砧4局部变形辗平一面，翻转180°再辗平另一面，获得所需锻件。3.根据权利要求1所称的锥形板镦粗法，其特征在于，具体工艺如下: .1)制作高径比0.8?2的铸造钢锭I，倒棱，切去水口和冒口；. 2)加热钢锭至锻造温度，对钢锭I采用喷淋系统2进行快速强制冷却，使表皮形成一层硬壳，并把变形区高温区面积控制在整个截面面积的85%以上，高温部分体积控制在坯料总体积的80%左右； . 3)采用130°?150°的锥形板3将钢锭I进行镦粗，采用20?50%的大压下量镦粗；. 4)取下锥形镦粗板4，在平板上用方砧4进行局部变形，辗平一面； . 5)将钢锭I翻转180°，立于平板上，采用130°?150°的锥形板4将钢锭I进行镦粗，至接近所需锻件高度尺寸； .6 )取下锥形镦粗板4，在平板上用方砧4进行局部变形，辗平另一面，获得所需锻件。
【专利摘要】大型钢锭都有其固有缺陷，如偏析、夹杂、疏松、粗大的柱状晶等。为了减少这些铸造缺陷，本发明提出一种附加强制冷却的锥形板镦粗法，用于闭合锻件空隙，其主要技术路线是：铸造钢锭→倒棱→下料→强制冷却+锥形板镦粗→辗平→平整。这种制作工艺可以增大内部静水应力，有效锻合内部缺陷，并防止出现内部裂纹。
【IPC分类】B21J5/08, B21J5/00, B21J1/06
【公开号】CN105710264
【申请号】CN201610155836
【发明人】倪利勇, 李健强, 杨嘉俊, 纪瑞鹏, 梁紫健, 彭志深
【申请人】电子科技大学中山学院, 倪利勇