一种不锈钢油轨锻件的制造工艺
阅读说明：本技术 一种不锈钢油轨锻件的制造工艺 (Manufacturing process of stainless steel oil rail forging ) 是由 庄晓伟 胡成亮 赵震 文杰 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及复杂长轴类带枝杈金属锻件的锻造成形技术领域,尤其一种不锈钢油轨锻件的制造工艺,包括下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、锻后处理七个步骤,其中下料采用截面积介于最终锻件最大截面积和最小截面积之间的不锈钢圆棒,所述加热采用三段式感应加热,所述制坯采用无飞边模具模锻成形,所述制坯工序中的工件形状通过合理计算设计得出,其为所述无飞边模具的设计提供依据；有益效果：解决了传统工艺采用大直径坯料直接预锻、终锻,材料利用率低,预锻成形困难,预锻模具寿命低的问题；提供科学系统的方法设计出制坯工件的最佳形状,为制坯模具的型腔设计提供合理依据,有效解决了设备成本和技术研发成本,提升了生产效率和研发效率。(The invention relates to the technical field of forging forming of complex long-shaft metal forgings with branches, in particular to a manufacturing process of a stainless steel oil rail forging, which comprises seven steps of blanking, heating, blank making, pre-forging, final forging, trimming and post-forging treatment, wherein the blanking adopts a stainless steel round bar with the sectional area between the maximum sectional area and the minimum sectional area of a final forging, the heating adopts three-stage induction heating, the blank making adopts a die forging forming without flash, the shape of a workpiece in the blank making process is obtained through reasonable calculation design, and the manufacturing process provides a basis for the design of the die without flash; has the advantages that: the problems that the prior art adopts large-diameter blanks to perform direct pre-forging and finish forging, the material utilization rate is low, the pre-forging forming is difficult, and the service life of a pre-forging die is short are solved; the method for providing the scientific system designs the optimal shape of the blank-making workpiece, provides reasonable basis for the design of the cavity of the blank-making mold, effectively solves the equipment cost and the technical research and development cost, and improves the production efficiency and the research and development efficiency.)
技术领域
本发明涉及复杂长轴类带枝杈金属锻件的锻造成形技术领域，尤其是一种不锈钢油轨锻件的制造工艺。
背景技术
带枝杈的长轴类零件由于形状较为复杂，在锻造成形过程中预锻成形困难，产品质量难以保证，材料利用率低，生产效率低下。
经过对现有锻造预成形技术的检索发现，中国专利文献CN100503142C，公开日为2009年6月24日，公开了一种汽车零部件拔叉锻造方法，其在现有的技术基础上增加制坯和弯曲工序。其中，制坯工序是采用加热后的坯料进行平板楔横轧以使棒料均匀分料，同时，棒料的断面收缩率在40％～65％之间时对成形更有利。此种方法能节约材料，提升模具寿命。但是其通过楔横轧方式制坯比较复杂，其预制坯即制坯工件的形状的设计没有系统的方法，不能准确得设计出最佳的制坯工件的形状。
中国专利文献CN 103100624 A，公开日为2013年05月15日，公开了一种园林工程机械连杆精密锻造方法，包括加热、辊锻制坯、锻压成形及后处理工序，其中辊锻制坯采用二道辊锻，坯件各部位用料体积分配由二道辊锻模具型槽来保证，具有一定的稳定性，能达到产品的技术要求。但是此种二次辊锻制坯的工序复杂，且模具的型腔设计更多依靠经验，没有科学的方法对辊锻型腔进行设计以达到最佳效果。
由此可见，带枝杈的长轴类零件形状复杂，横截面变化大；传统工艺采用大直径坯料直接预锻、终锻，材料利用率低，预锻成形困难，预锻模具寿命低；若采用辊锻、楔横轧、自由锻等工艺，则需投入专门的设备，投资成本大，生产效率低；而且预制坯即制坯工件的形状的设计没有系统的方法，不能准确得设计出最佳的制坯工件的形状，制坯模具的型腔设计更多依靠经验，因此，制坯工艺尤其制坯形状的管控对于不锈钢油轨锻件的成形尤为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对目前带枝杈的长轴类零件尤其不锈钢油轨锻件，由于形状较为复杂，横截面变化大，传统工艺采用大直径坯料直接预锻、终锻，材料利用率低，预锻成形困难，预锻模具寿命低；若采用辊锻、楔横轧、自由锻等工艺，则需投入专门的设备，投资成本大，生产效率低；而且预制坯即制坯工件的形状的设计没有系统的方法，不能准确地设计出最佳的制坯工件的形状，制坯模具的型腔设计更多依靠经验的问题。本发明提出了一种不锈钢油轨锻件的制造工艺，有效的解决了传统工艺采用大直径坯料直接预锻、终锻，预锻成形困难，材料利用率低的问题，提出了一种制坯工件形状的科学系统的计算方法，从而为制坯模具型腔的设计提供了合理依据，有效解决了设备成本和技术研发成本，大大提升了生产效率和研发效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供了一种不锈钢油轨锻件的制造工艺，包括下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、锻后处理七个步骤，其中所述下料采用不锈钢圆棒，其截面积大小A1介于最终锻件最大截面积大小A2和最小截面积大小A3之间；所述加热采用三段式感应加热；所述制坯采用无飞边模具模锻成形，且制坯工序中的工件形状通过体积不变原理参考数值模拟结果设计得出，所述制坯工件包含N个不同半径的等效截面，其中所有等效截面的最大半径和最小半径的比值不超过1.6，相邻等效截面较大半径和较小半径的比值不超过1.2，所述制坯工件的形状为所述无飞边模具的设计提供依据；所述制坯、预锻和终锻采用同一锻造设备连续作业。
本发明采用压挤模锻的方式对圆棒料重新进行体积分配，采用产品最大截面积与最小截面积之间的棒料，将产品截面体积较小部位的材料通过模具挤压变形的方式流动到产品截面体积大的部位，这种方式仅需增加一套制坯上下模具，就可以在同一台普通锻压设备上完成毛坯的制坯-预锻-精锻三道工序，并且合理的分配了料重，提高了材料利用率，降低了预锻成形难度，提高了模具寿命。通过分析工件变形过程中不同部位的金属流动、温度、应力和应变分布情况，以及计算机模拟计算最终热锻工艺成形的复杂锻件表面粗晶状态，结合历史设计经验和批量生产结果，得到科学系统的计算预制坯即制坯工件的形状的设计原则，进一步地，为制坯工序上下模具腔体的设计提供合理依据。本发明提出了一种不锈钢油轨锻件的制造工艺，有效的解决了传统工艺采用大直径坯料直接预锻、终锻，预锻成形困难，材料利用率低的问题，提出了一种制坯工件形状的科学系统的计算方法，从而为制坯模具型腔的设计提供了合理依据，有效解决了设备成本和技术研发成本，大大提升了生产效率和研发效率。
具体的，所述制坯工序中工件形状的设计步骤如下：
(1)截面计算:根据预锻件的长度将其沿长度方向取n个截面，获得每个截面的等效圆半径；
(2)截面优化:对n个截面中最大半径和最小半径的比值进行判定，若不小于1.6，则对最大半径值和最小半径值进行放缩修正，重复判定直至截面中最大半径和最小半径的比值不超过1.6；对所有相邻等效截面较大半径和较小半径的比值进行判定，若存在比值大于1.2的相邻截面，则在相邻截面的中间位置增加一个新的截面，重复判定直至所有相邻等效截面较大半径和较小半径的比值不超过1.2，该步骤中新增的截面数为m；
(3)确定等效截面半径:将n个原始截面和m个新增截面组合即可获得制坯工序中工件包含的N个等效截面，进而得到N个等效截面的等效半径rn，最后将修正后的等效截面半径放大为原来的1.1-1.2倍，得到最终制坯工件要求的截面半径RN。结合历史设计经验和批量生产结果，基于体积不变原理并考虑了飞边用料,为了达到理想的锻造结果即锻件表面粗晶状态，得出制坯工件的最终截面半径为1.1-1.2倍的等效半径。
具体的，所述截面计算的步骤如下：
a.将锻件沿长度方向均匀截成n-1段，加上首尾端面，共有n个截面,n＝40～80；
b.从锻件的一端开始，每个截面在长度方向的坐标分别为l1,l2,…,ln；计算每一个截面的面积，得到每个截面的等效圆半径r1,r2,…,rn。
具体的，所述截面优化步骤如下：
a.对等效截面半径的大小进行修正，分别缩小最大半径、增大最小半径，保证
b.对任意|ri-ri-1|＞0.2*min(ri，ri-1)，(i＝2～n)的区域，在两截面中间再取一个截面，反复操作直至相邻两个截面的半径差小于较小半径的15％～20％；在锻件有枝杈和无枝杈的过渡区域，若|ri-ri-1|＞0.15*min(ri，ri-1)，在两截面中间再取一个截面，反复操作直至过渡区域相邻两个截面的半径差小于较小半径的10％～15％。
具体的，所述确定等效截面半径步骤如下：
a.修正后总共有取N个截面，其等效截面半径分别为r1,r2,…,rN，对应的在长度方向上的坐标分别为l1,l2,…,lN；
b.将修正后的等效截面半径放大为原来的1.1～1.2倍，得到半径分别为R1,R2,…,RN；
具体的，所述制坯工件形状绘制步骤如下：
a.绘制点(l1,R1,0),…,(lN,RN,0)，并用i阶曲线对N个点拟合N-i-1段连续的曲线(i取6～9)；
b.得到的曲线沿z轴旋转的到的体即为制坯工件的形状。
具体的，所述三段式感应加热包括第一阶段加热、第二阶段保温和第二阶段快速加热三个阶段，其中第一阶段加热的加热速率小于第三阶段加热的加热速率。具体过程为将加工好的棒料置于加热炉中加热，缓慢加热至950℃并保温3min。坯料温度均匀后，以20℃/s的加热速率加热至1150℃。
具体的，所述无飞边模具的合模高度H为1.5mm-2.5mm。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种不锈钢油轨锻件的制造工艺，包括下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、锻后处理七个步骤，同时提出了一种制坯工件形状的科学系统的计算方法，从而为制坯模具型腔的设计提供了合理依据，有效的解决了传统工艺采用大直径坯料直接预锻、终锻，预锻成形困难，材料利用率低、设备使用寿命低的问题，节约了设备成本和技术研发成本，大大提升了生产效率和研发效率，这种通过科学系统方法设计的模具设计合理、寿命长，同时终锻产品质量显著提高，锻件飞边分布相对均匀，无表面粗晶。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述终锻产品示意图；
图2是本发明所述无飞边预制模具图；
图3是本发明所述制坯工件截面图；
图4是本发明所述制坯工件截面图；
图5是本发明所述制坯工件截面图。
制坯工件形状设计原则
根据历史设计经验及批量生产结果得出制坯工件形状设计原则,如下:
a)等效截面的最大半径和最小半径的比例不超过1.6；
b)相邻截面的半径差不超过小半径的15％～20％，在枝杈边缘的过渡区域相邻截面半径差不超过较小半径的10％～15％；
c)各截面间圆滑过渡。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例：
本发明提供了一种不锈钢油轨锻件的制造工艺，包括下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、锻后处理七个步骤，尤其在制坯工序中，提出了一种制坯工件形状的科学系统的计算方法，从而为制坯模具型腔的设计提供了合理依据，有效的解决了传统工艺采用大直径坯料直接预锻、终锻，预锻成形困难，材料利用率低、设备使用寿命低的问题，节约了设备成本和技术研发成本，大大提升了生产效率和研发效率，各工艺步骤具体如下：
下料：采用不锈钢圆棒，其截面积大小A1介于最终锻件最大截面积大小A2和最小截面积大小A3之间；
加热：采用三段式感应加热，包括第一阶段加热、第二阶段保温和第二阶段快速加热三个阶段，其中第一阶段加热的加热速率小于第三阶段加热的加热速率，具体过程为:将加工好的棒料置于加热炉中加热，缓慢加热至950℃并保温3min。坯料温度均匀后，以20℃/s的加热速率加热至1150℃；
制坯:采用无飞边模具模锻成形，且制坯工序中的工件形状通过体积不变原理参考数值模拟结果设计得出，所述制坯工件包含N个不同半径的等效截面，其中所有等效截面的最大半径和最小半径的比值不超过1.6，相邻等效截面较大半径和较小半径的比值不超过1.2，所述制坯工件的形状为所述无飞边模具的设计提供依据，所述无飞边模具的合模高度H为1.5mm-2.5mm；所述制坯工序中工件形状的设计步骤如下：
(1)截面计算:根据预锻件的长度将其沿长度方向取n个截面，获得每个截面的等效圆半径；
(2)截面优化:对n个截面中最大半径和最小半径的比值进行判定，若不小于1.6，则对最大半径值和最小半径值进行放缩修正，重复判定直至截面中最大半径和最小半径的比值不超过1.6；对所有相邻等效截面较大半径和较小半径的比值进行判定，若存在比值大于1.2的相邻截面，则在相邻截面的中间位置增加一个新的截面，重复判定直至所有相邻等效截面较大半径和较小半径的比值不超过1.2，该步骤中新增的截面数为m；
(3)确定等效截面半径:将n个原始截面和m个新增截面组合即可获得制坯工序中工件包含的N个等效截面，进而得到N个等效截面的等效半径rn，最后将修正后的等效截面半径放大为原来的1.1-1.2倍，得到最终制坯工件要求截面半径RN；
(4)制坯工件形状绘制：绘制点(l1,R1,0),…,(lN,RN,0)，并用i阶曲线对N个点拟合N-i-1段连续的曲线(i取6-9),得到的曲线沿z轴旋转的到的体即为所述制坯工件的形状，进而根据制坯工件的形状设计制坯模具，其中lN为每个截面在长度方向的坐标，RN为每个截面的等效圆半径放大1.1-1.2倍。
锻件产品总长度330mm，平均分成66段，共有67个截面，在工件不同位置增加截面时，制坯工件形状的具体计算步骤有如下三种情况：
情况1，如图3所示：
(1)、截面计算：产品长度为330mm，沿长度方向平均分成66段，共有67个截面；分别计算截面的面积和相应的等效半径。如图3中等效毛坯轮廓中虚线表示等效截面轮廓。
(2)截面优化：截面等效半径最大值和最小值分别为19.0mm和9.2mm，比例
(3)确定等效截面半径：将修正后的92个等效截面半径放大为原来的1.15倍分别为R1,R2,…,R92。
(4)制坯工件形状绘制：根据放大后的等效截面半径绘制点(0,R1,0),(5,R2,0),…,(330,R92,0)，并以9阶曲线将92个点拟合成连续的82段曲线，曲线间圆滑过渡。将曲线绕x轴旋转生成的体即为制坯工件的形状，其截面图如图3所示，实线轮廓即为最终制坯工件的形状。
情况2，如图4所示：
(1)截面计算：产品长度为330mm，沿长度方向平均分成66段，共有67个截面；分别计算截面的面积和相应的等效半径。
(2)截面优化：截面等效半径最大值和最小值分别为16.8mm和9.2mm，比例
(3)将修正后的86个等效截面半径放大为原来的1.15倍分别为R1,R2,…,R86。
(4)根据放大后的等效截面半径绘制点(0,R1,0),(5,R2,0),…,(330,R86,0)，并以9阶曲线将86个点拟合成连续的76段曲线，曲线间圆滑过渡。将曲线绕x轴旋转生成的体即为制坯工件的形状，其截面图如图4所示。
情况3，如图5所示
(1)截面计算：产品长度为330mm，沿长度方向平均分成66段，共有67个截面；分别计算截面的面积和相应的等效半径。
(2)截面优化：截面等效半径最大值和最小值分别为19.0mm和9.2mm，比例
(3)将修正后的90个等效截面半径放大为原来的1.15倍分别为R1,R2,…,R82。
(4)根据放大后的等效截面半径绘制点(0,R1,0),(5,R2,0),…,(330,R82,0)，并以9阶曲线将82个点拟合成连续的72段曲线，曲线间圆滑过渡。将曲线绕x轴旋转生成的体即为制坯工件的形状，其截面图如图5所示。
所述制坯、预锻和终锻采用同一锻造设备连续作业。
本发明所述的不锈钢油轨锻件的制造工艺所包含的下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、锻后处理七个步骤属于本领域技术人员已知晓工艺流程，工艺过程中涉及的设备、参数均采用惯用技术参数。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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