本發(fā)明涉及材料加工工程金屬塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種碗型薄壁件的偏心成形裝置及方法。

背景技術(shù)：

碗型薄壁回轉(zhuǎn)體零件在航空航天等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用?；诮饘僭谑覝叵滤苄圆?、強(qiáng)度高，彈性模量小，導(dǎo)熱率低，變形抗力大等特點(diǎn)，使得這類零件成形噸位大，金屬回彈嚴(yán)重，壁厚控制困難，對生產(chǎn)設(shè)備要求高。因此就目前而言，此類零件多采用自由鍛成形，零件加有較大余量，材料被大量浪費(fèi)，后續(xù)機(jī)加工費(fèi)用昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種低載荷、成形精準(zhǔn)的碗型薄壁件的偏心成形裝置及方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

碗型薄壁件的偏心成形裝置，包括水平放置的凹模，以及處于凹模上方呈傾斜布置的凸模，所述凸模的軸心線與凹模的軸心線之間形成夾角γ，所述凹模、凸模圍繞各自的軸心線自轉(zhuǎn)，所述凹模的軸心線與凸模的軸心線之間具有偏移距離L，所述凸模沿著偏移距離L后的豎直軸線與凹模進(jìn)行下降合?；蛏仙帜＿\(yùn)動(dòng)；當(dāng)凸模下降與凹?？拷夏r(shí)，凸模下方處于凹模模腔中并配合對模腔中的預(yù)制坯進(jìn)行局部接觸連續(xù)成型加工。

所述凹模的軸心線與凸模的軸心線之間具有偏移距離L為1—200mm。偏移距離L越大，成形載荷越小。

碗型薄壁件的偏心成形方法，包括如下步驟，

S1，將圓棒分段鋸成餅坯；

S2，對餅坯進(jìn)行加熱到鍛造溫度并進(jìn)行1—4小時(shí)的保溫；

S3，將餅坯在預(yù)制模具中制成錐形預(yù)制坯；

S4，將錐形預(yù)制坯水平放置于凹模中，錐形預(yù)制坯的錐形部分處于上方，凹模繞自身的軸心線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，凸模沿著與凹模軸心線偏移距離L的豎直軸線方向下降與凹模進(jìn)行合模；待凸模與錐形預(yù)制坯接觸后，凹模帶動(dòng)預(yù)制坯繞凹模軸心線旋轉(zhuǎn)，預(yù)制坯帶動(dòng)凸模沿其軸心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以對預(yù)制坯進(jìn)行局部接觸連續(xù)成型加工獲得碗型薄壁件；預(yù)制坯在成型過程金屬做螺旋線運(yùn)動(dòng)，有利于預(yù)制坯金屬的徑向和弦向流動(dòng)，以保證精準(zhǔn)成形以及避免對金屬組織的破壞。

S5，成形結(jié)束后，凸模上升復(fù)位，將成形的碗型薄壁件從凹模中取出，再經(jīng)過精加工，便獲得碗型薄壁件成品。

所述錐形預(yù)制坯是上表面為平面，上部周圍形成錐面的錐形體。在連續(xù)局部加載成形過程中，凸模與工件接觸區(qū)更易發(fā)生弦向和徑向金屬塑性變形，容易出現(xiàn)“蘑菇效應(yīng)”，即加工過程中工件上方容易出現(xiàn)蘑菇頭的形態(tài)，導(dǎo)致成形精度差的問題；而將餅坯預(yù)制成錐形坯能使軸向、弦向和徑向流動(dòng)速度均衡，避免“蘑菇效應(yīng)”；同時(shí)凸模與坯料開始接觸階段接觸面積減小，有利于減小模具與工件坯料間的摩擦，提高模具壽命。

所述凸模下降合模的進(jìn)給量為2—20mm/rad。避免因凸模進(jìn)給量較大大，需要增加克服金屬變形阻力所需的大載荷。

獲得的碗型薄壁件的外徑與壁厚比值為10—40。

采用了上述技術(shù)方案，即連續(xù)偏心局部加載成形，實(shí)現(xiàn)了低載荷條件下的大型碗型薄壁件精確成形。連續(xù)偏心局部加載成形指的是：在成形過程中，凸模軸心與凹模軸心偏移一定距離后互成一定夾角，凸模與工件形成的投影面局部接觸，凸模、凹模和坯料自轉(zhuǎn)使得局部接觸區(qū)域不斷發(fā)生變化；當(dāng)接觸區(qū)旋轉(zhuǎn)一周，即完成一個(gè)加載卸載周期，通過多個(gè)周期循環(huán)加載，從而實(shí)現(xiàn)工件整體成形。就其特點(diǎn)而言，單邊余量可控制在1—4mm，極大地提高了材料利用率，降低了生產(chǎn)成本，提高了零件成形精度，其成形載荷僅為傳統(tǒng)方法的1/15—1/30，為普通連續(xù)局部加載方法的1/2—1/5；并且能細(xì)化晶粒，具有優(yōu)異的性能。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明專利采用了連續(xù)偏心局部加載方法，能夠?qū)崿F(xiàn)額定載荷1600t壓機(jī)上生產(chǎn)開口直徑500—1500mm的薄壁碗型件，成形載荷僅是傳統(tǒng)工藝的1/15—1/30，是普通連續(xù)局部加載方法的1/2—1/5。

(2)本發(fā)明制備的薄壁碗型件的尺寸精確，單邊余量控制在1—4mm，解決了因回彈嚴(yán)重而導(dǎo)致的壁厚難控制的技術(shù)難題，尤其適合生產(chǎn)鈦合金、合金鋼類大型碗型薄壁件。

(3)本發(fā)明的方法適用于大口徑(500—1500mm)薄壁碗型件的制備，成形過程中有較大的變形量，能有效細(xì)化晶粒，并且能夠避免大變形時(shí)出現(xiàn)的裂紋、折疊、過熱等缺陷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的偏心成形裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中錐形預(yù)制坯的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明成形的預(yù)制坯在偏心成形裝置中變形量30％時(shí)的狀態(tài)示意圖；

圖4為本發(fā)明方法獲得30CrMnSiA合金鋼碗形薄壁件的高倍組織圖。

附圖中，1為凸模，2為模腔，3為碗型薄壁件，4為凹模，5為頂桿。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于所描述的本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1-3所示，碗型薄壁件的偏心成形裝置，包括水平放置的凹模4，以及處于凹模上方呈傾斜布置的凸模1，凸模的軸心線與凹模的軸心線之間形成夾角γ，夾角γ可以為3°—12°區(qū)間內(nèi)進(jìn)行選擇，凹模、凸模圍繞各自的軸心線自轉(zhuǎn)，凹模的軸心線與凸模的軸心線之間具有偏移距離L，凸模沿著偏移距離L后的豎直軸線與凹模進(jìn)行下降合模或上升分模運(yùn)動(dòng)；當(dāng)凸模下降與凹模靠近合模時(shí)，凸模下方處于凹模模腔中并配合對模腔2中的預(yù)制坯進(jìn)行局部接觸連續(xù)成型加工。凹模的軸心線與凸模的軸心線之間具有偏移距離L為1—200mm。凸模的旋轉(zhuǎn)速度在30-100rad/min區(qū)間進(jìn)行選擇。

碗型薄壁件的偏心成形方法，包括如下步驟，

S1，將圓棒分段鋸成餅坯；

S2，對餅坯進(jìn)行加熱到鍛造溫度并進(jìn)行1—4小時(shí)的保溫；

S3，將餅坯在預(yù)制模具中制成錐形預(yù)制坯；

S4，將錐形預(yù)制坯水平放置于凹模中，錐形預(yù)制坯的錐形部分處于上方，凹模繞自身的軸心線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，凸模沿著與凹模軸心線偏移距離L的豎直軸線方向下降與凹模進(jìn)行合模；待凸模與錐形預(yù)制坯接觸后，凹模帶動(dòng)預(yù)制坯繞凹模軸心線旋轉(zhuǎn)，預(yù)制坯帶動(dòng)凸模沿其軸心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以對預(yù)制坯進(jìn)行局部接觸連續(xù)成型加工獲得碗型薄壁件3；

S5，成形結(jié)束后，凸模上升復(fù)位，將成形的碗型薄壁件從凹模中取出，再經(jīng)過精加工，便獲得碗型薄壁件成品。

所述錐形預(yù)制坯是上表面為平面，上部周圍形成錐面的錐形體。

所述凸模下降合模的進(jìn)給量為2—20mm/rad。

獲得的碗型薄壁件的外徑與壁厚比值為10—40。

下面結(jié)合具體實(shí)施方式，對本發(fā)明進(jìn)行描述。

實(shí)施方式一：本發(fā)明方案在國內(nèi)現(xiàn)有的1600噸液壓機(jī)設(shè)備上，采用連續(xù)偏心局部加載方法，成功制備了直徑為700mm、高度130mm，壁厚為20mm的碗型薄壁件。碗型薄壁件材料為TC4，目前已實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。該碗型薄壁件具體工藝如下：

1)凸模的軸心線與凹模的軸心線之間形成夾角γ，凸模的軸心線與凹模軸心線偏移距離為100mm，凸模與凹模均能繞自身軸心線旋轉(zhuǎn)。

2)將TC4棒料分段據(jù)成φ300mm×142mm的餅坯。

3)將餅坯加熱到910℃(該批TC4棒料相變點(diǎn)為1000℃)，保溫2h。

4)加熱后餅坯轉(zhuǎn)移至預(yù)制模具中制得錐形預(yù)制坯；

5)錐形預(yù)制坯轉(zhuǎn)移至凹模型腔，啟動(dòng)電機(jī)，凸模與凹模靠近合模，凸模與預(yù)制坯局部接觸后以10mm/rad的進(jìn)給量從動(dòng)旋轉(zhuǎn)直至成形，最后頂出碗型薄壁件鍛坯。

6)成形后的鍛坯通過精加工，得到碗型薄壁件成品。

此碗型薄壁件的成形精度高，碗型薄壁件單邊余量為2—3mm；成形載荷小，成形載荷在600—700t，為傳統(tǒng)工藝載荷的1/25左右。

實(shí)施方式二

采用連續(xù)偏心局部加載方法，制備直徑為560mm、高度150mm，壁厚為18mm的碗型薄壁件。碗型薄壁件材料為30CrMnSiA，目前已實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。該碗型薄壁件具體工藝如下：

1)凸模的軸心線與凹模的軸心線之間形成夾角γ，凸模的軸心線與凹模軸心線偏移距離為70mm，凸模與凹模均能繞自身軸心線旋轉(zhuǎn)。

2)將棒料分段據(jù)成φ250mm×130mm的餅坯。

3)將餅坯加熱到1050℃，保溫2h。

4)加熱后餅坯轉(zhuǎn)移至預(yù)制模具中制得錐形預(yù)制坯；

5)錐形預(yù)制坯轉(zhuǎn)移至凹模型腔，啟動(dòng)電機(jī)，凸模與凹?？拷夏?，凸模與預(yù)制坯局部接觸后以15mm/rad的進(jìn)給量從動(dòng)旋轉(zhuǎn)直至成形，最后頂出碗型薄壁件鍛坯。

6)成形后的鍛坯通過精加工，得到碗型薄壁件成品。

此碗型薄壁件的成形精度高，碗型薄壁件單邊余量為1.5mm左右；成形載荷小，成形載荷在350—480t，為傳統(tǒng)工藝載荷的1/20左右；30CrMnSiA合金鋼的晶粒度達(dá)到9級以上，如圖4所示。