用于铸锭的往复压剪耦合镦粗方法
阅读说明：本技术 用于铸锭的往复压剪耦合镦粗方法 (Reciprocating pressure-shear coupling upsetting method for cast ingot ) 是由 仇平 赵长财 朱麒 刘俊铭 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于铸锭的往复压剪耦合镦粗方法,其包括：S1、预镦粗阶段：将上平砧单向初始压下,下平砧保持不动,通过上下平砧压紧夹住铸锭；S2、主变形阶段：上平砧持续下压,下平砧开始往复平移,对铸锭开始进行耦合镦粗,对饼类锻件可一次完成耦合镦粗主变形阶段；对非饼类锻件需翻转镦粗的,每次翻转都可按照S2方法进行镦粗,直至完成开坯主变形阶段；S3、压实平整阶段。本发明通过步骤S2的压剪耦合镦粗方法使铸锭内部产生较大的塑性变形,充分发挥剪应变的作用,进而提高铸锭心部的锻透性,达到细化晶粒、锻合孔洞疏松和消除偏析等目的,以大幅提高坯料质量。(The invention provides a reciprocating pressure-shear coupling upsetting method for ingot casting, which comprises the following steps of: s1, pre-upsetting stage: the upper flat anvil is initially pressed down in one direction, the lower flat anvil is kept still, and the cast ingot is clamped by the upper flat anvil and the lower flat anvil in a pressing mode; s2, main deformation stage: the upper flat anvil is continuously pressed downwards, the lower flat anvil starts to perform reciprocating translation, the ingot casting starts to be subjected to coupling upsetting, and a main deformation stage of the coupling upsetting can be completed for cake forgings at one time; upsetting non-cake forgings in a turning mode, wherein upsetting can be carried out according to an S2 method when the forgings are turned each time until the cogging main deformation stage is completed; and S3, compacting and flattening. According to the invention, the pressing-shearing coupling upsetting method of the step S2 is adopted to generate larger plastic deformation in the ingot, so that the shearing strain effect is fully exerted, the forging permeability of the center of the ingot is further improved, the purposes of grain refinement, loose forged hole, segregation elimination and the like are achieved, and the quality of the blank is greatly improved.)
技术领域
本发明属于材料锻造技术领域，具体涉及充分发挥剪应变方法以改善锻坯内部质量的一种用于铸锭的往复压剪耦合镦粗方法。
背景技术
镦粗是使坯料高度减小而横截面增大的锻造工序。若使坯料局部截面增大则称为局部镦粗。镦粗的作用包括由横截面较小的坯料得到横截面较大而高度较小的锻件；冲孔前增大坯料横截面和平整端面；提高下一步拔长时的锻造比；提高锻件的横向力学性能和减少各向异性；反复镦粗和拔长以打碎合金工具钢中的碳化物，使其分布均匀。
目前铸锭开坯大多利用上平砧和下平砧正压进行镦粗加工，为获得较好的制坯质量，镦粗时常采取大压下量的方法来改善坯料质量。
但是现有的工艺对改善坯料质量依然存在诸多不足之处：
(1)因工作砧与坯料接触面的摩擦原因，铸锭心部变形极不均匀，对提高坯料整体质量不稳定；
(2)翻转镦粗时，在锻坯的水平对称面和垂直对称面附近因较大的拉应力的反复作用导致孔洞可能再次出现，在对角区域内因反复作用的剪应变可能会生成新的疏松缺陷，从而无法得到质量较高的坯料。
(3)在锻坯中心区域大变形过程中温度容易升高，导致打碎的晶粒会再次快速生长，细化晶粒效果不佳；
(4)偏析和白点等缺陷主要以自身扩散为主，消除困难。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明通过压下和揉搓方法使铸锭内部产生较大的塑性变形，充分发挥剪应变的作用，进而提高铸锭心部的锻透性，达到细化晶粒、锻合孔洞疏松和消除偏析等目的，从而大幅提高坯料质量。
本发明目的在于取消现有镦粗方法中下平砧固定不动的约束条件，增加下平砧往复平移运动，结合上平砧正压镦粗，通过压应变和剪应变耦合作用，碾碎方式细化内部粗大晶粒、锻合内部孔洞疏松、揉开偏析等缺陷，实现铸锭优质开坯。
具体地，本发明提供一种用于铸锭的往复压剪耦合镦粗方法，其包括以下步骤：
S1、预镦粗阶段：首先将上平砧单向初始压下，下平砧保持初始位置不动，通过上平砧和下平砧压紧对铸锭进行夹持；
S2、主变形阶段：上平砧持续下压，同时下平砧在水平面内开始进行往复平移运动，通过上平砧作用的压应变和下平砧作用的剪应变耦合镦粗完成开坯主变形阶段，通过增加剪应变对锻透性的作用使得铸锭的中心变形区域的晶粒尺寸能够得到充分细化，具体主变形工作流程为:
对于饼类锻件，在材料塑性允许的范围内和铸锭被上平砧夹住的条件下，下平砧选取最优的平移量、平移方向和往复次数，在上平砧压下量阈值内根据上述步骤一次耦合镦粗完成开坯主变形阶段；
对于非饼类锻件，以镦粗和拔长交替变形时，在材料塑性允许的范围内和铸锭被上平砧夹住的条件下，下平砧选取最优的平移量、平移方向和往复次数根据上述步骤进行初次压剪耦合镦粗，随后翻转铸锭，根据初次镦粗后的坯料尺寸更新下平砧的平移量、平移方向和往复次数后重复上述步骤再次压剪耦合镦粗，依此方法多次翻转镦粗后完成开坯主变形阶段；
S3、压实平整阶段：下平砧回到初始位置并保持静止，上平砧继续下压，直到满足坯料最终尺寸位置后停止动作，进一步压实锻件并平整端面。
优选地，下平砧的往复平移包括单向往复平移运动和/或多向往复平移运动。
优选地，步骤S1中首先利用上平砧、下平砧对加热金属铸锭进行预镦粗。
优选地，步骤S1中的压下量阈值的大小根据锻坯与上平砧和下平砧接触面之间的摩擦系数进行确定。
优选地，步骤S1中的压下量阈值的大小能够使压剪耦合镦粗时锻坯与上平砧和下平砧接触面不发生滑动。
优选地，步骤S2中的下平砧单侧平移距离为大于0.3倍初始铸锭直径值，并保证坯料不倾倒。
优选地，步骤S2中下平砧的往复平移包括直线运动或曲线运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明适合于大规格锻件，在合理的工艺下，相对现有镦粗方法可减少翻转次数，提高加工效率。
(2)本发明通过增加下平砧往复平移运动，结合上平砧正压镦粗，通过压应变和剪应变耦合作用，碾碎方式细化内部粗大晶粒、锻合内部孔洞疏松、揉开偏析等缺陷，实现铸锭优质开坯。
(3)本发明通过压应变和剪应变耦合方法使铸锭内部产生较大的塑性变形，充分发挥剪应变的作用，进而提高铸锭心部的锻透性，达到细化晶粒、锻合孔洞疏松和消除偏析等目的，从而大幅提高坯料质量。
(4)本发明的方法，对于圆饼类锻件可一次耦合镦粗完成开坯。在锻造比(镦粗前坯料高度与镦粗后坯料高度之比)为1.6和横移比(镦粗前坯料直径与下砧单侧平移量之比)为3.3时与传统平砧镦粗下锻造比为2时(常作为下限)内部晶粒细化质量相当，有助于提高工作效率。总之，在材料塑性允许的范围内和铸锭被上平砧夹住的条件下下砧选取合理的平移量、平移方向和往复次数等参数能够达到更优质量效果。
附图说明
图1为现有的铸锭传统平砧镦粗开坯示意图。
图2为本发明的工作流程示意图。
图3为本发明上平砧单向预压示意图。
图4为本发明下平砧向右平移示意图。
图5为本发明下平砧向左平移示意图。
图6为本发明下平砧归位示意图。
图7为本发明上平砧单向终压示意图。
图8为样例在传统平砧镦粗方法下内部晶粒分布结构示意图。
图9为样例在本发明工艺下内部晶粒分布结构示意图。
图中部分附图标记如下：
1-上平砧、2-镦粗前铸锭轮廓、3-镦粗过程锻坯轮廓、4-下平砧、5-难变形区域，6-中心变形区域；7-难变形区域，8-中心变形区域。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
图3-图7示出了各个部件的工作示意图，图8所示为普通平砧正压镦粗后锻坯内部再结晶晶粒分布结构示意图。图9所示为本发明工艺镦粗后锻坯内部再结晶晶粒分布结构示意图。
本发明提供一种用于铸锭的往复压剪耦合镦粗方法，如图2所示，其包括以下步骤：
S1、预镦粗阶段：首先将上平砧1单向初始压下，下平砧4保持不动，通过上平砧1和下平砧4压紧夹住铸锭，上平砧1压下量的大小处于压下量阈值内。
具体工作时，用上平砧1、下平砧4对加热金属铸锭进行预镦粗。用上平砧1、下平砧4对铸锭进行初步压下，使上、下平砧4与铸锭接触面产生足够大的正压力和摩擦力，保证后续时锻坯与上下平砧4接触面不发生打滑，为往复压剪耦合镦粗做好准备。
S2、主变形阶段：上平砧1持续下压，下平砧4开始往复平移运动，通过上平砧1作用的压应变和下平砧4作用的剪应变耦合镦粗同时完成铸锭开坯，通过下平砧4增大的剪应变提升坯料内部锻透性。
工作过程中，合理设定上平砧1压下量和下平砧4的平移量以及下平砧4运动方式等工艺参数，可达到优质开坯的目的。
对于饼类锻件在材料塑性允许的范围内和铸锭被上平砧1夹住的条件下，下平砧4选取最优平移量、平移方向和往复次数，一次耦合镦粗完成开坯。在上平砧1不断压下过程中，铸锭高度越来越小，横截面越拉越大，使得铸锭越来越稳定，同时上下砧夹紧力也在不断增加，对防止坯料打滑和倾倒更为有利，如此，下平砧4平移量可以随动调整变大，尽可能增加心部变形，最优改善心部质量。在锻造比(镦粗前坯料高度与镦粗后坯料高度之比)为1.6和横移比(镦粗前坯料直径与下砧单侧平移量之比)为3.3时与传统镦粗下锻造比为2时(常作为下限)内部晶粒细化质量相当，有助于提高工作效率。总之，在材料塑性允许的范围内和铸锭被上平砧1夹住的条件下下砧选取合理的平移量、平移方向和往复次数等参数能够达到更优质量效果。
对于非饼类其他类锻件以镦粗和拔长交替变形时，第一次耦合镦粗开坯的步骤与饼类锻件相同，在材料塑性允许的范围内和铸锭被上平砧1夹住的条件下，下平砧4选取最优平移量、平移方向和往复次数进行第一次耦合镦粗开坯。在完成第一次耦合镦粗开坯后，需翻转铸锭，重复上述步骤再次压剪耦合镦粗，依此方法直至完成耦合镦粗阶段。由于在前一步耦合镦粗后，坯料的形状和尺寸发生了变化，坯料翻转后需要重新设定各步工艺参数，以保证压剪耦合镦粗顺利进行，完成开坯主变形阶段。
S3、压实平整阶段：下平砧4回到初始位置不动，上平砧1继续压下，直到满足坯料最终尺寸位置停止，进一步压实锻件，并平整端面。
下平砧4的运动包括单向往复平移运动和/或多向往复平移运动。其可以以直线或者曲线方式进行运动。
实际生产中，材料物理性能、两砧与铸锭间摩擦系数、上平砧1压下量和下平砧4的平移方式根据具体工况条件进行设定。
优选地，步骤S1中铸锭镦粗前不需在铸锭表面添加润滑剂。
本发明技术方案的实施主要在于用于铸锭的往复压剪耦合镦粗方法流程的设计，下平砧4平移结构和压力机需另行设计，在本专利中不做限定。
实施例：
以直径500mm、高度600mm尺寸的铸锭镦粗为例说明本发明工艺流程。图1为铸锭传统平砧镦粗开坯示意图，上平砧1压下量200mm，即镦粗开坯后锻坯高度为400mm。其他工况条件：材料取IN718合金，初始晶粒尺寸50μm，加热温度1100℃，摩擦系数0.7。镦粗前铸锭轮廓2如标号2所示。
如图3所示，为本发明工艺流程中上平砧1单向预压过程，上平砧1压下量25mm。此时，铸锭上下端面产生足够压力和摩擦力，保证压剪耦合镦粗时锻坯与上下平砧4接触面不发生打滑。
如图4所示，为本发明工艺流程中上平砧1持续下压和下平砧4开始平移过程，上平砧1总压下量75mm，下平砧4向右平移100mm。从轮廓变形趋势看，锻坯中部发生向右错移变形，增大内部剪应变，有助于搓碎粗大晶粒。
如图5所示，为本发明工艺流程中上平砧1持续下压和下平砧4向左平移过程，上平砧1总压下量150mm，下平砧4向左平移200mm。从轮廓变形趋势看，锻坯中部发生向左错移变形，在左右往复错移和上平砧1正压下，锻坯内部发生复杂大应变，增加锻透性，有助于细化晶粒、压合孔洞疏松和揉开偏析组织。镦粗过程锻坯轮廓3如标号3所示。
如图6所示，为本发明工艺流程中上平砧1持续下压和下平砧4归位过程，上平砧1总压下量175mm，下平砧4向右平移100mm。从轮廓变形趋势看，与传统轮廓接近，以接近锻坯所要求的规格形状。
如图7所示，为本发明工艺流程中上平砧1终压过程，上平砧1总压下量200mm，下平砧4不动。目的是平整端面和进一步压实内部金属。
如图8所示，普通平砧正压镦粗后锻坯中心变形区域6再结晶晶粒尺寸大于50μm，最大值为58μm，可见此区域晶粒再次长大，测得中心变形区域6占总体积2％；难变形区域5呈圆锥形，锥顶深入中心区，该区域再结晶晶粒尺寸45-50μm之间。
如图9所示，本发明压剪耦合镦粗后整体锻坯再结晶晶粒尺寸均小于50μm，其中锻坯中心变形区域8为晶粒尺寸较小区域，最小值为17μm，测得晶粒尺寸小于27μm区域占总体积17％；难变形区域7呈扁圆体，体积比普通平砧正压镦粗小，该区域再结晶晶粒尺寸40-50μm之间。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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