一种超大高径比圆棒的镦粗模具及成形方法
阅读说明：本技术 一种超大高径比圆棒的镦粗模具及成形方法 (Upsetting die and forming method for round bar with ultra-large height-diameter ratio ) 是由 刘惠 唐鹏钧 马志锋 王建国 李伟 陆政 戴圣龙 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超大高径比圆棒的镦粗模具及成形方法,所述镦粗模具将多次镦粗成形集中在一套上下模内完成,通过叠加垫板,实现了超大高径比、镦粗易失稳折叠的圆棒的无折叠均匀镦粗成形,为后续的拔长、镦粗等自由锻造工序提供了适宜的坯料。所述镦粗模具的制备成本低,不用频繁更换模具,生产效率高,生产成本低。此外,该模具适用于铝、钢、钛、高温合金等多种金属材料,通用性强。(The invention provides an upsetting die and a forming method for a round bar with an ultra-large height-diameter ratio. The upsetting die is low in preparation cost, high in production efficiency and low in production cost, and the die does not need to be replaced frequently. In addition, the die is suitable for various metal materials such as aluminum, steel, titanium, high-temperature alloy and the like, and has strong universality.)
技术领域
本发明属于金属材料成形技术领域，涉及一种超大高径比圆棒的镦粗模具及超大高径比圆棒的成形方法，利用该镦粗模具可以对超大高径比、镦粗易失稳折叠的圆棒进行无折叠均匀镦粗成形。
背景技术
在航空、航天、船舶等领域中，金属锻件逐渐向着大尺寸、高性能的方向发展，对锻件的要求也越来越高。锻件正常平砧镦粗的圆棒高径比一般不超过2~3，当高径比超过3时，在镦粗过程中容易出现失稳和折叠现象。而大型锻件、难变形合金锻件成形制造难度很大，造成锻件用原始棒料的高径比远大于3，甚至高径比高达6以上。对于这些超大高径比的原始棒料，在镦粗过程中极易发生失稳和折叠现象，因此，超大高径比圆棒的镦粗成形成为了塑性成形中一个十分重要的工序，如何解决超大高径比圆棒在镦粗过程中均匀变形，不发生失稳和折叠问题，成为了塑性成形中迫切需要解决的问题。
目前已有报道的镦粗模具和成形方法虽然可以实现无弯曲、无折叠镦粗，但是均只能实现高径比不大于4.2的棒料镦粗成形，无法实现更大高径比棒料镦粗成形，而针对高径比更高的棒料镦粗成形时，往往需要使用多套镦粗模具，而这样操作会导致模具的制作成本高，频繁更换模具而导致生产效率极低。
发明内容
针对上述现有的大高径比棒料镦粗技术中存在的不足，本发明提供了一种适用于超大高径比圆棒的镦粗模具及圆棒的成形方法，所述镦粗模具的使用不仅可以实现高径比为3~6的棒料镦粗成形，而且还可以实现高径比为6以上的棒料的无折叠均匀镦粗成形，且所述模具制备成本低，使用过程中无需频繁更换，生产效率高。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种圆棒的镦粗模具，所述镦粗模具包括上模和下模；所述上模包括上砧座、上垫板和上凹模，所述上垫板和上凹模与上砧座连接；所述下模包括下凹模、下垫板和下砧座，所述下凹模和下垫板与下砧座连接；
其中，所述上凹模具有两端开口的带有第一内凹腔的结构，所述第一内凹腔的结构包括第一不变形约束区和第一变形区；所述下凹模具有两端开口的带有第二内凹腔的结构，所述第二内凹腔的结构包括第二不变形约束区和第二变形区；所述第一变形区靠近所述第二变形区，且所述第一变形区和所述第二变形区组装成高径比小于等于3的棒料镦粗成形区。
根据本发明的实施方式，所述第一变形区和所述第二变形区组装的棒料镦粗成形区用于实现高径比为3以上的棒料的无折叠均匀镦粗成形。
根据本发明的实施方式，所述第一不变形约束区和所述第二不变形约束区内通过添加垫块，用于控制所述第一不变形约束区和所述第二不变形约束区内的坯料进入所述第一变形区和所述第二变形区，以完成无折叠均匀镦粗成形。
根据本发明的实施方式，所述上模可以嵌入到下模中，即所述上模与所述下模适配。优选地，所述上模中的上凹模可以嵌入到所述下模中的下凹模中，即所述上凹模与所述下模中的下凹模的内凹腔适配。
根据本发明的实施方式，所述上凹模具有两端开口的带有第一内凹腔的结构，所述第一内凹腔的结构包括相连的第一不变形约束区和第一变形区；其中，所述第一不变形约束区的结构为第一圆台形结构，所述第一变形区的结构为第二圆台形结构，且所述第一圆台形结构的壁面的锥度小于所述第二圆台形结构的壁面的锥度。
根据本发明的实施方式，所述第一圆台形结构的底面直径等于所述第二圆台形结构的顶面直径。
根据本发明的实施方式，所述第一不变形约束区靠近上砧座一侧，所述第一变形区远离上砧座一侧，即所述第一不变形约束区的第一圆台形结构靠近上砧座一侧，所述第一变形区的第二圆台形结构远离上砧座一侧。
根据本发明的实施方式，所述第一圆台形结构的壁面的锥度小于所述第二圆台形结构的壁面的锥度，即小于60~80°。
根据本发明的实施方式，所述第二圆台形结构的壁面的锥度α为60~80°。所述第二圆台形结构的壁面的锥度为上凹模的成形壁面的锥度。
根据本发明的实施方式，所述第一圆台形结构的高度h满足如下关系式：h=1/2(h圆棒-3d圆棒)，h圆棒为圆棒高度，d圆棒为圆棒直径。所述第一圆台形结构的高度h为上凹模的成形的高度。
根据本发明的实施方式，所述上凹模放置在上垫板上，通过紧固螺栓将上凹模和上垫板固定到上砧座上。
根据本发明的实施方式，所述第一圆台形结构的顶面直径与所述上垫板的直径相匹配。
根据本发明的实施方式，所述下凹模具有两端开口的带有第二内凹腔的结构，所述第二内凹腔的结构包括相连的第二不变形约束区和第二变形区；其中，所述第二不变形约束区的结构为第三圆台形结构，所述第二变形区的结构为依次相连的第四圆台形结构、圆柱形结构和第五圆台形结构，且所述第三圆台形结构的壁面的锥度小于所述第四圆台形结构的壁面的锥度，所述第四圆台形结构的壁面的锥度小于所述第五圆台形结构的壁面的锥度。
根据本发明的实施方式，所述圆柱形结构的直径等于所述第四圆台形结构的底面直径，所述圆柱形结构的直径等于第五圆台形结构的顶面直径；所述第三圆台形结构的底面直径等于所述第四圆台形结构的顶面直径。
根据本发明的实施方式，所述第二不变形约束区靠近下砧座一侧，所述第二变形区远离下砧座一侧，即所述第二不变形约束区的第三圆台形结构靠近下砧座一侧，所述第二变形区的第五圆台形结构远离下砧座一侧。
根据本发明的实施方式，所述第三圆台形结构的壁面的锥度小于所述第四圆台形结构的壁面的锥度，即小于60~80°。
根据本发明的实施方式，所述第四圆台形结构的壁面的锥度α为60~80°。所述第四圆台形结构的壁面的锥度为下凹模的成形壁面的锥度。
根据本发明的实施方式，所述第五圆台形结构的壁面的锥度大于所述第四圆台形结构的壁面的锥度，即大于60~80°。
根据本发明的实施方式，所述第三圆台形结构的高度h满足如下关系式：h=1/2(h圆棒-3d圆棒)，h圆棒为圆棒高度，d圆棒为圆棒直径。所述第三圆台形结构的高度h为下凹模的成形的高度。
根据本发明的实施方式，所述圆柱形结构的直径d壁面满足如下关系式：d壁面=（1.4~1.8）d圆棒。所述圆柱形结构的直径d壁面为下凹模的成形壁面的直径。
根据本发明的实施方式，所述圆柱形结构的高度h壁面满足如下关系式：h壁面=（1.0~1.2）d圆棒 2×h圆棒/d壁面 2，d圆棒为圆棒直径，h圆棒为圆棒高度。所述圆柱形结构的高度h壁面为下凹模的成形壁面的高度。
根据本发明的实施方式，所述下凹模放置在下垫板上，通过紧固螺栓将下凹模和下垫板固定到下砧座上。
根据本发明的实施方式，所述第三圆台形结构的顶面直径与所述下垫板的直径相匹配。
根据本发明的实施方式，所述第二圆台形结构和所述第四圆台形结构为对称结构。具体的，所述第二圆台形结构的壁面的锥度与第四圆台形结构的壁面的锥度相同。所述第二圆台形结构的高度等于所述第四圆台形结构的高度。
根据本发明的实施方式，所述第一圆台形结构和所述第三圆台形结构为对称结构。具体的，所述第一圆台形结构的壁面的锥度与第三圆台形结构的壁面的锥度相同。所述第一圆台形结构的高度等于所述第三圆台形结构的高度。
本发明中，所述的圆台形结构的底面是指的圆台形结构中直径较大的面，所述的圆台形结构的顶面是指的圆台形结构中直径较小的面。
本发明中，所述的圆台形结构的壁面的锥度是指圆台的上下两底圆的直径差与圆台高度的比值。
本发明还提供一种对超大高径比圆棒的成形方法，所述方法是基于上述的圆棒的镦粗模具，所述方法包括如下步骤：
1）根据圆棒的直径和高度，确定上凹模和下凹模的成形壁面的锥度、下凹模的成形壁面的直径和高度，以及上凹模和下凹模的成形的高度，进而确定每次镦粗压下量和镦粗次数；
2）将圆棒放入到上凹模和下凹模的内部，加热，进行第一次镦粗成形，并根据每次镦粗压下量，在上凹模和下凹模的内部中分别增加相同厚度的垫板；
3）重复多次进行镦粗成形处理，直至圆棒的高径比小于3。
根据本发明的实施方式，步骤1）中，每次镦粗压下量的计算公式为h压下量=(0.4~0.6）[3d圆棒-（3d圆棒 3/d壁面 2）]，d圆棒为圆棒直径，d壁面为圆柱形结构的直径。
根据本发明的实施方式，步骤1）中，镦粗次数n≥（h圆棒-3d壁面）/h压下量，h圆棒为圆棒高度，d壁面为圆柱形结构的直径，h压下量为每次镦粗压下量。
根据本发明的实施方式，步骤2）中，垫板的厚度为每次镦粗压下量的1/2。
本发明的超大高径比圆棒的镦粗模具中的第一变形区和第二变形区组装的棒料镦粗成形区用于实现高径比为3以上的棒料的无折叠均匀镦粗成形，具体地，通过控制下凹模的成形壁面的直径约束镦粗的进行；本发明的超大高径比圆棒的镦粗模具中的第一不变形约束区和第二不变形约束区内通过不断添加垫块，使不变形约束区变小，进而用于控制所述第一不变形约束区和所述第二不变形约束区内的坯料进入所述第一变形区和所述第二变形区的量，实现整根坯料的均匀变形，以完成无折叠均匀镦粗成形。
本发明的超大高径比圆棒的镦粗模具操作方便，生产效率高，一次镦粗后，自动顶出坯料，继续添加垫块进行二次镦粗；所述超大高径比圆棒的镦粗模具仅利用一套模具，且垫块非常小，结构简单，成本低。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种超大高径比圆棒的镦粗模具及成形方法，所述镦粗模具将多次镦粗成形集中在一套上下模内完成，通过叠加垫板，实现了超大高径比、镦粗易失稳折叠的圆棒的无折叠均匀镦粗成形，为后续的拔长、镦粗等自由锻造工序提供了适宜的坯料。所述镦粗模具的制备成本低，不用频繁更换模具，生产效率高，生产成本低。此外，该模具适用于铝、钢、钛、高温合金等多种金属材料，通用性强。
附图说明
图1为本发明的一种优选方案所述的镦粗模具的装配图；
其中，1-上砧座、2-上垫板、3-上凹模、4-圆棒、5-下凹模、6-下垫板、7-下砧座；
图2为图1中的镦粗模具的关键尺寸示意图；
图3为本发明的一种优选方案所述的镦粗成形示意图；其中，从左向右分别是第一次镦粗、第二次镦粗和第三次镦粗。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。
实施例1
本实施例提供一种圆棒的镦粗模具，具体如图1-图3所示，所述镦粗模具包括上模和下模；所述上模包括上砧座1、上垫板2和上凹模3，所述上垫板2和上凹模3与上砧座1连接；所述下模包括下凹模5、下垫板6和下砧座7，所述下凹模5和下垫板6与下砧座7连接；其中，所述上凹模3具有两端开口的带有第一内凹腔的结构，所述第一内凹腔的结构包括第一不变形约束区和第一变形区；所述下凹模5具有两端开口的带有第二内凹腔的结构，所述第二内凹腔的结构包括第二不变形约束区和第二变形区；所述第一变形区靠近所述第二变形区，且所述第一变形区和所述第二变形区组装成高径比小于等于3的棒料镦粗成形区。
其中，所述上凹模3具有两端开口的带有第一内凹腔的结构，所述第一内凹腔的结构包括相连的第一不变形约束区和第一变形区；所述第一不变形约束区的结构为第一圆台形结构，所述第一变形区的结构为第二圆台形结构，所述第一圆台形结构的底面直径等于所述第二圆台形结构的顶面直径，且所述第一圆台形结构的壁面的锥度小于所述第二圆台形结构的壁面的锥度；
其中，所述下凹模5具有两端开口的带有第二内凹腔的结构，所述第二内凹腔的结构包括相连的第二不变形约束区和第二变形区；所述第二不变形约束区的结构为第三圆台形结构，所述第二变形区的结构为依次相连的第四圆台形结构、圆柱形结构和第五圆台形结构，所述圆柱形结构的直径等于所述第四圆台形结构的底面直径，所述圆柱形结构的直径等于第五圆台形结构的顶面直径；所述第三圆台形结构的底面直径等于所述第四圆台形结构的顶面直径，且所述第三圆台形结构的壁面的锥度小于所述第四圆台形结构的壁面的锥度，所述第四圆台形结构的壁面的锥度小于所述第五圆台形结构的壁面的锥度。
所述第二圆台形结构的壁面的锥度α为60~80°。所述第四圆台形结构的壁面的锥度α为60~80°。
所述第一圆台形结构的高度h满足如下关系式：h=1/2(h圆棒-3d圆棒)，h圆棒为圆棒高度，d圆棒为圆棒直径。所述第三圆台形结构的高度h满足如下关系式：h=1/2(h圆棒-3d圆棒)，h圆棒为圆棒高度，d圆棒为圆棒直径。
所述圆柱形结构的直径d壁面满足如下关系式：d壁面=（1.4~1.8）d圆棒。所述圆柱形结构的高度h壁面满足如下关系式：h壁面=（1.0~1.2）d圆棒 2×h圆棒/d壁面 2，d圆棒为圆棒直径，h圆棒为圆棒高度。
所述第二圆台形结构的壁面的锥度与第四圆台形结构的壁面的锥度相同。所述第一圆台形结构的高度等于所述第三圆台形结构的高度。所述第二圆台形结构的高度等于所述第四圆台形结构的高度。
所述第一不变形约束区靠近上砧座1一侧，所述第一变形区远离上砧座1一侧，即所述第一不变形约束区的第一圆台形结构靠近上砧座1一侧，所述第一变形区的第二圆台形结构远离上砧座1一侧。所述上凹模3放置在上垫板2上，通过紧固螺栓将上凹模3和上垫板2固定到上砧座1上。
所述第二不变形约束区靠近下砧座7一侧，所述第二变形区远离下砧座7一侧，即所述第二不变形约束区的第三圆台形结构靠近下砧座7一侧，所述第二变形区的第五圆台形结构远离下砧座7一侧。所述下凹模5放置在下垫板6上，通过紧固螺栓将下凹模5和下垫板6固定到下砧座7上。
所述第一变形区和所述第二变形区组装的棒料镦粗成形区用于实现高径比为3以上的棒料的无折叠均匀镦粗成形；所述第一不变形约束区和所述第二不变形约束区内通过添加垫块，用于控制所述第一不变形约束区和所述第二不变形约束区内的坯料进入所述第一变形区和所述第二变形区，以完成无折叠均匀镦粗成形。
实施例2
本实施例提供一种对超大高径比圆棒的成形方法，所述方法是基于实施例1所述的圆棒的镦粗模具，在本实施例中的金属材料为铝基复合材料，其原始棒料直径d圆棒=100mm，高度h圆棒=700mm，圆棒高径比为7.0。所述成形方法包括如下步骤：
步骤（1）：根据圆棒直径和高度，确定上凹模3和下凹模5的成形壁面的锥度、下凹模5的成形壁面的直径和高度，以及上凹模3和下凹模5的成形的高度，具体如下：
上凹模3的成形的高度h=1/2(h圆棒-3d圆棒)=200mm，上凹模3的成形壁面的锥度α=70°，下凹模5的成形的高度h=1/2(h圆棒-3d圆棒)=200mm，下凹模5的成形壁面的锥度α=70°，下凹模5的成形壁面的直径d壁面=1.6d圆棒=160mm，下凹模5的成形壁面的高度h壁面=（1.0~1.2）d圆棒 2×h圆棒/d壁面 2=300mm。
确定每次镦粗压下量h压下量=（0.4~0.6）[3d圆棒-（3d圆棒 3/d壁面 2）]=90mm。镦粗次数n≥2.44，即镦粗次数为3次。
步骤（2）：将圆棒4、上凹模3和下凹模5加热后，进行第一次镦粗成形，镦粗压下量设定为90mm，镦粗件的高度为610mm；
步骤（3）：在上模和下模中分别增加厚度为45mm的垫板，进行第二次镦粗成形，镦粗压下量设定为90mm，镦粗件的高度为520mm；
步骤（4）：按照相同的方法进行第三次镦粗成形，镦粗压下量设定为90mm，镦粗件的高度为430mm，镦粗件直径为160mm，镦粗件的高径比小于3，可以进行镦粗、拔长等自由锻造以及挤压、轧制等塑性成形，满足多种形状制品需求。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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