具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的说明。

如图1，在本实施例中，目标产品GH4169高温合金航空发动机碗形机匣环坯及其尺寸，其中D₅＝1150mm，d₅＝1002mm，D₄＝901mm，d₄＝770mm，H₄＝504mm。这种大小的高温合金碗形机匣从矩形截面筒形环件，一次成形到碗形机匣环坯3需要20000吨以上的压力机，本发明中最关键的步骤在于扩口工艺的设计与优化，目的在于解决碗形机匣环坯3成型精度不够，成形力大的问题，通过合理分配各工序变形量，实现碗形机匣环坯3的高精度成型，并且显著的降低对成型设备吨位的要求，可以只需要3000吨压机。

为此，提供一种小吨位压机成形碗型机匣环坯的方法，通过计算合理分配铸锭材料在镦粗、冲孔去连皮、轧环、扩口和锻挤各工序的变形量，保证小吨位压机能满足各工序的压力需求，包括步骤：S1、成形前，根据碗型机匣环锻件体积计算铸锭材料的尺寸，分配从铸锭到碗型机匣环坯3各工序的变形量，根据各工序变形量确定各工序工件尺寸；S2、成形时，将铸锭材料加热到固溶温度保温后出炉，即在小吨位压机上进行镦粗、冲孔去连皮得到厚壁矩形环坯，对厚壁矩形环坯整形后回炉加热并保温后出炉，即在轧环机上轧制得到沿轴向体积分布的薄壁近矩形环坯7，利用余热胀形整园后将薄壁近矩形环坯7回炉加热并保温后出炉，即在小吨位压机上用扩口锻挤模具进行多次扩口、分步锻挤大端台阶，得到碗型机匣环坯3。

在该制坯过程中，通过一系列计算合理分配每个成形工序的变形量，根据现有设备能力调整所需成形力，充分发挥设备能力，采用多次扩口和分步大端台阶锻挤，最终得到精密的碗型机匣环坯3，不但能够达到较高的尺寸精度，使晶粒和微观组织均匀，而且极大降低所需加工设备吨位。

具体的实施步骤如下：

1)各工艺步骤变形量分配的计算。

为保证环坯变形充分，各工艺步骤的变形量分配如下，镦粗工序变形量取k₁＝40％～80％，冲孔变形量取k₂＝4％～12％，轧制比取k₃＝1.6～2.2，扩口锻挤所需各步骤的变形量k₄根据给定压机最大吨位计算。铸锭尺寸为Φ354×1000mm。

2)镦粗的选用计算

镦粗工序变形量取42％，镦粗完成后，棒料变形为高580mm的鼓形坯。

3)冲孔的选用计算

镦粗完成后进行冲孔，取冲头直径260mm，连皮厚度取100mm，随后适当整形，坯料变形为Φ535x260x540mm的带连皮的环坯，随后冲孔整形拔长，H₂＝585mm， D₂＝535mm，d₂＝270mm。

4)轧环的选用计算。

计算得薄壁近矩形环坯为Φ901x770x585mm，H₃＝540mm，k＝2.1。如图3所示。

5)扩口镦挤的选用计算。

A.扩口次数计算

给定设备吨位为3000T压力机，根据公式：

其中，P为3000KN，K取1，d₅为1002mm，d₄为770mm，σ取400MPa。

B.扩口各道次冲头设计

可以设计出扩口各道次的冲头尺寸为，

其中R_i表示第i道次锻挤冲头的外半径，N为锻挤次数，R_i-1为第i-1道次的冲头外半径(第i＝1时取环锻件小端的内半径)。代入R₀＝385后计算得R₁＝410mm，R₂＝440mm， R₃＝465mm，R₄＝490mm，R₅＝501mm。

C.各道次扩口力能校核

根据公式，

其中Ti为第i道次扩口力，应小于压力机吨位P，K为载荷修正系数，可取0.8～1.2，此处取为1。各道次锻挤力计算如下，T₁＝2496T，T₂＝3202T，T₃＝2841T，T₄＝2998T，T₅＝1369T。

根据校核结果可以看出第二道次的锻挤力略大于设备吨位，而第五道次的力又远小于设备吨位。因此需要对锻挤工艺过程进行进一步优化，冲头如附图4。

D.扩口尺寸优化与模具设计

在校核完锻挤力后，根据计算结果进行数值模拟，结合数值模拟结果对锻挤过程进行优化，确保能在给定设备条件下完成环锻件的成型过程。优化后的各扩口冲头尺寸分别为 R₁＝410mm，R₂＝435mm，R₃＝460mm，R₄＝485mm，R₅＝501mm。

E.大端台阶分步锻挤次数计算

扩口后需要在环坯大端形成台阶，在压力机吨位限定情况下，进行多次分步锻挤，锻挤次数为，

6)扩口锻挤模具结构设计

根据优化后的扩口冲头尺寸以及环锻件尺寸设计的模具如附图5。为了方便加工及安装，将凹模部分分解为上凹模4与下凹模6，由于扩口过程中多次更换冲头，为了方便冲头定位，采用一根1.5m的芯轴5对冲头进行定位，芯轴5通过锥面楔在下模板中，采用螺钉、销钉的紧固与链接方式链接模具各个部分。带1/4凸块的环模，其台阶分为两部分沿圆周对称分布，每部分台阶占环模45°圆周角。

如图5所示，扩口锻挤模具包括底座、设在底座上的下凹模6和芯轴5、设在下凹模6的上侧的上凹模4、多组不同尺寸外表面的冲头2、环模1、用于将碗型机匣环坯3顶出上凹模4的顶出机构；芯轴5延伸至上凹模4和下凹模6中心，冲头2的中心孔能配合放入芯轴5、下部能伸入下凹模6，最大冲头2的上部外表面与上凹模4内表面相适应，环模1 能套在最大冲头2的顶部且下部设有用于分步锻挤环件大端台阶的凸块。该模具能快速上料和快速下料，冲头2和中心孔保证了快速精确对中且不产生偏斜，通过依次更换外表面尺寸逐渐增大的冲头2实现多次扩口，通过旋转环模1调整凸块的角度实现分步锻挤，极大降低了扩口和台阶锻挤所需压力。

顶出机构包括长杆8、顶块9和撬杆10，长杆8滑动配合在下凹模6的竖向贯通孔内，顶块9滑动配合在底座的竖向槽内，撬杆10能伸入底座将顶块9撬起，不操作撬杆时，顶块9上部支撑在底座上，长杆8的顶端与下凹模6顶面齐平且正对工件下端面、底端支撑在顶块9上部，顶出机构利用杠杆原理可以将工件3轻松顶出，而且平时不影响扩口和锻挤。

7)扩口锻挤过程

进行扩口锻挤工序时，先将沿轴向体积分布的薄壁近矩形环坯7放在下凹模6上并与上凹模4处于接触状态，然后将冲头2吊装于环坯7上并通过中心孔和芯轴5的配合定位，小吨位压机下压冲头2进行扩口，依次更换外表面尺寸逐渐增大的冲头2实现多次扩口，直到最大冲头2扩口完成后，在最大冲头2顶部套上环模1，随后小吨位压机下压环模1 并通过凸块锻挤环件大端形成部分台阶，然后旋转环模1调整凸块的角度再进行锻挤，直至在环件大端分步锻挤出整圈台阶，最后取出环模1和冲头2，通过顶出机构将碗型机匣环坯3顶出上凹模4。凸块采用两个且间隔180°，每个凸块均占圆周45°，每锻挤一次，则旋转90°，该设置能保证锻挤时受力平稳。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。