一种大尺寸球形大锻件的锻造方法及装置与流程

本发明涉及锻件锻造，尤其涉及一种大尺寸球形大锻件的锻造方法及装置。

背景技术：

1、现阶段，行业内大尺寸球形大锻件的工业化生产，如图1所示，普遍采用传统“直筒压台阶”自由锻工艺，是该领域主流的成形加工方式。该工艺的实施原理及核心流程为：首先将冶炼成型的钢锭加热至标准锻造温度，通过镦粗、拔长工序将不规则钢锭坯料锻压为规整的等直径直筒坯料；再以直筒坯料为基础，通过分段局部施压、逐层压制台阶的方式，逐步修整坯料外部轮廓，粗略拟合球形锻件的外形结构；为弥补球形异形结构成形精度差、锻造变形不均匀的问题，该工艺会预留极大的整体加工余量，最终依靠后续大规模机械切削加工，去除坯料多余金属材料，修整尺寸与形貌，得到符合使用标准的球形锻件成品。

2、现有传统“直筒压台阶”工艺存在的核心问题：

3、（1）原材料损耗大：以规整空心直筒为坯料，再分段压台阶拼接模拟球形曲面，整体坯料尺寸远大于成品球头，金属材料投入多，材料利用率低，原料成本高；

4、（2）后续机械加工量巨大：内外壁、球形曲面、过渡台阶均预留很厚均匀余量，切削工序多、加工周期长，机床、刀具损耗大，人工与能耗成本增加；

5、异形曲面成形匹配度差：直筒分段压台阶成型，球形轮廓依靠多段台阶拼接，变形分布不均，金属流线割裂，锻件内部易存在疏松、晶粒粗大缺陷，难以满足高压耐压使用要求。

6、此外，中国发明专利cn104139143b公开了一种椭球形壳体锻件锻制方法，该方法首先将原料锭经反复锻压、冲孔、拔长得到筒形坯料，然后将筒形坯料套在鹅头芯棒上用预成型模压制进行预成型，预成型后再将预成型坯套在成型芯棒上，置于上成型模和下成型模之间进行最终成型。然而，该方法仍存在以下不足：其一，该方法采用“预成型+最终成型”的两步法工艺，中间需要更换模具，工序复杂、周期长；其二，该方法采用的工装体系复杂，包括鹅头芯棒、预成型模、成型芯棒、上成型模、下成型模等多套模具，工装成本高；其三，该方法针对的是椭球形壳体锻件，其成形难度和金属流动规律与球形大锻件存在本质区别，难以直接应用于大尺寸球形锻件的近净成形。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种大尺寸球形大锻件的锻造方法及装置，旨在通过近净旋压成形工艺实现球形曲面的一次性精确成形，大幅提高材料利用率、减少后续加工量、提升锻件内部质量。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，包括以下步骤：

4、预制异形坯：将钢锭加热后经镦粗、拔长，锻制成异形预锻坯，所述异形预锻坯为空心回转体结构；

5、工装装配：将马杠穿入异形预锻坯的内部通孔，将芯轴套筒套装于马杠外部并嵌入异形预锻坯的内部通孔中；将上模具固定，所述上模具的下表面加工有与球形锻件外球面相匹配的弧形型腔，所述芯轴套筒的外壁加工有与球形锻件内球面相适配的弧形工作面；

6、近净旋压成形：驱动马杠绕自身轴线沿第一方向旋转，芯轴套筒随马杠同步旋转；所述异形预锻坯的内壁与所述芯轴套筒的弧形工作面之间产生摩擦力，在摩擦力驱动下，异形预锻坯沿与第一方向相同的方向旋转；压机带动上模具逐次下压，在上模具下压过程中，芯轴套筒的弧形工作面与上模具的弧形型腔形成内外双曲面同步约束，迫使金属沿球面连续流动；同时，摩擦力对异形预锻坯内壁施加切向拉伸应力，在成形的同时实现径向扩孔；经旋压后，所述异形预锻坯整体成形为球形锻件；

7、修整整形：对成形后的球形锻件进行少量火次整体整形，消除局部尺寸偏差，获得最终的球形锻件。

8、进一步地，在旋压过程中，采用多道次渐进旋压。

9、进一步地，压机带动上模具逐次下压的过程中，所述异形预锻坯每被动旋转一个预设角度，上模具完成一次下压。

10、进一步地，所述近净旋压成形的锻造温度控制在所述异形预锻坯所用材料的标准锻造温度范围内。

11、进一步地，所述异形预锻坯的预制方法具体为：根据最终球形锻件的成品尺寸，基于体积不变原理反向计算所需坯料的形状和体积，在钢锭镦粗、拔长过程中控制坯料各部位的横截面积沿轴向呈渐变式分布，使制得的异形预锻坯的母线轮廓与球形锻件的母线轮廓之间的单边余量控制在最终球形锻件半径的2.5%~3%。

12、进一步地，所述芯轴套筒的外壁弧形工作面的曲率半径与最终球形锻件内球面的理论曲率半径一致，所述上模具的弧形型腔的曲率半径与最终球形锻件外球面的理论曲率半径一致。

13、第二方面，本发明还提供一种大尺寸球形大锻件的锻造装置，用于实现第一方面所述的一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，包括上模具、芯轴套筒和限位挡圈；其中：

14、所述上模具与压机连接；所述上模具的下表面为凹弧形型腔，所述凹弧形型腔的曲率半径与目标球形锻件外球面的理论曲率半径相适配；

15、所述芯轴套筒的内径与马杠的外径相适配，其外壁为凸弧形工作面，所述凸弧形工作面的曲率半径与目标球形锻件内球面的理论曲率半径相适配；所述芯轴套筒套装于马杠外部，并用于通过其外壁弧形工作面与异形预锻坯内壁之间的摩擦力驱动异形预锻坯同向旋转；

16、所述限位挡圈分别套装于马杠上并定位于芯轴套筒的两端，用于限制芯轴套筒在锻造过程中沿轴向滑移。

17、进一步地，所述限位挡圈与马杠之间通过螺纹连接、卡环连接或螺栓锁紧方式固定。

18、综上所述，与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：

19、（1）解决原材料消耗高问题：反向匹配成品尺寸预制异形预坯，不再采用大尺寸直筒坯，锻件整体减重59%，钢材投入大幅减少，材料利用率显著提升，降低原料采购成本；

20、（2）解决后续加工量大问题：内外曲面依靠专用弧形模具直接锻出，仅保留微量粗加工余量，切削去除金属极少，缩短机加工周期，减少刀具损耗、人工与电能消耗，提升整体生产效率；

21、（3）解决曲面成形差、锻件性能不足问题：本发明采用内外双曲面同步约束、渐进旋压成形，摒弃了传统分段压台阶造成的变形不均和金属流线割裂。在成形过程中，异形预锻坯的外壁受到上模具弧形型腔的约束，内壁受到芯轴套筒弧形工作面的约束，内外双曲面同步作用使金属沿球形曲面均匀流动，金属流线跟随球头轮廓连续分布，不产生台阶式突变；同时，小变形量、多道次渐进旋压使锻件变形均匀，内部疏松充分锻合，晶粒细化，有效满足了高压承压、抗疲劳工况的使用要求；

22、（4）本发明依靠上模具弧形型腔与芯轴套筒弧形工作面形成内外双曲面同步约束，内外圆弧同步约束坯料，实现球形曲面一次贴合成形；不再分段打压多级台阶，避免了台阶拼接造成的形貌偏差和尺寸误差。采用小变形量、多道次渐进旋压，每次下压后旋转一个预设角度，使坯料在各个方向均匀受力，有效避免因受力不均导致的形位偏差，尺寸精度得到大幅提高。

1.一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，其特征在于：在旋压过程中，采用多道次渐进旋压。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，其特征在于：压机带动上模具逐次下压的过程中，所述异形预锻坯每被动旋转一个预设角度，上模具完成一次下压。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，其特征在于：所述近净旋压成形的锻造温度控制在所述异形预锻坯所用材料的标准锻造温度范围内。

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，其特征在于：所述异形预锻坯的预制方法具体为：根据最终球形锻件的成品尺寸，基于体积不变原理反向计算所需坯料的形状和体积，在钢锭镦粗、拔长过程中控制坯料各部位的横截面积沿轴向呈渐变式分布，使制得的异形预锻坯的母线轮廓与球形锻件的母线轮廓之间的单边余量控制在最终球形锻件半径的2.5%~3%。

6.根据权利要求1所述的一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，其特征在于：所述芯轴套筒的外壁弧形工作面的曲率半径与最终球形锻件内球面的理论曲率半径一致，所述上模具的弧形型腔的曲率半径与最终球形锻件外球面的理论曲率半径一致。

7.一种大尺寸球形大锻件的锻造装置，用于实现如权利要求1-6任一项所述的一种大尺寸球形大锻件的锻造方法，其特征在于：包括上模具(1)、芯轴套筒(3)和限位挡圈；其中：

8.根据权利要求1所述的一种大尺寸球形大锻件的锻造装置，其特征在于：所述限位挡圈与马杠(2)之间通过螺纹连接、卡环连接或螺栓锁紧方式固定。