一种坯料预镦粗成形模具及成形方法
【专利摘要】本发明公开了一种坯料预镦粗成形模具及成形方法，属于材料锻造【技术领域】。首先设计一种坯料预镦粗成形模具，将大高径比的圆柱体坯料变成两端为锥台形的小高径比坯料，然后进行平砧镦粗工艺。针对大高径比的原始坯料，在镦粗成形过程中首先采用本方法对其进行预镦粗，得到两端为锥台形的柱体结构，由于坯料与模具接触面积小，模具对坯料端部金属流动阻碍小，没有难变形区，因此，在后期镦粗时不易形成鼓形，变形比较均匀，镦粗效果好。本发明为大高径比的圆柱体坯料镦粗成形提供了一种良好的前处理方法。
【专利说明】一种坯料预镦粗成形模具及成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料锻造【技术领域】，具体涉及一种坯料预镦粗成形模具及成形方法。
【背景技术】
[0002] 镦粗是自由锻的基本工序之一，也是绝大多数锻件加工必不可少的一步工序。镦 粗可以破坏铸态树枝状组织，细化锻件内部组织晶粒，增大材料强度，提高锻件的韧性和抵 抗破坏的能力，在自由锻造工艺中起着至关重要的作用。
[0003] 镦粗过程中，由于工具与圆柱坯料之间存在摩擦，造成了变形的不同时性和不均 匀性，结果镦粗坯料易出现鼓肚，甚至出现双鼓形。镦粗坯料的高径比一般不超过2. 5。 为减小镦粗坯料的侧面鼓形，可通过改变毛坯端部的边界条件改善接触面的摩擦条件， 从而提高镦粗变形的均匀性。常用的途径是减小毛坯端部接触面应力（如软金属垫镦 粗和加润滑剂镦粗）或改变变形方式（如上、下小方砧局部镦粗、侧凹坯料镦粗、套环内 镦粗和叠镦等）。除了以上传统的工艺外，毛坯凹形端面无鼓镦粗法（河北理工学院学 报，1997,（I) :30-35)、高径比坯料镦粗法（中国专利 200910128428. 3、201010275895· 1、 201120349006. 1)和锥形板镦粗新工艺（机械工程学报，1994,（4) :83-85;中国专利 97101491. 4、201010146646. 2)的提出都能不同程度地减小鼓形的大小（南昌航空工业学 院学报，2004,（I) :34-38 ;锻压装备与制造技术，2008,（6) :59-61)。
[0004] 但是上述技术也存在工艺复杂、制造成本高，对操作人员要求高等不足之处。例如 凹形坯料镦粗需要首先对坯料进行制凹成形，该工艺实施起来比较困难，而且很难保证径 向制凹的一致性；软金属垫镦粗需要耗费软垫金属材料，而且不可能完全消除鼓形；坯料 叠镦成形高径比较大的坯料易发生失稳，并且叠镦时要求坯料严格对中，使实际工艺操作 极为不便。
[0005] 综上所述，传统的镦粗方法成形材料具有变形不均匀的不足之处，而改进的镦粗 成形方法也存在工艺繁琐或改良状况不显著等问题，如何实现高径比坯料的镦粗成形，这 是当今材料锻造研究亟待解决的难题。本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高径比 坯料镦粗模具，该模具结构简单，便于操作，能够有效地防止坯料镦粗时弯曲鼓肚等问题。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在提供一种高径比坯料预镦粗成形模具和方法，解决了现有镦粗技术中 圆柱体坯料变形不均匀，易出现鼓形的问题。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008] -种坯料预镦粗成形模具，其特征在于：包括上模板和下模板，上模板和下模板能 扣合成一体，当上模板和下模板的分型接触面完全贴合，内部形成空腔，上模板和下模板沿 中心轴线方向的长度为Hl ;所述内部空腔包括三个腔室：椭圆锥台型腔I、固定型腔、椭圆 锥台型腔II ;所述固定型腔中心轴线方向的长度为H0,固定型腔位于椭圆锥台型腔I和椭 圆锥台型腔II中间，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II分布在两边，呈对称分布；所述固 定型腔的横截面形状为椭圆形，短轴垂直于上模板和下模板的分型接触面；所述椭圆锥台 型腔I和椭圆锥台型腔II的小端面为椭圆形横截面，短轴为d，长轴为C，椭圆锥台型腔I 和椭圆锥台型腔II的大端横截面形状为椭圆形，长轴为c，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型 腔II的大端面与固定型腔的横截面光滑过渡衔接，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的 大端横截面光滑过渡到小端横截面。
[0009] 进一步地，所述固定型腔的横截面椭圆的长轴和短轴分别为c和D，且c = I. 1D。
[0010] 上述方案中，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II主要对预镦粗坯料的两端部位起 成形作用，固定型腔主要对预镦粗坯料的中间部位起定位固定作用。
[0011] 圆柱体预镦粗坯料的直径为D，高为H。针对该圆柱形坯料的镦粗，其中相关参数 要满足以下条件：
[0012] (1)设计前提基本要求：
【权利要求】
1. 一种坯料预镦粗成形模具，其特征在于：包括上模板和下模板，上模板和下模板能 扣合成一体，当上模板和下模板的分型接触面完全贴合，内部形成空腔，上模板和下模板沿 中心轴线方向的长度为Hi ;所述内部空腔包括三个腔室：椭圆锥台型腔I、固定型腔、椭圆 锥台型腔II;所述固定型腔中心轴线方向的长度为4，固定型腔位于椭圆锥台型腔I和椭 圆锥台型腔II中间，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II分布在两边，呈对称分布；所述固 定型腔的横截面形状为椭圆形，短轴垂直于上模板和下模板的分型接触面；所述椭圆锥台 型腔I和椭圆锥台型腔II的小端面为椭圆形横截面，短轴为d，长轴为C，椭圆锥台型腔I 和椭圆锥台型腔II的大端横截面形状为椭圆形，长轴为c，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型 腔II的大端面与固定型腔的横截面光滑过渡衔接，椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II的 大端横截面光滑过渡到小端横截面。
2. 根据权利要求1所述的坯料预镦粗成形模具，其特征在于：所述固定型腔的横截面 椭圆的长轴和短轴分别为c和D，且c=l. 1D。
3. -种坯料预镦粗成形方法，采用权利要求1所述的坯料预镦粗成形模具，所述坯料 为圆柱体坯料，其特征在于：包括以下步骤： (1) 第一次合模：将预镦粗模具的下模板放置在液压机的工作台面上，预镦粗模具的上 模板固定在液压机的活动横梁驱动上，调整上模板和下模板的位置和高度，确保扣合后的 上模板和下模板分型接触面完全重合； 热处理后的预镦粗坯料吊放入下模板的型腔中，坯料两端面分别到椭圆锥台型腔I和 椭圆锥台型腔II小端横截面的距离相等； 调整液压机的下降速度为1~1〇 mm/s，调整完毕后，开启液压机进行镦粗； 由动力机构驱动液压机活动横梁下移，上模板下降，下降速度为l~l〇mm/S，使上模板和 下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动横梁停止下降； (2) 第一次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5~20 mm/s速度上移，上模板提升， 以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，顺时针旋转90° ; (3) 第二次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁1~10 mm/s速度下移， 上模板下降，下降速度为l~l〇mm/S，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动 横梁停止下降； (4) 第二次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5~20 mm/s速度上移，上模板提升， 以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，顺时针旋转45° ; (5) 第三次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁f 10 mm/s速度下移， 上模板下降，下降速度为l~l〇mm/S，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动 横梁停止下降； (6) 第三次翻转：由动力机构驱动液压机活动横梁5?20 mm/s速度上移，上模板提升， 以坯料中心轴为中心线，旋转预镦粗坯料，逆时针旋转90° ; (7) 第四次合模：开启液压机，由动力机构驱动液压机活动横梁1~10 mm/s速度下移， 上模板下降，下降速度为l~l〇mm/S，使上模板和下模板的分型接触面完全贴合，液压机活动 横梁停止下降； 由动力机构驱动液压机活动横梁5~20 mm/s速度上移，上模板提升，经过坯料的横截面 旋转模锻成形，坯料成为两端具有锥台形状的柱状坯料，完成坯料的预镦粗阶段。
4. 根据权利要求3所述的坯料预镦粗成形方法，其特征在于：所述第一次合模过程中， 固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两 端的部位发生变形，坯料在上下模板形成型腔的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯 料的左右两个端面发生变形，坯料两端横截面呈现椭圆形截面，椭圆形的短轴为d。
5. 根据权利要求3所述的坯料预镦粗成形方法，其特征在于：所述第二次合模过程中， 固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两 端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的 左右两个端面发生变形，坯料两端的椭圆形横截面的长轴变短、短轴变长。
6. 根据权利要求3所述的坯料预镦粗成形方法，其特征在于：所述第三次合模过程中， 固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两 端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的 左右两个端面发生变形，坯料两端的横截面向近似圆形变化。
7. 根据权利要求3所述的坯料预镦粗成形方法，其特征在于：所述第四次合模过程中， 固定型腔内的坯料不发生变形，圆柱体坯料的中间部位的直径不发生变化；圆柱体坯料两 端的部位发生变形，坯料在上下模板形成的椭圆锥台型腔I和椭圆锥台型腔II内，坯料的 左右两个小端面发生变形，坯料两端的横截面变为圆形，圆形的直径为d。
【文档编号】B21J5/02GK104384416SQ201410594530
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】汪程鹏, 李克伟, 杨琳, 池成忠 申请人:太原理工大学