一种带有内凸缘的大型环件扩孔锻造成形方法与流程

本发明涉及一种应用于带有内凸缘的大型环件的扩孔锻造成形方法，属于自由锻技术领域。

背景技术：

随着电力、化工、运输等行业的飞速发展，对大型环件或筒形件的需求量越来越大。对于某些耐压高、承载大、要求较高的装备上的大型环件或筒形件，为保证其力学性能，通常由钢锭镦粗冲孔后经过马杠扩孔(或称为芯棒扩孔)锻造而成。传统的马杠扩孔工艺如图1所示，环坯2套在芯棒3上，芯棒3两端由马架4支撑固定，大型自由锻设备上的平砧1沿环坯2的整个轴向长度向下压制环坯2，使平砧1与芯棒3间的环坯壁厚减薄，平砧1回程时，环坯2旋转一定的角度，平砧1接续顺次下压相同的壁厚减薄量，如此反复下压和旋转，环坯2孔径逐渐扩大，实现大孔径环件的扩孔成形。由于芯棒形状原因，传统的马杠扩孔只能成形等壁厚的环件，对于不等壁厚或带内凸缘环件5，因为内凸缘的存在其扩孔锻件6需要留出较大的加工余量，如图2所示，带来材料的严重浪费且需要较多的后续机加工工时，同时，切削加工切断了凸缘周边金属锻造流线，降低了其力学性能和耐腐蚀性能等。

技术实现要素：

本发明针对现有的马杠扩孔工艺对带有内凸缘的环件采用先扩孔成形厚壁环件再大量切削内孔区域材料存在的材料利用率低等问题，提出一种不提高操作复杂程度、材料利用率较高的带有内凸缘的大型环件扩孔锻造成形方法。

本发明的带有内凸缘的大型环件扩孔锻造成形方法，采用以下技术方案：

(1)制作复合芯棒，所述复合芯棒上设置有与欲成形环件中的内凸缘形状与尺寸一致的环形凹槽；

(2)坯料经过镦粗及冲孔形成环坯；

(3)镦粗冲孔后获得的在可锻温度范围内的环坯套装在复合芯棒上进行扩孔锻造，复合芯棒两端由马架支撑固定，锻造过程中，平砧打击环坯，使环坯壁厚减薄，平砧回程时环坯转动，环坯每转一圈为一个扩孔道次，平砧持续顺次下压相同的壁厚减薄量，如此平砧反复下压，环坯内径逐渐扩大，实现带有内凸缘的大型环件扩孔锻造直接成形。

所述复合芯棒，由环形箍、套管与芯轴构成，环形箍固定在芯轴上，环形箍的两侧均设置有套装在芯轴上的套管。所述套筒与芯轴为间隙配合，便于扩孔前后套筒套入芯轴和取出。

所述芯轴直径满足：dx≥dmin，dmin为根据实际成形力大小、芯棒长度以及材料力学性能校核出芯轴的最小的直径。

所述套筒的外径dt根据环件内凸缘的高度δh确定，关系为：

dt≥dx+2×δh+2×δsg，

其中，dx为芯轴外径，δh为内凸缘高度，δsg为环形箍壁厚。

所述两侧套筒的整体长度根据环件扩孔需要的长度确定。

所述环形箍的宽度根据环件内凸缘的宽度与机加工余量确定；环形箍的厚度尺寸根据环件内凸缘的高度及套筒的壁厚确定，使套筒壁厚与其壁厚的高度差大于内凸缘的高度δh。

所述毛坯镦粗的外径为：

其中，d为扩孔完成时环件的外径，d为扩孔完成时环件的内径，dt为复合芯棒的外径。

所述毛坯冲孔的内径为复合芯棒外径的1.1倍。

所述环坯转动角度为每次10°～15°。

所述扩孔道次(环坯每转一圈定义为一个道次)n根据环坯壁厚及环件最终壁厚需要的减薄量及扩孔变形均匀性进行确定，各道次分配量根据均匀一致的各道次减薄率进行确定。

具体如下所述：

首先根据环坯尺寸以及目标成形尺寸确定扩孔锻造的最终壁厚减薄率k，k＝(s0-s)/s，s0＝(d0-d0)/2，s＝(d-d)/2，其中，d0为环坯扩孔前的初始外径，d0为环坯扩孔前的初始内径，d为扩孔完成时环件的外径，d为扩孔完成时环件的内径。随后为保证各道次下压减薄率k1、k2、k3…kn的均匀，各道次壁厚减薄率ki根据最终减薄率k和扩孔道次n进行计算：

所述环件内凸缘的最大成形高度hmax与环坯扩孔壁厚减薄率k的关系为：hmax≤100*k(mm)。

本发明采用复合结构的芯棒，在扩孔过程中逐渐成形出内凸缘结构，并提高扩孔变形的均匀性，在不增加扩孔操作复杂程度的情况下，直接对带有内凸缘的大型环件扩孔锻造成形，既节省了材料和工时，也提高了内凸缘区域及环件整体的力学性能。

附图说明

图1是传统马杠扩孔工艺的原理示意图。

图2是带内凸缘环件的传统制造方式示意图。

图3是带内凸缘的环件的结构尺寸示意图。

图4是本发明中带内凸缘环件扩孔成形的复合芯棒的结构示意图。

图5是本发明采用复合结构芯棒进行带内凸缘环件扩孔成形过程示意图。

图中：1.平砧，2.环坯，3.芯棒，4.马架，5.带内凸缘环件，6.扩孔锻件，7.内凸缘，8.套管，9.芯轴，10.环形箍。

具体实施方式

本发明对带有内凸缘的大型环件在锻造时直接扩孔成形，是采用复合芯棒对带内凸缘的大型环件进行扩孔。工艺过程如下：钢锭出炉镦拔开坯去除夹钳口端，毛坯经过镦粗及冲孔；镦粗冲孔后获得的在可锻温度范围内的环坯套装在复合结构芯棒上进行扩孔锻造，其扩孔操作过程与传统马杠扩孔相同，环坯在各砧压下间的旋转通过机械臂夹持来实现。每一次平砧1压下之前环坯旋转角度与传统马杠扩孔一致，平砧1的压下量及其分配依据环坯厚度、扩径量及内凸缘高度而定。

下面以拟扩孔成形图3所示的带内凸缘环件5为例，进行锻造过程及其工艺条件详细说明。

(1)复合芯棒的结构

本发明中的复合芯棒，其结构如图4所示，由环形箍10、套管8与芯轴9组合而成，环形箍10固定在芯轴9上，环形箍10的两侧均设置有套装在芯轴9上的套管8。环形箍10的外径小于套管8的外径，使左右套管之间形成凹槽，该凹槽的形状和尺寸(宽度和深度)与环件内凸缘7的形状和尺寸一致。环形箍10的宽度等于内凸缘7的宽度与一定加工余量之和。

环形箍10热装紧固在芯轴9上对应于环坯2内的凸缘位置。左右套筒8的内径与芯轴9外径为间隙配合，便于扩孔前后套入和取出。左右套管8装配到芯轴9上的整体长度大于带内凸缘环件5扩孔过程中需要的轴向长度。芯轴9两端由马架4支撑，左右套管8各自的外端由两端马架结构进行限位，限制环坯2在扩孔过程中沿轴向过大的移动。

(2)复合芯棒的尺寸确定

对于该锻造方法，由于芯棒尺寸和锻造变形特点等因素的限制，和绝大多数自由锻工艺相同，其可成形的锻件在尺寸上具有一定的限定条件。首先，对于马杠扩孔工艺，芯棒的刚度不足会导致其在扩孔时发生弯曲变形而影响锻件尺寸精度。因此，本发明中的复合芯棒中芯轴的直径和长度应根据传统芯轴拔长要求的芯棒尺寸进行设计。

套筒8的外径dt应根据内凸缘7的高度δh确定，关系为：

dt≥dx+2×δh+2×δsg

其中，dx为芯轴外径，δh为内凸缘高度，δsg为环形箍壁厚。又根据马杠扩孔的工艺特点可知，芯棒直径越大成形表面质量越好、扩孔效率越高，因此在条件允许的范围内，应尽量选用外径较大套筒8。

复合芯棒中环形箍10的宽度尺寸根据环件内凸缘7的宽度尺寸加上机加工余量设计，环形箍10的厚度尺寸根据内凸缘7的高度及套筒8的壁厚尺寸设计，使其壁厚差大于内凸缘的高度δh。

套筒8的整体长度尺寸根据环件扩孔需要的长度尺寸设计。

(3)扩孔前坯料尺寸确定

坯料扩孔前冲孔内径参考复合芯棒外径进行确定，为减小冲除材料的浪费，同时减小毛坯的冲孔畸变程度，冲孔直径尽量以能套入芯棒且在扩孔开始阶段能顺利旋转为依据进行最小直径设计。本发明推荐以复合芯棒外径(套筒8外径)的1.1倍(1.1dt)作为坯料冲孔直径的确定依据；或以芯轴9外径的1.1倍(1.1dx)为冲孔依据，先插入普通芯棒进行预扩孔，再换成复合结构芯棒进行成形扩孔。根据体积不变条件及冲孔前坯料镦粗的高度与环件高度一致，忽略扩孔中环坯2的轴向伸长，确定冲孔前镦粗的外径尺寸为：

其中，d为扩孔完成时环件5的外径，d为扩孔完成时环件5的内径，dt为套筒外径。

(4)扩孔温度范围

本发明中带内凸缘环件扩孔的锻造温度范围与传统马杠扩孔工艺要求的锻造温度区间一致。

(5)扩孔过程中坯料旋转角度

马杠扩孔过程中的旋转角度需要合理控制，应根据大型环件壁厚均匀性及扩孔效率而定，通常取10°～15°，由于整个扩孔过程中环径不断变大，相应的旋转角度要逐渐减小，以保证两次下压之间合理搭接，避免出现漏锤现象，使锻件表面光滑。

(6)平砧压下量及其分配

扩孔道次(每旋转一圈定义为一个道次)根据坯料初始壁厚及环件最终壁厚需要的减薄量及扩孔变形均匀性进行确定，各道次分配量根据均匀一致的各道次减薄率进行确定。具体确定方法如下：

首先根据原始环坯2尺寸以及目标成形尺寸确定扩孔锻造的最终减薄率k，k＝(s0-s)/s，s0＝(d0-d0)/2，s＝(d-d)/2，其中，d0为环坯扩孔前的初始外径，d0为环坯扩孔前的初始内径，d为扩孔完成时环件的外径，d为扩孔完成时环件的内径。随后为保证各道次下压减薄率k1、k2、k3…kn的均匀，根据最终减薄率k和扩孔道次n进行计算各道次壁厚减薄率：

(7)内凸缘成形高度

根据对本发明成形过程的多种条件的模拟发现，环坯扩孔过程中内凸缘7的成形高度与环坯壁厚减薄率存在一定的规律性。当凸缘特征尺寸较小时，其成形高度与从环坯扩孔至环件的壁厚减薄率k有关，约为：h＝最终减薄率*100(mm)。提高后续道次的减薄率，有利于提高内凸缘7的成形高度。

本发明带内凸缘环件扩孔方法中的环件内凸缘高度设计依据：其最大成形高度hmax与环坯扩孔壁厚减薄率k相关，其关系为：hmax≤100*k(mm)，k＝(s0-s)/s，s0＝(d0-d0)/2，s＝(d-d)/2，其中，d0为环坯2扩孔前的初始外径，d0为环坯2扩孔前的初始内径，d为扩孔完成时环件5的外径，d为扩孔完成时环件5的内径。

若内凸缘7的高度大于最大成形高度，最大成形高度无法满足环件内凸缘高度要求，则通过减小环件5的内径尺寸以增加环件壁厚进行设计，成形后通过内孔扩径等机加工实现。