基于中心压实的X截面拔长方法与流程

本发明涉及金属锻造技术领域，尤其涉及一种基于中心压实的x截面拔长方法。

背景技术：

在矩形截面金属锻件拔长过程中，经常会出现心部开裂和对角线形疏松等缺陷，这是由于锻件横截面心部出现的横向拉应力和对角线处产生的切应变导致的，这些缺陷直接影响锻件质量。

为解决上述问题，根据力学理论和实验研究结果，当前常用的方法可归纳为以下几个方面：一是利用平砧拔长时，通过合理调整砧宽比和料宽比，使锻件心部尽可能在静水压力下获得充分变形，达到压实心部的目的，然而，受砧宽比和料宽比合理区间限制，使每次的下压量都不得过大，影响工作效率；二是通过改变型砧形状，如v型砧、梯型砧等，来减小甚至消除心部横向拉应力，达到压实心部的目的，然而，各方法所需载荷成倍增加，且不易控制锻件横截面变形的均匀性，进而影响锻件成形的质量；三是利用快速水冷方法改变锻前毛坯内部温度梯度，表层金属迅速降温后形成硬壳，利用外硬壳层金属约束心部金属横向变形，再利用窄砧拔长，使其在很小的压下量下，心部也能获得较大的变形，达到压实心部的目的，然而，由于热传导等因素的影响，工作中锻件内外温度很快趋于均衡，外硬壳层约束作用减弱，因此，工作时间要求很短，工作紧张，心部质量不易保证。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供一种基于中心压实的x截面拔长方法，目的是完善以往方法存在的缺点，以及改善矩形截面坯料心部质量的拔长方法，该工艺尤其适用于大型长轴类矩形截面坯料拔长工艺。

本发明的技术方案是提供一种x截面拔长方法，利用t型窄砧分别对上下、左右两个对面压出凹形，获得横截面轮廓呈x状的所述预制坯料，并利用所述t型窄砧对横截面轮廓呈x状的所述预制坯料进行再次压制，从而改变平砧拔长矩形截面坯料时坯料内部的力学状态，所述t型窄砧可使初始坯料在大的压下量下仍保持所需的凹形形状和大小。基于金属塑性力学理论，当利用所述t型窄砧前端凸台的平端面对x形状的所述预制坯料进行压制时，在预制坯料上下面两侧角部凸起金属的影响下不会产生横截面近似三角形的难变形区，从而打乱坯料内部的切应变区，这样使x形状的预制坯料在超过料宽比的范围时，也不会出现心部对角方向的切应力，抑制对角线裂纹的产生，并在下压过程中，x形状的所述预制坯料在两侧凹形影响下，会有横向的压应力分量产生，从而在大的料宽比下也能保证心部不会产生横向拉应力。

拔长过程中具体实施步骤如下：

(1)根据所述成品坯料要求的最终尺寸，选择合适的规格砧型，所述t型窄砧规格的选择遵从的原则为所述t型窄砧前端凸台的平端面长度l应大于所述成品坯料的最终尺寸，优选范围为大于所述成品坯料最终尺寸的15％～20％，所述t型窄砧前端凸台高度h根据拔长道次要求选择适当即可，优选范围为所述成品坯料最终尺寸的10％～20％，所述t型窄砧的前端凸台坡度α优选范围为20°～40°之间，t型窄砧的砧宽比优选范围为0.5～0.9之间；

(2)利用所述t型窄砧部分对所述初始坯料上下两个面压出适当大小的凹面后继续下压，目的是使坯料心部完全锻透，下压量适当即可，但需使压制后的初始坯料高度大于所述t型窄砧前端凸台的平端面宽度，以便将初始坯料沿其中心x轴线顺时针翻转90°后，对另两个表面进行压凹处理；

(3)随后将所述初始坯料沿其中心x轴线顺时针翻转90°，对另两个面也压出适当的凹面后继续下压，使预制坯料高度小于所述t型窄砧前端凸台的平端面宽度，目的是使预制坯料沿其中心x轴线顺时针翻转90°后，利用所述t型窄砧前端凸台部分可以对预制坯料整个上表面进行压制，从而不需要换砧；最终使横截面轮廓呈x状预制坯料。(2)和(3)过程中，由于所述t型形状的窄砧下方金属变形较大，心部金属很容易被锻透，所以不会导致心部产生横向裂纹，从而达到压实心部的作用；

(4)再次将x状预制坯料沿其中心x轴线顺时针翻转90°，利用所述t型窄砧前端凸台平端面下压x状预制坯料中上下面的两侧角部凸起金属，将该区域金属压入x状预制坯料主体内部，直至压平。此过程中所述角部凸起金属从四角被压入x状预制坯料主体，抑制心部对角方向的切应变产生，从而消除对角线形疏松缺陷。整个下压过程中，左右两侧所述凹面形成指向心部的压力分量可保持心部横向受压；按此方法，第三次将上下面已经压平的预制坯料沿其中心x轴线顺时针翻转90°，压制另两个面，直至完成规定尺寸；

在上述步骤(4)中，若将上表面压平后，预制坯料高度未达到所述成品坯料的尺寸要求，则继续下压，使截面轮廓继续呈x状；随后将x状预制坯料沿其中心x轴线顺时针翻转90°，利用所述t型窄砧前端凸台的平端面再次下压另两个面上的角部凸起金属，若将上表面压平后预制坯料高度已达到所述成品坯料的尺寸要求，则压平即可，若将上表面压平后预制坯料高度依然未达到所述成品坯料的尺寸要求，重复上述操作，直至上表面压平后预制坯料高度达到所述成品坯料的尺寸要求，随后将上下面已经压平的预制坯料沿其中心x轴线顺时针翻转90°，将另两个面压平，最终获得符合尺寸要求的所述成品坯料。

优选地，所述t型窄砧的前端凸台为拔长时所需的凹形。

优选地，所述t型窄砧对矩形截面初始坯料进行压制时，由于所述t型窄砧的前端凸台宽度较窄，下方金属变形较大，心部金属很容易被锻透，因此，不会导致心部产生横向裂纹，压出所需的凹形后继续下压，使心部获得更大的变形，同时，当所述预制坯料高度小于所述t型窄砧的前端凸台平端面宽度后，利用所述t型窄砧前端凸台的平端面就可对所述预制坯料的整个上表面进行压制，无需换砧。

优选地，所述t型窄砧前端凸台的平端面对x形状预制坯料的上下对面角部凸起金属进行压下，在x形状预制坯料内部不会形成对角线形的切应变区，而且由于x形状预制坯料的左右两侧凹形产生的指向心部压应力分量，使得心部始终处于压应力状态，从而抑制对角方向疏松和横向裂纹等缺陷的产生。

优选地，所述t型窄砧规格的选择所遵从的原则为t型窄砧前端凸台的平端面长度l应大于所述成品坯料的最终尺寸，优选范围为大于所述成品坯料的最终尺寸的15％～20％，所述t型窄砧前端凸台高度h根据拔长道次要求选择适当即可，优选范围为成品坯料的最终尺寸的10％～20％，所述t型窄砧的前端凸台坡度α优选范围为20°～40°之间，所述t型窄砧的砧宽比优选范围为0.5～0.9之间。

优选地，对于拔长时单次下压量范围的选择所遵循的原则为第一次下压量为压出所需凹形后，再次下压约为初始坯料高度的5％～8％即可，第二次下压量为压出所需凹形后再次下压，下压量为压制后的预制坯料高度小于t型窄砧前端凸台的平端面长度l，使压制后的预制坯料高度约为l的85％～95％，因坯料轴向伸长而使坯料的横截面积减少，所以后几次压下量较第二次下压量相比逐渐减小，根据最终尺寸和翻转次数而定，适当即可。

优选地，从坯料的形状出发，来改善心部的力学状态，并设计出所述t型形状窄砧，从而在拔长过程中就可获得所需的坯料形状，不需在拔长之前对坯料进行任何预先处理。

与传统拔长工艺相比，本发明具有那些如下优点：

一种x截面拔长方法，不需要预先形成合理的温度梯度，同时工作中所用的所述t型窄砧不仅没使所需的载荷增加，而且较普通平砧还略有减小，当所述t型窄砧将初始坯料压制成x状所述预制坯料时，会打破以往平砧拔长矩形截面坯料时料宽比的限制，通过改变坯料形状来改善锻件心部的应力状态，使其在较大的料宽比下仍不会形成横向拉应力，这样就可以适当的增加单次压下量，提高拔长效率和成型质量。

附图说明

图1为本发明基于中心压实的x截面拔长方法使用的t型窄砧；

图2a-图2f为本发明基于中心压实的x截面拔长方法流程示意图；

图3a-图3b为本发明基于中心压实的x截面拔长方法与平砧拔长工艺内部切应变场对比；以及

图4a-图4b为本发明基于中心压实的x截面拔长方法与平砧拔长工艺内部横向应力场对比。

主要附图标记：

上砧1；初始坯料21；预制坯料22；角部凸起金属23；凹形24；成品坯料25；下砧3。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明的一种x截面拔长方法，利用t型窄砧分别对上下、左右两个对面压出凹形，获得横截面轮廓呈x状的预制坯料，并利用t型窄砧对横截面轮廓呈x状的预制坯料进行再次压制，从而改变平砧拔长矩形截面坯料时坯料内部的力学状态，t型窄砧可使初始坯料在大的压下量下仍保持所需的凹形形状和大小。根据拔长方法所需而设计处一种t型窄砧，如图1所示，l为t型窄砧前端凸台长度，h为t型窄砧前端凸台高度，α为t型窄砧前端凸台坡度。t型窄砧的前端凸台为拔长时所需的凹形，t型窄砧可使坯料在大的压下量下，仍保持合适大小的凹形。

主要实施步骤如下：

步骤1：根据成品坯料25要求的最终尺寸，选择合适的规格砧型，砧型的整体形状为t型形状的窄砧，砧型规格遵从的原则为t型窄砧前端凸台的平端面长度l应大于成品坯料25的最终尺寸，优选范围为大于成品坯料的最终尺寸的15％～20％，t型窄砧前端凸台高度h根据拔长道次要求选择适当即可，优选范围为成品坯料的最终尺寸的10％～20％，t型窄砧的前端凸台坡度α优选范围为20°～40°之间，t型窄砧的砧宽比优选范围为0.5～0.9之间；

步骤2：将初始坯料21加热到始锻温度1100℃；

步骤3：将初始坯料21放置在下砧3的位置上，如图2a所示；

步骤4：利用t型窄砧对矩形截面的初始坯料21进行压制，向下压出与凸台形状相同的凹形24，如图2b所示；

步骤5：将上下面已呈现凹形24的初始坯料21沿其中心x轴线顺时针一次翻转90°，如图2c所示，压制另两个面，如图2d所示，利用t型窄砧再次下压另两个面也为凹形24，使初始坯料21横截面呈x型，成为后续步骤所需的预制坯料22；

步骤6：当预制坯料22的横截面呈x型后继续下压，使预制坯料22高度略小于t型窄砧前端凸台的平端面宽度，目的是使预制坯料22沿其中心x轴线顺时针二次翻转90°后，利用t型窄砧前端凸台的平端面就可以对预制坯料22整个上表面进行压制，从而不需要换砧；

步骤7：将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针二次翻转90°，如图2e所示，利用t型窄砧前端凸台平端面压制上下面两侧的角部凸起金属23，直至压平；

步骤8：若将上表面压平后，尺寸已接近最终要求尺寸，则进行步骤11，若预制坯料22高度未达到最终要求尺寸，则继续下压，使预制坯料22的截面轮廓继续呈x状；

步骤9：随后将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针再次翻转90°，利用t型窄砧前端凸台平端面再次下压另两个面上的角部凸起金属23，直至压平；

步骤10：若预制坯料22高度未达到最终要求尺寸，则重复步骤8，继续下压，将上表面压平后预制坯料22高度已达到最终尺寸要求，则压平即可；

步骤11：随后将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针翻转90°，如图2f所示，利用t型窄砧前端凸台平端面压制另两个面两侧的角部凸起金属23，将预制坯料22拔长到最终要求的尺寸，最终获得符合最终要求尺寸的成品坯料25。

以下结合实施例对本发明一种x截面拔长方法做进一步的描述：

实施例一：

将初始坯料21横截面为500mm*500mm的正方体，拔长到成品坯料25横截面为300mm*300mm的正方体。

根据成品坯料25所要求的最终尺寸，t型窄砧砧型规格为，t型窄砧的前端凸台长度l＝36mm，t型窄砧的前端凸台高度h＝4mm，t型窄砧的前端凸台坡度α＝30°，t型窄砧的砧宽比为0.8。

拔长操作步骤如下：

(1)将初始坯料21加热到始锻温度1100℃；

(2)将初始坯料21左右对称的放置在上砧1和下砧3之间；

(3)下砧3保持固定不动，上砧1对初始坯料21进行下压，第一次下压量为200mm；

(4)将初始坯料21沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对初始坯料21继续进行下压，第二次下压量为320mm，此时获得横截面为x状的预制坯料22；

(5)将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对预制坯料22继续进行下压，第三次下压量为250mm；

(6)将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对预制坯料22继续进行下压，第四次下压量为250mm；

(7)将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对预制坯料22继续进行下压，将凹形24压平即可，第五次下压量为100mm左右。

实施例二：

将初始坯料21横截面为500mm*500mm的正方体，拔长到成品坯料25横截面为250mm*250mm的正方体。

根据成品坯料25所要求的最终尺寸，t型窄砧砧型规格为，t型窄砧的前端凸台长度l＝30mm，t型窄砧的前端凸台高度h＝3mm，t型窄砧的前端凸台坡度α＝30°，t型窄砧的砧宽比为0.8。

拔长操作步骤如下：

(1)将初始坯料21加热到1100℃；

(2)将初始坯料21左右对称的放置在上砧1和下砧3之间；

(3)下砧3保持固定不动，上砧1进行下压，第一次下压量为220mm；

(4)将初始坯料21沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对初始坯料21继续进行下压，第二次下压量为340mm，此时获得横截面为x状的预制坯料22；

(5)将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对预制坯料22继续进行下压，第三次下压量为250mm；

(6)将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对预制坯料22继续进行下压，第四次下压量为170mm；

(7)将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对预制坯料22继续进行下压，第五次下压量为150mm；

(8)将预制坯料22沿其中心x轴线顺时针翻转90°，下砧3保持固定不动，上砧1对预制坯料22继续进行下压，将凹形24压平即可，第六次下压量为60mm左右。

为了更好的突出x截面拔长方法的优点，对x截面拔长方法与平砧拔长方法中内部切应变场进行了对比分析。

图3a是x截面拔长方法得到的切应变场结果，图3b是平砧拔长矩形截面坯料工艺得到的切应变场结果，通过对比图3a和3b，从中可以看出，当平砧拔长矩形截面坯料时，如果矩形截面坯料超过料宽比的范围，由于砧面与坯料表面摩擦的影响，会形成一个横截面近似三角形的难变形区，在难变形区的影响下，心部会产生对角线形状的切应变区，直至矩形截面坯料进入合理的料宽比范围内，切应变区才会消失，从而在拔长过程的一段时间内都会出现心部对角方向的切应力，坯料沿其中心x轴线翻转90°后，若矩形截面坯料仍超过料宽比的范围，则会继续出现心部对角方向的切应力，在切应力的反复拉扯下，极易在心部区域导致对角线裂纹。

而x截面拔长方法在拔长过程中，由于x形截面与矩形截面的不同，在两端角部凸起金属的影响下不会产生横截面近似三角形的难变形区，从而打乱坯料内部的切应变区，这样使x形截面坯料在超过料宽比的范围时，也不会出现心部对角方向的切应力，抑制对角线裂纹的产生。

为了更好的突出x截面拔长方法的优点，对x截面拔长方法与平砧拔长方法内部横向应力场的对比分析。

图4a是x截面拔长方法得到的横向应力场结果，图4b是平砧拔长工艺得到的横向应力场结果，通过对比图4a和4b，从中可以看出，当平砧拔长矩形截面坯料时，如果矩形截面坯料超过料宽比的范围，会在心部出现横向拉应力，而铸锭凝固过程中，心部更易出现气孔、夹杂、晶粒粗大等缺陷，以至于坯料心部在很小的横向拉应力作用下就会产生裂纹。

而x截面拔长方法在相同料宽比下进行拔长，x截面坯料在两侧“凹形”的影响下，会有横向的压应力分量产生，从而在大的料宽比下也能保证心部不会产生横向拉应力。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。