CN108607941A - 一种钛合金环锻件轧制成型工装及其轧制成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金环锻件轧制成型工装，包括：外径工装组件和内径工装组件；外径工装组件包括第一外径工装和第二外径工装；第一外径工装和第二外径工装的下端设置有形槽；第一外径工装和第二外径工装的下端均设置有向形槽内凸起的定型块；内径工装组件包括第一内径工装、第二内径工装、第三内径工装和第四内径工装；第一内径工装、第二内径工装、第三内径工装和第四内径工装的顶端中间均设置有凸块；第一内径工装的顶端设置有挡块。还公开了一种钛合金环锻件轧制成型工艺，包括如下步骤：下料；冲孔；预轧成型；终轧成型。通过上述方式，本发明能够通过外径工装和内径工装的配合使用，满足复杂截面钛合金异形环高防形的要求。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种钛合金环锻件轧制成型工装及其轧制成型工艺。
背景技术
由于钛合金材料具有密度低，且在高温下具有良好的抗蠕变性能等特点，钛合金材料在航空发动机零部件中被广泛的使用。但同时该材料具有锻造温度区间较窄，且材料流动性较差等缺点，基于这些局限性，现有航空发动机钛合金零部件很多锻件毛坯设计无法实现很高程度的防形设计，都是通过直环或简单的异形设计再利用后续大量的机械加工成型。
现有的钛合金环锻件轧制成型工艺中的工装防形设计要求低，无法实现一些复杂截面的零部件高防形要求，还需要后续大量的机械加工成型，而后续大量的机械加工会切断锻造组织流线，降低产品的综合机械性能。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种钛合金环锻件轧制成型工装，能够满足钛合金环锻件的高防形要求。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种钛合金环锻件轧制成型工装，包括：外径工装组件和内径工装组件；
所述外径工装组件包括第一外径工装和第二外径工装；所述第一外径工装和第二外径工装均设置为环状，所述第一外径工装和第二外径工装的下端设置有形槽；所述第一外径工装和第二外径工装的下端均设置有向所述形槽内凸起的定型块；
所述内径工装组件包括第一内径工装、第二内径工装、第三内径工装和第四内径工装；所述第一内径工装、第二内径工装、第三内径工装和第四内径工装的顶端中间均设置有凸块；所述第一内径工装的顶端设置有挡块，所述第一内径工装的凸块的上表面高于所述挡块的上表面。
上述钛合金环锻件轧制成型工装，通过外径工装和内径工装的配合使用，能满足复杂截面钛合金异形环的高防形要求，可用于生产大斜度高壁厚变化比的钛合金环锻件，提高综合机械性能，有利于推广应用。
优选的，所述第一外径工装下端的内壁与垂直面之间的角度为4°～8°。
优选的，所述第二外径工装下端包括上支撑端和下支撑端，所述下支撑端设置在所述上支撑端的下方，所述下支撑端的厚度小于所述上支撑端的厚度。
优选的，所述上支撑端的内壁与垂直面之间的角度为1.5°～3°，所述下支撑端的内壁与垂直面之间的角度为0.5°～1.5°。
优选的，所述第二内径工装的凸块的高度大于所述第一内径工装的凸块的高度。
优选的，所述第三内径工装的凸块的高度大于所述第二内径工装的凸块的高度。
优选的，所述第四内径工装的凸块的高度小于所述第三内径工装的凸块的高度。
优选的，所述第一外径工装和第二外径工装的上端均设置有键槽，用于放置连接键。
一种采用上述钛合金环锻件轧制成型工装进行的轧制成型工艺，包括如下步骤：
下料：对原材料进行切割并倒角；
冲孔：加热下料后的坯料，并进行冲孔；
预轧成型：加热冲孔后的环锻件并保温，利用环轧机对环锻件进行分阶段预压；
终轧成型：加热预轧后的环锻件并保温，将环锻件放置在第二外径工装与第四内径工装之间，再利用环轧机对环锻件进行终轧，得到最终产品。
上述钛合金环锻件轧制成型工艺，可以实现大斜度高壁厚变化比的钛合金环锻件的生产，满足复杂截面钛合金环锻件的高防形要求，无需后续大量的机械加工，能有效保证产品的综合机械性能。
优选的，所述预轧成型的步骤中包括如下步骤：
第一次预轧成型：加热冲孔后的环锻件并保温，将环锻件放置在第一外径工装内，再利用环轧机对环锻件进行第一次预轧，得到第一环锻件毛坯件；
第二次预轧成型：加热第一环锻件毛坯件并保温，将第一环锻件毛坯件放置在第二外径工装与第一内径工装之间，再利用环轧机对环锻件进行第二次预轧，得到第二环锻件毛坯件；
第三次预轧成型：加热第二环锻件毛坯件并保温，将第二环锻件毛坯件放置在第二外径工装与第二内径工装之间，再利用环轧机对环锻件进行第三次预轧，得到第三环锻件毛坯件；
第四次预轧成型：加热第三环锻件毛坯件并保温，将第三环锻件毛坯件放置在第二外径工装与第三内径工装之间，再利用环轧机对环锻件进行第四次预轧，得到第四环锻件毛坯件。
附图说明
图1是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工装中第一外径工装的示意图。
图2是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工装中第二外径工装的示意图。
图3是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工装中第一内径工装的示意图。
图4是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工装中第二内径工装的示意图。
图5是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工装中第三内径工装的示意图。
图6是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工装中第四内径工装的示意图。
图7是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工艺中得到第一环锻件毛坯件的示意图。
图8是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工艺中得到第二环锻件毛坯件的示意图。
图9是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工艺中得到第三环锻件毛坯件的示意图。
图10是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工艺中得到第四环锻件毛坯件的示意图。
图11是本发明一种钛合金环锻件轧制成型工艺中得到最终环锻件的示意图。
附图说明：110第一外径工装、111定型块、112键槽、113形槽、120第二外径工装、121上支撑端、122下支撑端；
210第一内径工装、211凸块、212挡块、220第二内径工装、230第三内径工装、240第四内径工装；
300连接键、400主轴、500芯辊；
610第一环锻件毛坯件、620第二环锻件毛坯件、630第三次预轧成型、640第四环锻件毛坯件、650最终环锻件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅附图，一种钛合金环锻件轧制成型工装，包括：外径工装组件和内径工装组件。
外径工装组件包括第一外径工装110和第二外径工装120。第一外径工装110和第二外径工装120均设置为环状。第一外径工装110和第二外径工装120的上端均设置有键槽112，用于放置连接键300，连接键300设置为长条状。
环轧机电机驱动主轴400转动提供转动动力源，第一外径工装110通过连接键300与环轧机主轴400连接，连接键300一部分卡在第一外径工装110的键槽112内，连接键300一部分卡在环轧机主轴400内。第二外径工装120和环轧机主轴400的装配连接方式与第一外径工装110和环轧机主轴400的装配连接方式相同。
第一外径工装110和第二外径工装120的下端设置有形槽113，形槽113部分的具体形状基于最终换锻件外径形状进行调整设计。第一外径工装110和第二外径工装120的下端均设置有向形槽113内凸起的定型块111，本发明中的定型块111的形状设置为圆弧，便于材料流动。定型块111与形槽113的边框之间形成凹槽，凹槽上表面到第一外径工装110下表面的距离称为凹槽深度，凹槽深度基于第一环锻件毛坯件610的厚度设计，一般凹槽深度比第一环锻件毛坯件610的厚度小3mm～8mm。圆弧下表面到第一外径工装110下表面的距离称为圆弧深度，凹槽深度要大于圆弧深度，这样的设置可使钛合金材料在预轧成形时更多的向周边堆积，增加环锻件周边的厚度，为后续轧制成功奠定基础。
形成形槽113的第一外径工装110的下端的内壁与垂直面之间的角度为4°～8°，即图1中α角为8°～16°，此角度为第一外径工装110的脱模斜度，轧制时环锻件可以通过第一外径工装110的下端准确定位并通过合理的脱模斜度进行脱模。
第二外径工装120的形槽113部分形状设计完全基于最终产品外径形状并考虑热收缩因素，其需与后续内径工装配合使用。第二外径工装120的形槽113深度需结合前工序中第一环锻件毛坯件610及第一内径工装210进行设置，在保证第一环锻件毛坯件610能顺利放进形槽113的同时还需保证第一内径工装210能卡入第二外径工装120下端以进行准确的定位。
形成形槽113的第二外径工装120的下端包括上支撑端121和下支撑端122，下支撑端122设置在上支撑端121的下方，下支撑端122的厚度小于上支撑端121的厚度，也就是上支撑端121的内壁和下支撑端122的内壁之间形成一个台阶，便于对环锻件以及内径工装的定位。上支撑端121与产品接触，下支撑端122与内径工装接触。第二外径工装120的下端设置为两段不同斜度的脱模斜度，上支撑端121的内壁与垂直面之间的角度为1.5°～3°，下支撑端122的内壁与垂直面之间的角度为0.5°～1.5°，即图2中β角为3°～6°，γ角为1°～3°。这种梯度脱模斜度既可以保证产品顺利脱模，又可以保证内径工装与外径工装始终保持很小的间隙配合，能准确定位的同时又减少环轧过程飞边的产生。
内径工装组件包括第一内径工装210、第二内径工装220、第三内径工装230和第四内径工装240。第一内径工装210、第二内径工装220、第三内径工装230和第四内径工装240的顶端中间均设置有凸块211。第一内径工装210中凸块、第二内径工装220中凸块、第三内径工装230中凸块、第四内径工装240中凸块的底部的宽度越来越大。
第一内径工装210是第一个与第二外径工装120配套使用的内径工装，其内径配套芯辊500使用，外径完全基于产品内径设计。第一内径工装210的顶端周边设置有挡块212，第一内径工装210的凸块211的上表面高于挡块212的上表面。周边巧妙的设置有凸起挡块212，由于预轧的第一环锻件毛坯件610的壁厚较厚，该凸起可使第一内径工装210在第一环锻件毛坯件610以较小的内径时准确的卡入第二外径工装120，提高总的内径异形轧制变形量，提高产品的轧制成功率。
第二内径工装220是第二个与第二外径工装120配套使用的内径工装，其内径配套芯辊500使用，外径完全基于产品内径设计。第二内径工装220的凸块211的高度大于第一内径工装210的凸块211的高度。
第三内径工装230是第三个与第二外径工装120配套使用的内径工装，其内径配套芯辊500使用，外径完全基于产品内径设计。第三内径工装230的凸块211的高度大于第二内径工装220的凸块211的高度。第一内径工装210的凸块211、第二内径工装220的凸块211、第三内径工装230的凸块211的高度依次增加，这种设置便于钛合金材料更多的向周边流动，向周边堆积更多的钛合金材料。
第四内径工装240是最后一个与第二外径工装120配套使用的内径工装，两者的配合使用成形出最终的产品形状。其内径配套芯辊500使用，外径完全基于产品内径设计。第四内径工装240的凸块211的高度小于第三内径工装230的凸块211的高度，该巧妙的反常规设置可使前一工序周边堆积的钛合金材料反向向外径填充，避免塌角或填充不满等缺陷。
一种采用上述钛合金环锻件轧制成型工装进行的轧制成型工艺，包括如下步骤：
下料：按工艺要求对原材料进行切割，并倒角以降低后续压高过程由于存在变形死区导致的折叠缺陷。
冲孔：采用高温燃气炉对下料后的坯料进行加热升温至940℃～985℃，保温3～5小时，然后将坯料从高温燃气炉中取出来并运输至压机，对坯料进行镦粗、冲孔。
第一次预轧成型：采用高温燃气炉对已冲孔后的环锻件进行加热升温至940℃～985℃，保温1.5～3小时，然后将环锻件从高温燃气炉内取出，并转移到装有第一外径工装110的环轧机上进行第一次预轧，得到第一环锻件毛坯件610，如图7所示。如得到的第一环锻件毛坯件610的尺寸为470mm外径*290mm内径*266mm高度。
第二次预轧成型：采用高温燃气炉对第一环锻件毛坯件610进行加热升温至940℃～985℃，保温1.5～3小时，然后将第一环锻件毛坯件610从高温燃气炉内取出并转移到环轧机上进行第二次预轧。环轧机主轴400上装有第二外径工装120，第一环锻件毛坯件610套在第一内径工装210上一起卡入第二外径工装120进行轧制，得到过程毛坯2第二环锻件毛坯件620，如图8所示。如得到的第二环锻件毛坯件620的尺寸为570mm外径*400mm内径*264mm高度。
第三次预轧成型630：采用高温燃气炉对第二环锻件毛坯件620进行加热升温至940℃～985℃，保温1.5～3小时，然后将第二环锻件毛坯件620从高温燃气炉内取出并转移到环轧机上进行第三次预轧。环轧机主轴400上装有第二外径工装120，第二环锻件毛坯件620套在第二内径工装220上一起卡入第二外径工装120进行轧制，得到第三环锻件毛坯件630，如图9所示。如得到的第三环锻件毛坯件630的尺寸为665mm外径*535mm内径*264mm高度。
第四次预轧成型：采用高温燃气炉对第三环锻件毛坯件630进行加热升温至940℃～985℃，保温1.5～3小时，然后将第三环锻件毛坯件630从高温燃气炉内取出并转移到环轧机上进行第四次预轧。环轧机主轴400上装有第二外径工装120，第三环锻件毛坯件630套在第三内径工装230上一起卡入第二外径工装120进行轧制，得到第四环锻件毛坯件640，如图10所示。如得到的第二环锻件毛坯件620的尺寸为800mm外径*710mm内径*264mm高度。
终轧成型：采用高温燃气炉对第四环锻件毛坯件640进行加热升温至940℃～985℃，保温1～2.5小时，然后将第四环锻件毛坯件640从高温燃气炉内取出并转移到环轧机上进行终轧。环轧机主轴400上装有第二外径工装120，第四环锻件毛坯件640套在第四内径工装240上一起卡入第二外径工装120进行轧制，得到最终产品，如图11所示。如得到的最终环锻件650的尺寸为1010mm外径*930mm内径*264mm高度。
本发明通过测量与计算来统计钛合金环锻件的斜度和壁厚变化比。钛合金环锻件的斜度是指产品最突出部位的侧壁的斜度，钛合金环锻件的壁厚变化比是指钛合金环锻件在竖直方向最厚的部位与在竖直方向最薄的部位之比。随机选取100组通过上述轧制成型工艺制得的钛合金环锻件，测量得出钛合金环锻件的斜度高达26.5°，壁厚变化比高达2.6。由此可见，通过上述轧制成型工艺可实现大斜度高壁厚变化比这一类复杂截面钛合金环锻件的生产，可以满足复杂截面钛合金异形环高防形的要求。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种钛合金环锻件轧制成型工装，其特征在于，包括：外径工装组件和内径工装组件；
所述外径工装组件包括第一外径工装和第二外径工装；所述第一外径工装和第二外径工装均设置为环状，所述第一外径工装和第二外径工装的下端设置有形槽；所述第一外径工装和第二外径工装的下端均设置有向所述形槽内凸起的定型块；
所述内径工装组件包括第一内径工装、第二内径工装、第三内径工装和第四内径工装；所述第一内径工装、第二内径工装、第三内径工装和第四内径工装的顶端中间均设置有凸块；所述第一内径工装的顶端设置有挡块，所述第一内径工装的凸块的上表面高于所述挡块的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金环锻件轧制成型工装，其特征在于：所述第一外径工装下端的内壁与垂直面之间的角度为4°～8°。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金环锻件轧制成型工装，其特征在于：所述第二外径工装下端包括上支撑端和下支撑端，所述下支撑端设置在所述上支撑端的下方，所述下支撑端的厚度小于所述上支撑端的厚度。
4.根据权利要求3所述的一种钛合金环锻件轧制成型工装，其特征在于：所述上支撑端的内壁与垂直面之间的角度为1.5°～3°，所述下支撑端的内壁与垂直面之间的角度为0.5°～1.5°。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金环锻件轧制成型工装，其特征在于：所述第二内径工装的凸块的高度大于所述第一内径工装的凸块的高度。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金环锻件轧制成型工装，其特征在于：所述第三内径工装的凸块的高度大于所述第二内径工装的凸块的高度。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金环锻件轧制成型工装，其特征在于：所述第四内径工装的凸块的高度小于所述第三内径工装的凸块的高度。
8.根据权利要求1所述的一种钛合金环锻件轧制成型工装，其特征在于：所述第一外径工装和第二外径工装的上端均设置有键槽，用于放置连接键。
9.一种采用如权利要求1至8任一项所述的钛合金环锻件轧制成型工装进行的轧制成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：
下料：对原材料进行切割并倒角；
冲孔：加热下料后的坯料，并进行冲孔；
预轧成型：加热冲孔后的环锻件并保温，利用环轧机对环锻件进行分阶段预压；
终轧成型：加热预轧后的环锻件并保温，将环锻件放置在第二外径工装与第四内径工装之间，再利用环轧机对环锻件进行终轧，得到最终产品。
10.根据权利要求9所述的一种钛合金环锻件轧制成型工艺，其特征在于，所述预轧成型的步骤中包括如下步骤：
第一次预轧成型：加热冲孔后的环锻件并保温，将环锻件放置在第一外径工装内，再利用环轧机对环锻件进行第一次预轧，得到第一环锻件毛坯件；
第二次预轧成型：加热第一环锻件毛坯件并保温，将第一环锻件毛坯件放置在第二外径工装与第一内径工装之间，再利用环轧机对环锻件进行第二次预轧，得到第二环锻件毛坯件；
第三次预轧成型：加热第二环锻件毛坯件并保温，将第二环锻件毛坯件放置在第二外径工装与第二内径工装之间，再利用环轧机对环锻件进行第三次预轧，得到第三环锻件毛坯件；
第四次预轧成型：加热第三环锻件毛坯件并保温，将第三环锻件毛坯件放置在第二外径工装与第三内径工装之间，再利用环轧机对环锻件进行第四次预轧，得到第四环锻件毛坯件。
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