本发明涉及一种H型薄壁盘件低载荷连续局部增量成形装置及方法，特别涉及材料加工工程金属塑性成形领域用于H型断面的回转体盘件成形。
背景技术：
：H型薄壁盘件主要应用于各类齿轮坯、车轮等，在航空、航天、能源、交通等诸多工业领域应用十分广泛。此类盘件的成形具有较高技术难度，容易出现局部充不满、折叠、流线异常、变形不均匀等金属流动缺陷；目前我国大吨位锻压设备缺乏，使得大型H型薄壁盘件的制造与应用受到了较大制约。技术实现要素：针对上述问题，本发明的目的是提供一种高效、低成本的H型薄壁盘件低载荷连续局部增量成形装置及方法。实现本发明的技术方案如下：一种H型薄壁盘件低载荷连续局部增量成形装置，包括水平布置的下模，以及处于下模上方呈倾斜布置的上模，所述上模的轴心线与下模的轴心线之间形成夹角γ，下模的上表面形成向下模本体凹陷的模腔，上模的下表面设置有与模腔相对应的模头；所述上模、下模围绕自身的轴心线自转，所述上模沿着下模轴心线的方向与下模形成靠近合模或形成远离分模；当上模与下模靠近合模时，上模下方的模头与处于模腔中的预制坯料上表面的局部形成接触。上模模头、冲头与下模模腔形成局部轴向闭式型腔，对预制坯进行连续局部轴向闭式增量成形。优选地，所述上模的轴心线与下模的轴心线之间形成夹角γ为3°—12°。夹角γ对H型薄壁盘件的成形载荷有至关重要的作用，γ越大，上下模与预制坯之间形成的局部接触面积越小，所需的成形载荷越小。优选地，所述上模的下表面中部设置有顶在预制坯料上表面中部形成定位的冲头。成形过程中冲头先与预制坯中部接触，实现定心作用。模头与预制坯接触后，金属向预制坯芯部与边部两侧流动填充型腔，冲头能保证型腔自由端的成形精度。优选地，所述冲头的直径为预制坯料的1/8—1/5，高度为预制坯料高度的1/2。冲头的结构设计能有效避免H型薄壁轮缘处出现折叠。优选地，所述下模的中部设置有将模腔中盘件顶出的T型顶杆。一种H型薄壁盘件低载荷连续局部增量成形方法，包括如下步骤：S1，将合金棒料按照预制盘体的厚度来进行分段锯成圆柱坯料；S2，对圆柱坯料进行加热升温到锻造温度，并通过墩粗制得具有定位台阶的预制坯料；S3，在下模的模腔表面涂抹上润滑剂；S4，将预制坯料装配到下模的模腔中，预制坯料上的定位台阶卡在下模模腔中的凸起部，以将预制坯料形成直径方向限位在下模的模腔中；S5，下模开始带动模腔中的预制坯料以下模的轴心线进行旋转，下模的旋转速度为30—100rad/min，上模以与下模相同的线速度旋转和1—10mm/s的下降速度向下模进行靠近合模，上模下降过程中，上模下方的模头与处于模腔中的预制坯料上表面的局部形成接触，对预制坯料的上表面进行成形加工；即:上模下降与下模形成局部轴向闭式型腔；待模头与预制坯料上表面局部接触后，上模、下模和预制坯在滚动摩擦作用下进行同步旋转，从而对预制坯实现连续局部增量成形；S6，成形结束后，上模上升复位，将成形的预制坯料从模腔中取出，再通过精加工，获得回转体盘件成品。优选地，所述圆柱棒料的锻造温度为900—1200℃，保温时间1—3h。采用了上述技术方案，连续局部增量成形指在成形过程中工具在工件加工表面作用，接触区不断发生变化，当接触区域覆盖工件整个变形区域时即完成一个加载卸载过程，多个过程循环叠加便可达到工件整体成形的目的。成形时，上模与盘件之间接触面积是整体投影面积的1/n(n＝8—20)倍，成形载荷也是传统工艺的1/n。本发明中H型薄壁盘件的成形载荷是传统锻造的1/8—1/20倍。连续局部增量成形使H型薄壁盘件在成形过程中金属径向及弦向流动易于轴向，使得金属在三个方向均具有较大变形，所制得的H型薄壁盘件三方向强度高且韧性好。本发明所取得的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用连续增量变形，使压机所承受的载荷大大减小，使用1600—4500吨锻压设备能生产外径400—1500mm的大型H型薄壁盘件；能有效防止H型薄壁轮缘处出现折叠；在扩大锻造温度范围的同时能实现H型薄壁盘件的精确成形，节约成本，提高生产效率。本发明采用连续局部增量成形方法可以实现小吨位液压机生产高质量大型H型薄壁盘件，为锻造行业带来新的生机。附图说明图1为本发明的结构示意图；附图中，1为上模，2为模头，3为冲头，4为轴向闭式型腔，5为型腔自由端，6为H型盘件，7为下模，8为顶杆。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，一种H型薄壁盘件低载荷连续局部增量成形装置，包括水平布置的下模7，以及处于下模上方呈倾斜布置的上模1，上模的轴心线与下模的轴心线之间形成夹角γ，下模的上表面形成向下模本体凹陷的轴向闭式型腔4，上模的下表面设置有与模腔相对应的模头2；上模、下模围绕自身的轴心线自转，上模沿着下模轴心线的方向与下模形成靠近合模或形成远离分模；当上模与下模靠近合模时，上模下方的模头与处于模腔中的预制坯料上表面的局部形成接触。这里上模的旋转及升降，以及下模的旋转，可以采用目前锻压行业中常用的升降与旋转结构来实现，从而在此不多赘述。上模的轴心线与下模的轴心线之间形成夹角γ为3°或4°或5°或6°或7°或8°或9°或10°或11°或12°，具体根据需要来设定。为了在成形过程中，更好的进行定位以提升成形盘体的精度，上模的下表面中部固定设置有顶在预制坯料上表面中部形成定位的冲头3；冲头的直径为预制坯料的1/8—1/5，高度为预制坯料高度的1/2。下模的中部设置有将模腔中盘件顶出的T型顶杆8，便于在成形后，将模腔中的H型盘件6顶出。一种H型薄壁盘件低载荷连续局部增量成形方法，包括如下步骤：S1，将合金棒料按照预制盘体的厚度来进行分段锯成圆柱坯料。S2，对圆柱坯料进行加热升温到锻造温度，并通过墩粗制得具有定位台阶的预制坯料；圆柱棒料的锻造温度为900℃或1000℃或1050℃或1100℃或1150℃或1200℃，保温时间1h或2h或3h。S3，在下模的模腔表面涂抹上润滑剂，润滑剂可采用目前常用锻压润滑剂来实现。S4，将预制坯料装配到下模的模腔中，预制坯料上的定位台阶卡在下模模腔中的凹陷部，以将预制坯料形成直径方向限位在下模的模腔中；S5，下模开始带动模腔中的预制坯料以下模的轴心线进行旋转，下模的旋转速度为30—100rad/min，上模以与下模相同的线速度旋转和1—10mm/s的下降速度向下模进行靠近合模，上模下降过程中，上模下方的模头与处于模腔中的预制坯料上表面的局部形成接触，对预制坯料的上表面进行成形加工；S6，成形结束后，上模上升复位，将成形的预制坯料从模腔中取出，再通过精加工，获得回转体盘件成品。下面结合具体实施加工数据对本发明进行描述：我公司实施本发明方案是在国内现有的1600吨液压机设备上，采用连续局部增量成形方式，成功制备了直径为400mm、高度80mm，轮缘厚度30mm的H型薄壁盘件，其中心有内径80mm的通孔。盘件材料为20CrMnTi，目前已实现了批量生产。该H型薄壁盘件具体工艺如下：1)上模轴心线与下模轴心线存在一个8°锥角，使上模与预制坯表面局部接触；上模和下模模腔，在上下模合模时构成的型腔与放余量后的盘件表面一致，上模中部设有φ80mm，高40mm的冲头，能更好的起到定心作用；上模和下模都能绕自身轴线旋转。2)将20CrMnTi合金棒料按等体积原则分段据成φ160mm×240mm的圆柱坯料；3)将圆柱坯料毛坯加热到1000℃，保温2h后，放入预制模具中墩粗制得具有定位凸台的预制坯；4)连续局部增量成形模具的型腔表面涂抹润滑剂，再将预制坯转运至模具型腔，启动电机使下模开始旋转，待下模速度旋转达到30—40rad/min后，上模以与下模相同的线速度旋转和5—8mm/s的速度压下，上模接触预制坯后与下模、预制坯同步旋转并继续压下直至成形，最后顶出锻坯。5)成形后的锻坯通过精加工，得到回转体盘件成品。此H型薄壁盘件的成形精度高、成形质量好、性能优异、成形载荷小；成形载荷在700—750t，为传统锻造工艺载荷的1/10左右，性能见表1所示，本专利采用连续局部增量成形装置及方法所制得的H型薄壁盘件在三方向上的性能优异且均一，并且有效解决了小吨位液压机生产高质量、高精度H型薄壁盘件的技术难题。表1φ400mmH型薄壁盘件室温性能取向Rm(MPa)RP0.2(MPa)Ak(J)轴向1212112862径向1206114259弦向1216113256另外,采用DEFORM-3D对传统工艺(自由锻、模锻)和本专利所述H型薄壁盘件低载荷连续局部增量成形工艺进行有限元数值模拟方法仿真，其结果详见表2。再次，此类盘件由于传统成形工艺的限制，金属易于轴向流动，导致三方向性能不均，弦向与径向强度低于轴向10％左右。表2两种成形工艺结果对比当前第1页1 2 3