用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装

技术领域

本发明涉及零件加工技术领域，具体涉及一种用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装。

背景技术

随着我国船舶工业的不断发展，船舶在海面上运行时的工况越来越复杂，离合器作为船舶主推进齿轮箱的离合、换向装置，能够控制船舶中的动力输出轴随时进行分离和接合，对船舶机动性起着至关重要的作用，是支撑船舶灵活面对复杂工况的重要部件。目前，随着船舶推进系统大功率化，船用离合器尺寸规格越来越大，相关技术要求也越来越高。而大型薄壁鼓式零件作为船用离合器的重要组成结构，现有技术要求中对该零件的内外部缺陷控制水平、强度要求等指标均提出了更高的标准，如缺陷控制水平需要达到JB/T4730标准超声波及磁粉检测Ⅰ级质量要求，抗拉强度达到850Mpa强度等级等，而若是加工质量无法达到标准要求，则会直接影响到船用离合器整体的质量。

在大型薄壁鼓式零件的加工中，常用的加工方法是通过铸造工艺成型，该方法操作简单，成本较低；但是，成型效果不良，缺陷多、焊补返修量大，得到的铸件质量往往难以满足要求。特别是在船用离合器技术要求提高的情况下，常规铸造工艺已无法满足目前的零件加工需求。

发明内容

本发明意在提供一种用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装，能够达到较高的产品加工质量，有助于提高加工效率，降低加工成本。

为达到上述目的，本发明提供的基础方案为：

方案一

用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法，包括以下步骤：

步骤1，根据零件尺寸设计锻件图；

步骤2，根据锻件图，设计胎模工装；所述胎模工装包括中空的成型胎模、上部垫模和冲孔工装；

步骤3，确定分阶段加热工艺参数和各工步的锻造工艺参数；

步骤4，按工步进行锻造成型加工，并获得锻件；所述锻造成型加工包括：工步1，按照锻件图的重量及尺寸要求，锻造出台阶轴形状的坯料；工步2，将坯料装入成型胎模中，向下镦粗成型，使得坯料反向翻边并完全包裹成型胎模；工步3，将上部垫模对准放置在坯料表面，向下锻压至完全压入坯料本体后取出上部垫模；工步4，将冲孔工装放置坯料中心，向下双面冲孔。

进一步，还包括步骤5，对锻件进行精整校正。

进一步，在设计锻件图时，包括按照薄壁鼓式零件轮廓图，设计薄壁鼓式锻件的拔模斜度及工艺余量。

进一步，所述确定分阶段加热工艺参数包括设定五段式加热工艺。

进一步，所述五段式加热工艺包括：控制原材料在500℃下保温；升温至850℃；并在850℃下保温；升温至1230℃；并在1230℃下保温，开始锻造。

进一步，在开始锻造后，后续的锻造火次保温时间按坯料厚度以0.8～1.2h/100mm进行设定。

本方案的工作原理及优点在于：

本方案利用胎模工装进行胎模锻造，能够得到尺寸精确的锻件，通过简单的精整校正即可完成大型薄壁鼓式零件的高质量成型。本方案突破了常规采用铸造工艺进行加工的设计局限，应用了锻造成型工艺进行大型薄壁鼓式零件的加工，能够从根源上消除材料内部疏松、气孔、枝晶偏析等铸态组织缺陷，得到内部质量优良的锻件产品。并且，本方案的运作成本较低，所采用的胎模工装结构简单，通过胎模锻造得到的锻件尺寸精准，能够有效减少机械加工余量，缩短生产制造周期；本方案能够达到较高的产品加工质量，有助于提高加工效率，降低加工成本。

特别的是，第一，与常规锻造工艺相比，本方案选择通过设计胎膜工装进行锻造，锻造成本更低、锻造质量更高。具体地，在本方案所设计的胎模锻造工艺中，一方面，可以通过胎膜工装锻造得到近净成型的锻件，减少机械加工余量，降低材料消耗；另一方面，在胎膜锻造中，可以均匀控制大型薄壁鼓式零件各部位的锻造变形量，得到组织状态良好的锻件；另外，胎膜工装结构简单，制造成本低，与其它锻件的通用性和共用性较强，综合性价比高。

第二，本方案克服了在大型薄壁鼓式零件锻造生产上应用胎膜的设计难点，使得胎模锻造能够在大尺寸的重型零件上发挥良好成效。具体地，作为船用离合器组成零件的大型薄壁鼓式零件，其长宽高尺寸往往达到数米，重量达到吨级；且其结构包括薄壁型结构。这使得在胎模锻造中易于存在下述难点——一是胎膜内外拔模斜度的设计参数选择，若斜度选择过大，易造成锻件镦粗反边困难，高度尺寸难以锻出；斜度选择过小，则会导致反边成型后难以脱模。二是胎膜圆角设计参数选择，若圆角过大，锻造变形力需求大，材料成形困难，难以达到锻件尺寸；若圆角过小，则会导致局部产生折叠、裂纹等锻造缺陷；三是锻件尺寸大，操作复杂，胎模及工装设计必须充分考虑锻造操作工艺性，同时需要综合考虑锻造操作的工作难度及生产效率与减少锻件机加工量之间的最佳工艺组合。

针对上述难点问题，本方案则通过模拟锻造作业过程，对成型胎模、上部垫模和冲孔工装进行了针对性的参数设计，并创新性组合应用到大型薄壁鼓式零件的锻造生产中，所设定的胎膜形状能够满足加工成型要求，且便于脱模，不易产生锻造缺陷。并且，进一步地，本方案通过分工步使用胎膜工装，降低了生产操作难度，更易于保证锻造成型过程中的变形量的均匀性和可控性，锻造工艺性较好，锻件质量优异。

方案二

用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型工装，用于如方案一所述的用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法；包括胎模工装；所述胎模工装包括中空的成型胎模、上部垫模和冲孔工装。

进一步，所述成型胎模的内壁倾斜度为3°～5°。

进一步，所述冲孔工装的外圆面倾斜度为5°～7°

进一步，所述成型胎模的内外壁的上边缘和所述上部垫模的外壁上边缘均为圆角；且所述圆角尺寸为R30～R50。

本方案的工作原理及优点在于：胎模工装包括有不同类型的组件，能够满足大型薄壁鼓式零件的不同结构特征的成型要求，使用方便，可高效率地进行批量生产，经济效益较好。并且，本方案设计的胎膜工装尺寸特殊，设定的斜度能够保证锻件的镦粗反边等工步有效完成，保证锻件精准成型且便于脱模；设定的圆角能够保证各工步顺畅成型且不易产生锻造缺陷，整体工装尺寸设计精准，能够辅助完成高质量的锻造成型。

附图说明

图1为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的方法流程示意图；

图2为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的薄壁鼓式零件轮廓图；

图3为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的锻件图；

图4为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的成型胎模结构示意图；

图5为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的上部垫模结构示意图；

图6为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的冲孔工装结构示意图；

图7为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的台阶轴形状的坯料结构示意图；

图8为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的工步2中将坯料装入成型胎模中的步骤示意图；

图9为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的工步2中的向下镦粗成型步骤示意图；

图10为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的工步2中的坯料反向翻边并完全包裹成型胎模步骤示意图；

图11为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的工步3中压入上部垫模步骤示意图；

图12为本发明用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装实施例的工步4的冲孔步骤示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例基本如附图1所示：用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法，包括以下步骤：

步骤1，根据零件尺寸设计锻件图。

在设计锻件图时，包括按照薄壁鼓式零件轮廓图，设计薄壁鼓式锻件的拔模斜度及工艺余量。本实施例中，零件选为大功率船用离合器中的薄壁鼓式零件，薄壁鼓式零件轮廓图如附图2所示，其外径约为2500mm，高度约为800mm，壁厚约为100mm，总重量约为7吨。并且，本实施例中的薄壁鼓式零件设计为850MPa强度等级，选用35CrMo或42CrMo等中碳合金钢作为原材料。该类大型零件常规采用铸造工艺成型，但成型效果不佳，缺陷多、焊补返修量大，铸件质量往往难以满足要求。

对应该薄壁鼓式零件轮廓图设计得到锻件图如附图3所示。

步骤2，根据锻件图，设计胎模工装；所述胎模工装包括中空的成型胎模(如附图4所示)、上部垫模(如附图5所示)和冲孔工装(如附图6所示)。

步骤3，确定分阶段加热工艺参数和各工步的锻造工艺参数。

所述确定分阶段加热工艺参数包括设定五段式加热工艺。具体地，所述五段式加热工艺包括：控制原材料在500℃下保温4～6h；按60～80℃/h速度升温至850℃；并在850℃下保温6～8h h；按炉窑最大功率升温至1230℃；并在1230℃下保温10h，开始锻造。在开始锻造后，后续的锻造火次保温时间按坯料厚度以0.8～1.2h/100mm进行设定。采用分段式加热方式，能够为不同的工艺步骤设定合适的加热方式，加热质量较高。

步骤4，按工步进行锻造成型加工，并获得锻件。

所述锻造成型加工包括：

工步1，按照锻件图的重量及尺寸要求，锻造出台阶轴形状的坯料，其中，台阶轴小端直径按成型胎膜内孔尺寸-30～50mm进行设计，台阶轴大端则根据材料重量设计高径比为1.7～2.2，如附图7所示。

工步2，先对成型胎膜表面涂刷一层石墨乳，并预热至300～400℃后，将坯料装入成型胎模中，如附图8所示。向下旋转碾压台阶轴大端，再整体镦粗成型，以便于台阶轴形状的坯料材料向下流动，如附图9所示，使得坯料反向翻边并完全包裹成型胎模，如附图10所示。

工步3，将上部垫模表面涂刷一层石墨乳，并预热至300～400℃后，如附图11所示，将上部垫模对准放置在坯料表面，向下锻压至完全压入坯料本体后，使用锻造操作机夹持坯料翻转180℃，上部垫模可在石墨乳的润滑作用下轻松掉落。

工步4，使用锻造操作机夹持坯料再次翻转180℃，将冲孔工装放置在坯料中心，向下双面冲孔，得到中空的锻件，同时使坯料中心部位得到充分锻造变形，如附图12所示。

通过上述分工步的锻造加工，本方案能够有效降低生产操作难度，充分发挥各个胎模工装的作用，更易于保证锻造成型过程中的变形量的均匀性和可控性，锻造工艺性较好，锻件质量优异。并且，在各工步中，通过涂刷、预热、翻转等辅助操作，可保证胎模锻造效率更高，锻造操作更可靠。

步骤5，对锻件进行精整校正。

本实施例还提供一种用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型工装，用于如上述的一种用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法；包括胎模工装；所述胎模工装包括中空的成型胎模、上部垫模和冲孔工装。

具体地，本实施例中，所述成型胎模外径2100mm，内径700mm，高度500mm，胎膜的内壁倾斜度为3～5°。所述冲孔工装直径200mm，外圆面倾斜度为5～7°。所述成型胎模的内外壁的上边缘和所述上部垫模的外壁上边缘均为圆角；且所述圆角尺寸为R30～R50。在上述尺寸条件中，设定的斜度能够保证锻件的镦粗反边等工步有效完成，保证锻件精准成型且便于脱模；设定的圆角能够保证各工步顺畅成型且不易产生锻造缺陷，整体工装尺寸设计精准，能够辅助完成高质量的锻造成型。

本实施例提供的一种用于大型薄壁鼓式零件的锻造成型方法及工装，采用锻造成型工艺完成对大型薄壁鼓式零件的加工，能够达到较高的产品加工质量，有助于提高加工效率，降低加工成本。并且，所设计的胎模工装结构简单，通过胎模锻造得到的锻件尺寸精准，能够有效减少机械加工余量，缩短生产制造周期。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。