一种法兰锻件轴向辗压成形方法
阅读说明：本技术 一种法兰锻件轴向辗压成形方法 (Axial rolling forming method for flange forging ) 是由 王建国 刘�东 杨艳慧 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种法兰类锻件轴向辗压成形方法,涉及金属材料塑性成型技术领域,加工时,先对管坯的端部加热并进行扩孔,然后对扩孔段进行加热,加热完成后管坯转动,同时对扩张段进行轴向辗压,制得管坯端部法兰；本发明通过先对管坯扩孔,然后利用轴向闭式摆辗技术生产法兰,一方面其成型方法更简单,可以明显缩短端部带法兰工件的成型工序,另一方面采用轴向闭式摆辗技术生产的法兰具备锻造流线合理,机械性能较好的优点；同时,通过摆碾技术对法兰进行加工,可以加工厚度小于管坯壁厚的法兰,且对法兰的成型厚度进行精准控制,具备更广的应用范围。(The invention discloses an axial rolling forming method of a flange forging, which relates to the technical field of metal material plastic forming, wherein during processing, the end part of a tube blank is heated and reamed, then a reaming section is heated, the tube blank rotates after heating, and meanwhile, an expansion section is axially rolled to obtain a flange at the end part of the tube blank; according to the invention, the hole of the pipe blank is firstly expanded, and then the flange is produced by using the axial closed type rotary forging technology, so that on one hand, the forming method is simpler, the forming process of the workpiece with the flange at the end part can be obviously shortened, and on the other hand, the flange produced by using the axial closed type rotary forging technology has the advantages of reasonable forging flow line and better mechanical property; simultaneously, through pendulum grinding technique to the flange processing, can process the flange that thickness is less than the pipe wall thickness, and carry out accurate control to the shaping thickness of flange, possess wider range of application.)
技术领域
本发明涉及金属材料塑性成型技术领域，特别是涉及一种法兰锻件轴向辗压成形方法。
背景技术
目前，对于法兰类产品，生产工艺主要分为锻造、铸造、割制和卷制，其中常用为锻造法兰和铸造法兰，根据对法兰件要求的性能采用不同的工艺成形，铸造出来的法兰，毛坯形状尺寸准确，加工量小，成本低，可以成形复杂外形，但易产生铸造缺陷，内部组织流线较差；锻造法兰锻件流线随形分布，组织致密，机械性能优于铸造法兰，但存在成形载荷大，易晶粒尺寸偏大且不均匀，表面硬化开裂、成本偏高等问题。锻造法兰现主要采用旋压、镦粗或挤压成形，其中旋压方法现将坯料制成管状件，再利用旋压技术成形内外法兰端，但主要适用于薄壁法兰件；而挤压成形方法有直接采用棒坯进行整体挤压成形，也存在利用管状坯进行法兰端局部挤压成形，整体挤压成形所要求的成形载荷较大，对模具的精度要求和运动形式控制严格，成形成本偏高；而镦粗则是指对端部法兰特征采用直接镦粗成形，设备载荷大，而且镦粗后工件变形一致性差。
一直以来，法兰类产品由于其结构复杂，生产工艺较为多样化，根据法兰的具体要求尺寸，可以分为冲孔+局部镦粗、整体挤压、管状坯局部挤压和局部旋压等方法，优缺点也较明显。现阶段也有许多针对法兰类产品的专利。
公开号为CN111872257A的发明专利阐述了一种两端直法兰长管件制造方法，利用管坯，先内旋压“反向扩径+局部镦挤”复合技术，加工外法兰端内圆角，采用平面旋轧渐进成形技术，进行外法兰整体预成形，采用平面外拉碾平技术实现外法兰精确成形；再采用外旋压“反向缩径+局部镦挤”复合技术，加工内法兰端外圆角，采用平面旋轧渐进成形技术，进行内法兰整体预成形，采用平面内拉碾平技术实现内法兰的精确成形，最后采用强力旋压技术实现长管件直段的成形。该工艺复杂，适用于薄壁长管法兰的成形，而难以运用在其他形状法兰上。
公开号为CN109848236A的发明专利阐述了一种带大型法兰中通体的组合分模模具一次挤压成形方法，其将原本的上模、下模拆分成包括左右水平凹模、上下挤压模和上下垂直穿孔工具等组合分模模具，并通过控制各模块运动形成垂直双动挤压，主要是控制上垂直穿孔针进行垂直穿孔，同时控制上挤压模挤压法兰成形，将冲孔和法兰端成形两步融合成一次挤压成形，简化了成形加工工序，挤压后的法兰件力学性能等较优异，但是该工艺模具复杂，对模具装配及运动要求较高，而且由于整体挤压成形，所要求的设备载荷也较高。
综上所述，传统的法兰工件的制备方法普遍存在工艺过程复杂，载荷大，对设备和模具均具有较高要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种法兰锻件轴向辗压成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，明显缩短端部带法兰工件的成型工序，同时提高工件的成型精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种法兰轴向辗压成形方法，包括如下步骤：
1)对管坯的端部加热并进行扩孔；
2)对扩孔段进行加热，加热完成后管坯转动，同时对扩张段进行轴向辗压，制得管坯端部法兰。
优选的，步骤1)中，将管坯放入扩孔模具中，一端部自扩孔模具伸出，对管坯的伸出部分进行加热，加热到指定温度后，采用扩孔装置对管坯伸出部分进行挤压扩孔。
优选的，步骤2)中，扩孔完成后将管坯转移至辗压模具中固定，扩孔段自辗压模具中伸出，然后对扩孔段进行加热，加热完成后，辗压模具带动管坯转动。
优选的，步骤2)中，所述辗压模具中具有用于放置管坯的第一凹槽与用于成型法兰的第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽呈阶梯状分布，且所述第一凹槽的直径与管坯的外径相同，所述第一凹槽的顶部与扩孔段的底部对应，所述第二凹槽的直径与成品工件中的法兰直径相同，深度与成品工件中的法兰厚度相同。
优选的，所述第一凹槽中还设置有用于对管坯进行定位的芯柱，所述芯柱的高度小于成品工件的整体高度，大于所述第一凹槽的高度。
优选的，所述芯柱呈圆台形，且底部与管坯过盈配合，所述圆台形斜角小于5°。
优选的，步骤2)中，利用摆碾对扩径段进行辗压，所述摆碾倾斜设置，使所述摆碾的一侧表面与成品工件的法兰端面平行，利用摆碾上的平行表面对管坯的扩孔段进行轴向下压。
优选的，所述摆碾倾斜设置进行下压，倾斜角度为4°～8°，下压速度为3mm/s～8mm/s，辗压模具的旋转速度为0.5r/s～2r/s。
优选的，步骤1)中，利用锥模对管坯进行扩孔，所述锥模的锥角角度为90°～150°，下压量为法兰厚度的1.3～1.7倍。
优选的，步骤1)之前，将铸锭进行自由锻墩拔开坯，得到棒状坯料，然后对棒状坯料进行冲孔，得到管坯。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过先对管坯扩孔，然后利用轴向辗压技术生产法兰，一方面其成型方法更简单，可以明显缩短端部带法兰工件的成型工序，便于工业化生产，另一方面如果对锻造而成的管坯端部加工法兰，扩孔阶段及辗压阶段不会打断锻造流线，从而采用本方法生产出的法兰具备锻造流线合理，机械性能优良的优点；
2、本发明在扩孔阶段及辗压阶段前均对管坯进行加热，提高管坯加工区域的塑形，避免管坯产生应力集中甚至开裂的情况，同时也可以降低辗压阶段所需压力，进而降低对生产设备的要求；
3、本发明通过辗压技术对法兰进行辗压加工，可以加工厚度小于管坯壁厚的法兰，且能够对法兰的成型厚度进行精准控制，具备更广的应用范围；
4、本发明中第二凹槽的直径与成品工件中的法兰直径相同，深度与待成品工件中的法兰厚度相同，在辗压时，管坯端部能够在第二凹槽中形成法兰，并利用第二凹槽能够限制金属流动，法兰的成型精度更高；并且在第一凹槽中还设置有芯柱，芯柱呈圆台形，斜面斜角小于5°，且底部与管坯过盈配合，通过设置芯柱，不仅能够对管坯进行进行定位，还能够对辗压过程中流动的金属起到限制作用，进一步提高工件的成型精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为管坯与扩张模具的配合示意图；
图2为扩孔时锥模与管坯的配合示意图；
图3为扩孔后的管坯与辗压模具、摆碾的配合示意图；
图4为辗压时摆碾与管坯的配合示意图；
其中，1、管坯；2、扩孔模具；3、锥模；4、辗压模具；5、摆碾；6、第一凹槽；7、第二凹槽；8、芯柱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种法兰锻件轴向辗压成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，明显缩短端部带法兰工件的成型工序，同时提高工件的成型精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种法兰轴向辗压成形方法，包括如下步骤：
1)对管坯1的端部加热并进行扩孔；
2)对扩孔段进行加热，加热完成后管坯1转动，同时对扩张段进行轴向辗压，制得管坯1端部法兰。
本实施例通过先对管坯1扩孔，然后利用轴向辗压技术生产法兰，一方面其成型方法更简单，可以明显缩短端部带法兰工件的成型工序，便于工业化生产，另一方面如果对锻造而成的管坯1端部加工法兰，扩孔阶段及辗压阶段不会打断锻造流线，从而采用本方法生产出的法兰具备锻造流线合理，机械性能优良的优点；同时，通过辗压技术对法兰进行辗压加工，可以加工厚度小于管坯1壁厚的法兰，且能够对法兰的成型厚度进行精准控制，具备更广的应用范围。
需要说明的是，本实施例中扩孔阶段及辗压阶段均需要管坯1具有良好的塑性，避免在扩孔阶段或辗压阶段，管坯1受力导致内部应力集中，影响其成型的法兰性能，甚至导致管坯1开裂的情况出现，因此本实施例在扩孔阶段先对管坯1端部进行加热，提高端部塑性；如果管坯1材料的变形温度范围较大，例如管坯1材料为钢，可以通过扩孔前的一次加热，完成扩孔及辗压两个阶段，如果管坯1材料为高温合金，例如铝合金时，则需要分别在扩孔及辗压之前对管坯1顶部进行加热，保证管坯1的端部处于高塑性的温度范围内；具体的加热装置可以选择为中频感应加热圈，接通中频感应加热圈的电源即可对管坯1加热端进行加热，但加热装置不限于中频感应加热圈；加热温度随管坯1材料的不同进行控制，如管坯1材料为铝合金时，加热温度为460℃左右，材料为钛合金时，加热温度为1000℃左右，材料为镍基合金时，加热温度为1000℃左右，利用中频感应加热圈对管坯1进行加热的方法及对于不同材料的管坯1加热温度的控制是本领域技术人员所熟练掌握的技能，对此，本实施例不进行赘述穷举。
本领域技术人员应当得知，管坯1在扩孔时，扩孔段的尺寸应当与成品工件中法兰的尺寸有关，优选扩孔段的体积应当略大于成品工件中端部法兰的体积；并且在扩孔时需要设置模具对扩径段的弯折位置进行限定，避免扩孔尺寸太大，具体的，本实施例的步骤1)中将管坯1放入扩孔模具2中，扩径模具可以呈具有开口的圆筒状，圆筒与管坯1间隙配合，管坯1端部自扩孔模具2的开口伸出，伸出长度为扩径段的长度，然后利用中频感应加热圈对管坯1的伸出部分进行加热，加热到指定温度后，采用扩孔装置对管坯1伸出部分进行挤压扩孔。
扩孔装置为锥模3，锥模3的锥角角度为90°～150°，下压量为成品工件中法兰厚度的1.3～1.7倍，即扩径段长度为法兰厚度的1.3～1.7倍。
同理，轴向辗压阶段同样需要设置模具，本实施例的步骤2)中，将扩孔完成后将管坯1转移至辗压模具4中固定，扩径段自辗压模具4中伸出，然后对扩孔段进行加热，加热完成后，辗压模具4带动管坯1转动，同时辗压装置对扩径段进行辗压成型。
具体的，本实施例中辗压模具4中具有用于盛放管坯1的第一凹槽6与第二凹槽7，第一凹槽6与第二凹槽7呈阶梯状分布，且第一凹槽6的直径与管坯1的外径相同，第一凹槽6的顶部与扩孔段的底部对应，第二凹槽7的直径与成品工件中的法兰直径相同，深度与待成品工件中的法兰厚度相同，在辗压时，管坯1的扩径段能够在第二凹槽7中形成法兰，第二凹槽7能够限制金属流动，成型精度更高；并且在第一凹槽6中还设置有芯柱8，芯柱8呈圆台形，斜面斜角小于5°，且底部与管坯1过盈配合，芯柱8的高度小于成品工件的整体高度，大于第一凹槽6的高度，通过设置芯柱8，不仅能够对管坯1进行进行定位，还同样能够对辗压过程中流动的金属起到限制作用，提高工件的成型精度。
进一步的，步骤2)中，利用摆碾5对扩径段进行辗压，摆碾5倾斜设置，使摆碾5的一侧表面与成品工件的法兰端面平行，利用摆碾5上的平行表面对管坯1的扩径段进行轴向下压，摆碾5是本领域的常用装置，轴向辗压时，其自身倾斜角度为4°～8°，具体的倾斜角度根据实际摆碾5锥面的角度进行设置，并且辗压时，摆碾5的下压速度为3mm/s～8mm/s，辗压模具4的旋转速度为0.5r/s～2r/s。
本实施例中的管坯1可以通过铸锭加工形成，具体步骤为，先将铸锭进行自由锻墩拔开坯，得到棒状坯料，棒状坯料的直径不小于管坯1直径，然后采用镦粗、穿孔或者挤压工艺对棒状坯料进行冲孔，得到管坯1；管坯1的长度可以比较长，在制得端部法兰后，可以根据成品工件的大小对管坯1的端部进行切割，切割部分带有法兰，然后进行精加工得到成品工件。
下面以示例材料为42CrMo的法兰成形为例进行说明：
第一步，将铸锭加热至1150℃，进行自由锻镦拔工艺，经过三镦三拔将原始铸锭开坯成的圆柱棒状坯料。
第二步，将棒状坯料回炉加热至1150℃，采用镦粗冲孔，冲孔模具直径与法兰内孔直径一致，为150mm；
第三步，采用中频感应线圈，对管坯1上端部进行局部加热，加热温度为1150℃；然后采用锥角为90°的锥模3进行扩孔，压下量为120mm；
第四步，轴向闭式摆辗进行法兰成形，上锥角模偏转角为6°，轴向压下速度为5mm/s，辗压模具4转速为1r/s，芯柱8为渐变半径，大端为小端为压下量为100mm，并在行程结束后，辗压模具4继续空转时间6s左右，完成加工，然后取出管坯1。
第五步，对管坯1进行精加工得到成品工件。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
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