一种基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法

本申请涉及锻造，特别涉及一种基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法。

背景技术：

1、扭杆弹簧、扭力轴等高强钢长轴类构件是机械装备中关键的承载与弹性传动部件，服役过程中持续承受往复扭转载荷与循环交变载荷作用。此类构件的失效多源于表层剪切疲劳损伤、磨损开裂或整体脆性断裂，对材料组织性能具有梯度化的差异化需求：构件表层直接承受高剪切应力，易产生疲劳累积损伤，需具备优异的强度、硬度及抗疲劳性能；构件芯部承担整体承载与缓冲作用，需保留良好的塑性、韧性，以此规避构件整体脆性失效，保障长期服役稳定性。因此，构筑表层细晶、芯部塑韧性优良的梯度组织结构，是提升扭杆类长轴构件综合服役性能的核心关键。

2、现有技术中，径向锻造是长轴类构件精密成形的核心工艺，现有径向锻造工艺多采用固定结构锤头完成多道次锻造成形作业。受限于锤头固定的工作面曲率、有效接触宽度及砧宽比参数，锻造过程中锤头与坯料的接触状态、接触压力分布及塑性变形穿透深度无法随各道次组织调控需求进行动态、主动适配，难以精准调控坯料不同区域的塑性变形程度。目前行业内相关锻造技术的优化研究，大多聚焦于锻件整体成形精度、心部缺陷焊合、锤头接触稳定性及构件表面宏观质量改善，例如通过宽砧、窄砧与下宽平台组合结构优化大型转子锻件的心部缺陷焊合效果，或通过锤头轴向、周向多级表面结构设计，提升锤头与工件的贴合度、保护锤头工作面。现有各类改进方案均以整体成形质量控制为核心目标，未针对构件表层与芯部的差异化性能需求开展梯度组织调控设计，无法实现坯料表层、芯部的非均匀塑性变形可控分布。综上，传统径向锻造工艺仅能实现坯料整体减径、表面整形及尺寸精度修整，无法主动调控坯料表层与芯部的累积塑性变形量，难以构筑表层细晶、芯部粗晶的理想梯度组织结构，严重制约了扭杆弹簧、扭力轴等高强钢长轴类构件抗疲劳性能与整体力学性能的同步提升。

3、因此，亟需研发一种可精准调控表层芯部非均匀变形量的径向锻造方法，通过多道次模具变构调形实现梯度组织可控构筑，从根本上优化长轴类高强钢构件的综合服役性能。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，以解决现有技术中存在的高强钢长轴类构件抗疲劳性能、整体力学性能一般等问题。

2、本申请的实施例可以通过以下技术方案实现：

3、一种基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，包括以下步骤操作：

4、沿轴向持续地旋转进给坯料，以及使用沿所述坯料周向设置的各个锤头对持续进给中的坯料进行多道次锻打加载，直至将坯料被加载为大长径比轴类成型构件；

5、不同加载道次中，各锤头沿坯料周向设置的工作面的外形轮廓不同，且沿锻造道次推进顺序，前一加载道次的锤头工作面的曲率小于后一加载道次的锤头工作面的曲率，锤头工作面曲率半径逐步增大，周向包覆角度和有效接触宽度逐步降低。

6、进一步地，多个锤头工作面与坯料外圆在圆周方向上形成接触区域所对应的中心角总和为周向包覆角，随着成形道次增加，周向包覆角度应逐步降低。

7、进一步地，在前期芯部锻透道次中，多个锤头工作面与坯料外圆在圆周方向形成接触区域所对应的中心角总和为周向包覆角，且满足：。

8、进一步地，设第道次成形前坯料直径为，成形后坯料直径为，则第道次坯料特征直径定义为，

9、；

10、设第道次锤头工作面曲率半径为，则可定义锤头曲率半径匹配系数为，，

11、锤头曲率半径匹配系数按道次逐级增大。

12、进一步地，设第 道次x个锤头的总周向包覆角为，则单个锤头的平均周向包覆角为；

13、单个锤头有效接触宽度，有效接触宽度比例，当x=4且250°≤≤300°时，单个锤头平均周向包覆角为60°～70°，有效接触宽度比例约0.52～0.61。

14、进一步地，设第道次成形前坯料直径由至成形后坯料直径过程中的减径率为，

15、；

16、第1道次直径减径率为7.4%～8.7%，单个锤头平均包覆角取值为70°72.5°。

17、进一步地，随着加载道次的逐渐增加，锤头打击频率逐渐加快、单次加载量逐渐降低。

18、进一步地，还包括对大长径比轴类成型构件进行热处理，得到梯度组织。本申请的实施例提供的一种基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法至少具有以下有益效果：

19、本申请通过多道次锤头工作面构型递变，同步匹配打击频率、单次加载量的动态调控，主动改变各道次锤头与坯料的接触约束状态，实现锻造过程中坯料径向截面累积塑性变形场的可控调节。成形前期依靠强周向约束促使塑性变形向芯部充分传递，保证坯料芯部有效锻透；成形中后期逐步弱化周向约束，配合高频小压下加载，将塑性变形更多集中于构件表层，拉大表层与芯部的变形储能差异。经后续热处理后，构件表层获得细晶组织，具备高硬度、高强度与优异抗疲劳性能，芯部保留相对粗晶组织，维持良好塑韧性，得到表层芯部性能差异化的梯度组织轴类锻件。本方案无需改变坯料材质，依靠锻造工艺模具构型耦合调控即可实现梯度组织构筑，工艺适配大长径比高强钢轴类径向锻造场景，兼顾构件成形精度、表面质量与综合力学性能，克服传统径向锻造难以主动调控表层芯部梯度组织的技术局限。

1.一种基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，其特征在于，包括以下步骤操作：

2.根据权利要求1所述的基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，其特征在于：

4.根据权利要求2所述的基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的基于多级变构型模具的径向锻造梯度组织构筑方法，其特征在于：