带直段锥形筒体的仿形锻造装置的制作方法

本发明涉及制造大型锻件，具体的是用于仿形锻造带直段锥形筒体的装置。

背景技术：

目前核电装备不断升级，高规格大功率机组陆续出现，大型化的主设备锻件锻造越来越困难，尤其是超大型带直段锥形筒体的仿形锻造更是难度倍增。所谓的带直段锥形筒体即是如图1所示，锻件4的中部为锥形筒体段，两端分别为直筒段，各段轴心一致。

目前大型带直段锥形筒体采用的仿形锻造方式主要有：

将整个筒体的直段和锥段填充成等壁厚简单锥形筒体，锻造后再加工成需要形状，这种方式虽然锻造过程简单化，但后续加工时会切断金属纤维流线，不利于锻件组织性能保证，另一方面会导致大量材料浪费。

也有采用如图1所示的，在马架1上支撑起马杠2，马杠2中间段设置有马杠体，马杠体周面与锻件形状匹配，锻造时，锻件坯料套在马杠体周面，用成形砧3敲击锻打坯料外圆周，并且马杠2按频率转动，直至锻件成形。该种方式在锻造时，由于马杠体的周面具有锥形部分，成形砧工作面具有斜面，导致敲击锻打时，产生很大的轴向力，该轴向力容易导致马架翻倒，而且对水压机产生横向冲击，会损伤水压机。此外，由于锥形筒体旋转时，其大、小端具有不同的线速度，锻造时容易出现大、小端变形不均匀的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种带直段锥形筒体的仿形锻造装置，锻造时不会对马架或压机产生轴向冲击。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

带直段锥形筒体的仿形锻造装置，包括马架、马杠和成形砧，所述马杠形状为旋转体，且包括两端的芯轴和中部的马杠体，所述两端的芯轴架设在马架上且转动配合，所述马杠体周面包括顺序连接的第一锥面、第二锥面和第三锥面；

所述第一锥面与第三锥面平行，第一锥面与马杠轴线的夹角为t，第一锥面与第二锥面的夹角为m，所述成形砧为块状，成形砧靠近马杠周面的一侧平面为成形平面，所述成形平面包括顺序连接的第一平面、第二平面和第三平面，所述第一平面、第二平面和第三平面分别与第一锥面、第二锥面和第三锥面位置、角度对应，且第一锥面、第二锥面和第三锥面靠近所述成形平面的母线，分别与第一平面、第二平面和第三平面平行，成形砧与马杠之间的空间为锻件空间；

所述第一平面、第二平面和第三平面的指向马杠的投影为等腰梯形，等腰梯形的腰与平分中线的夹角为e，且第一平面所在的一端为梯形的小端，第三平面所在的一端为梯形的大端；所述等腰梯形的高为b₁，梯形的小端底长为b₂，第一平面、第二平面和第三平面的长度分别为a₁、a₂、a₃,需要锻造的锻件锥形筒体小端半径为r₁，大端半径为r₂,

$t=arc\cot (\frac{a_1+a_3}{a_2}\frac{1}{\sin m}-\cot m);e=arctan\frac{(\frac{r_2}{r_1}-1)b_2}{2b_1};$

所述m为90～180°。

进一步的，所述芯轴与马杠体为固定连接，所述m为150～170°。

进一步的，所述马杠体靠近第三锥面的一个端面还连接有圆形挡板，所述圆形挡板端面与成形砧的端面位置适配。

进一步的，所述马杠体周面靠近两端的位置为平直周面，所述第一锥面与平直周面之间、第三锥面与平直周面之间均设置有用于角度平缓过度的修正面。

本发明的有益效果是：上述带直段锥形筒体的仿形锻造装置，第一锥面、第二锥面和第三锥面，具有特殊设计的角度，锻造时所有锥面产生的轴向力相互抵消，不会对马架或压机产生轴向冲击，成形砧的成形面指向马杠的投影为等腰梯形，梯形小端位于第一平面一侧，这与锻件的大小端方向对应，使锻件的大小端锻造变形均匀。

附图说明

图1是现有技术的带直段锥形筒体仿形锻造的示意图；

图2是本发明的带直段锥形筒体仿形锻造的示意图；

图3是本发明的带直段锥形筒体仿形锻造装置的马杠示意图；

图4是本发明的带直段锥形筒体仿形锻造装置的成形砧主视示意图；

图5是图4中成形砧的成形平面仰视示意图；

图中附图标记为：马架1、马杠2、芯轴21、马杠体22、第一锥面221、第二锥面222、第三锥面223、平直周面224、修正面225、圆形挡板23、成形砧3、第一平面31、第二平面32、第三平面33、锻件4、锻件坯料5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

带直段锥形筒体的仿形锻造装置，包括马架1、马杠2和成形砧3，所述马杠2形状为旋转体，且包括两端的芯轴21和中部的马杠体22，所述两端的芯轴21架设在马架1上且转动配合，其特征在于，所述马杠体22周面包括顺序连接的第一锥面221、第二锥面222和第三锥面223，

所述第一锥面221与第三锥面223平行，第一锥面221与马杠2轴线的夹角为t，第一锥面221与第二锥面222的夹角为m，所述成形砧3为块状，成形砧3靠近马杠2周面的一侧平面为成形平面，所述成形平面包括顺序连接的第一平面31、第二平面32和第三平面33，所述第一平面31、第二平面32和第三平面33分别与第一锥面221、第二锥面222和第三锥面223位置、角度对应，且第一锥面221、第二锥面222和第三锥面223靠近所述成形平面的母线，分别与第一平面31、第二平面32和第三平面33平行，成形砧3与马杠2之间的空间为锻件空间；

所述第一平面31、第二平面32和第三平面33的指向马杠2的投影为等腰梯形，等腰梯形的腰与平分中线的夹角为e，且第一平面31所在的一端为梯形的小端，第三平面33所在的一端为梯形的大端；所述等腰梯形的高为b₁，梯形的小端底长为b₂，第一平面31、第二平面32和第三平面33的长度分别为a₁、a₂、a₃,需要锻造的锻件锥形筒体小端半径为r₁，大端半径为r₂,

$t=arc\cot (\frac{a_1+a_3}{a_2}\frac{1}{\sin m}-\cot m);e=arctan\frac{(\frac{r_2}{r_1}-1)b_2}{2b_1};$

所述m为90～180°。

本锻造装置适用于带直段锥形筒体，如图2、3所示，锻造装置包括马架1、马杠2和成形砧3，马架1用于支持马杠2两端的芯轴21，并转动配合，使马杠2可以绕轴线转动，马杠体22周面以及成形砧3靠近马杠体22的面为锻造工作面，其具有特定形状，将锥形筒体状的锻件坯料5套在马杠体22外圆周，马杠2带动锻件坯料5按一定频率转动，成形砧3在压机带动下持续锻打坯料外周面，坯料依照工作面的形状变形得出需要的形状。

具体的，马杠2形状为旋转体，芯轴21与马杠体22可以是装配形成，例如一根轴沿轴线穿过马杠体形成马杠，例如轴与马杠体之间可以是间隙配合，轴依靠摩擦力带动马杠体转动，优选的可以是芯轴21与马杠体22固定连接，或者芯轴21与马杠体22为一体式结构。两端的芯轴21转动配合架设在马架1上，马杠体22的周面包括顺序连接的第一锥面221、第二锥面222和第三锥面223，为锻造的工作面。其中第一锥面221与第三锥面223平行，第一锥面221与马杠2轴线的夹角为t，第一锥面221与第二锥面222的夹角为m。

成形砧3为块状，成形砧3靠近马杠2周面的一侧平面为成形平面，为锻造的工作面，成形平面包括顺序连接的第一平面31、第二平面32和第三平面33，这与第一锥面221、第二锥面222和第三锥面223位置，角度均对应，即是如图2、3、4所示，第一锥面221、第二锥面222和第三锥面223靠近所述成形平面的母线，分别与第一平面31、第二平面32和第三平面33平行，当成形砧3贴近马杠体22，成形平面正好与马杠体22母线接触，该条母线各段分别与第一平面31、第二平面32和第三平面33平行，母线各段的夹角也与成形平面各段的夹角一致。当第一平面31向第一锥面221压合时，将锻件坯料5的小端部分压出小端的直筒段，同理第二平面32向第二锥面222压合，锻件坯料5的中部压出中部的锥筒段，第三平面33向第三锥面223压合，锻件坯料5的大端部分压出大端的直筒段。

第一平面31、第二平面32和第三平面33的长度分别为a₁、a₂、a₃,则角度t和m的关系可以沿用以下公式计算：

$t=arc\cot (\frac{a_1+a_3}{a_2}\frac{1}{\sin m}-\cot m);$

如图2、3所示，角度m对应的是，带直段锥形筒体的小端直筒段与锥筒段小端连接处的夹角，根据锻件形状特点，角度m在90～180°选择，优选的范围是在150～170°。

如图4、5所示，所谓的第一平面31的长度a₁是指第一平面31的等腰梯形的高，同理，a₂、a₃分别是第二平面32和第三平面33的等腰梯形的高。

采用上述设计，锻打锻件时，第一锥面221和第三锥面223产生的轴向力正好与第二锥面222产生的轴向力抵消，不会对马架1形成轴向冲击，同理第一平面31和第三平面33产生的轴向力正好与第二平面32的轴向力抵消，不会对压机形成横向冲击。

所述第一平面31、第二平面32和第三平面33的指向马杠2的投影为等腰梯形，例如图2中，成形砧3位于马杠2正上方，则成形平面的仰视为一个等腰梯形。

如图4、5所示，等腰梯形的腰与平分中线的夹角为e，且第一平面31所在的一端为梯形的小端，用于锻打锻件坯料5的小端，第三平面33所在的一端为梯形的大端，用于锻打锻件坯料5的大端。

更具体的，等腰梯形的高为b₁，梯形的小端底长为b₂，需要锻造的锻件锥形筒体小端半径为r₁，大端半径为r₂,则角度e可以采用以下公式计算：

$e=arctan\frac{(\frac{r_2}{r_1}-1)b_2}{2b_1};$

由于马杠2带动锻件坯料5转动时，坯料大小端转动线速度不一致，采用上述成形砧4设计，能使坯料大小端变形均匀。

优选的，可以是，所述马杠体22靠近第三锥面223的一个端面还连接有圆形挡板23，所述圆形挡板23端面与成形砧3的端面位置适配。

如图2、3所示，圆形挡板23可以用于阻止锻件坯料5发生偏移，在成形砧3进行锻打动作时，圆形挡板23端面可以抵靠成形砧3的端面，对其定位。

优选的，可以是，所述马杠体22周面靠近两端的位置为平直周面224，所述第一锥面221与平直周面224之间、第三锥面223与平直周面224之间均设置有用于角度平缓过度的修正面225。

如图3所示，平直周面224即是母线与轴线平行部分的周面，修正面225位于锥面与平直周面224的交界处，用于交界处角度的平缓过度，例如可以是内倒角，或者弧形过度等。