專利名稱：雙面輾壓成形方法及雙面輾壓成形設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙面輾壓成形方法，本發(fā)明還涉及使用該方法的 i殳備一雙面銀壓成形才幾。
背景技術：
該成形方法用于成形回轉(zhuǎn)體形零件，該回轉(zhuǎn)體可以是軸對稱或非 軸對稱的。該方法的最典形的應用是燃氣輪機渦輪盤的成形。渦輪盤 是燃氣輪機的核心部件，在高溫、高壓環(huán)境下工作，因此對其微觀組 織和機械性能有極高要求。傳統(tǒng)的渦輪盤成形工藝是整體鍛造，按模 具溫度劃分，可分為普通模鍛、熱模鍛、等溫鍛。當前最普及的是普 通模鍛，近年來國內(nèi)一些廠家開始研究和使用熱模鍛工藝；由于模具 材料困難和成本過高，當前比較普及的是鈦合金渦輪盤等溫鍛，而高 溫合金渦輪盤的等溫鍛只有少數(shù)發(fā)達國家使用。
上述成形工藝都屬于整體鍛造，其顯著特征是需要大型高強度材 料模具和大噸位壓力機，所有渦輪盤的生產(chǎn)批量都很小，所以模具成
本所占比重極高。按傳統(tǒng)方法估算，成形載荷與盤徑平方成正比，因 此大型渦輪盤成形載荷隨盤徑增加急劇上升，并且隨著鍛件精度增高， (預留機加工量減小)，所需載荷也急劇增加。例如俄羅斯鍛造直徑 1250mm高溫合金渦輪盤用7. 5萬噸水壓機，國內(nèi)雖然用3萬噸水壓機 或100噸米對擊錘也鍛出了這種渦輪盤，但是尺寸精度較低，過量的 機加工會降低鍛件的性能。
鍛造領域有一種用小壓力機鍛大件的局部鍛造方法，該方法使用 窄條型上砧減少與工件的接觸面積降低載荷，通過可轉(zhuǎn)動下砧使坯料 相對上砧轉(zhuǎn)動，通過上砧多次鍛打完成整體鐓粗變形。發(fā)明專利 200510024208. 8的實質(zhì)就是將這種旋轉(zhuǎn)的局部鍛造方法用于制備高 溫合金渦輪盤的餅坯。雖然該發(fā)明降低了渦輪盤鍛造制坯工序的載荷， 但是后續(xù)渦輪盤整體模鍛工序仍然需要大型壓力機和價格高昂的模 具，仍然存在如何精密控制鍛件內(nèi)部微觀組織和機械性能的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于軸對稱或非軸對稱回轉(zhuǎn)型零件的 成形方法以克服上述問題。該方法不需要預制坯，不需要模具，使用 標準系列的輾壓工具進行成形。本發(fā)明提供的成形方法，成形載荷與
盤件尺寸無關，對成型的盤件無尺寸限制；在控制工件各部位變形方 面，本發(fā)明比整體鍛造方法有更多的可調(diào)變量，可以更好的控制工件 內(nèi)部的微觀組織演化，提高鍛件的機械性能。
本發(fā)明所提供的成形方法稱為雙面輾壓成形方法，這是一種柔性、 無模、局部塑性體積成形新工藝，其成形機理為工件被固定在可轉(zhuǎn) 動的主軸上，對稱布置在工件兩側(cè)的兩對輾壓工具繞各自對稱軸旋轉(zhuǎn)， 并帶動工件繞主軸轉(zhuǎn)動。通過輾壓工具在厚度方向和半徑方向的進給， 在與輾壓工具接觸的區(qū)域，工件產(chǎn)生局部減薄變形。成形可以在等溫 或非等溫條件下進行，工件溫度由其材料物理性能決定。在溫度確定 以后，輾壓工具的姿態(tài)和運動軌跡決定了工件最終形狀和組織性能。 根據(jù)輾壓成形的具體規(guī)律和工藝規(guī)程所編制的專用計算機軟件，可以 針對具體的成型零件自動生成控制輾壓工具姿態(tài)和運動軌跡的計算機 代碼，從而實現(xiàn)工件的數(shù)控輾壓成形。多對輾壓工具的輾壓成形與上 述過程類似，在空間允許條件下使用多對輾壓工具有利于工件成形。
本發(fā)明還為上述成形方法提供一種數(shù)控等溫雙面輾壓成形機，可用 于鈦合金、高溫合金等難變形金屬的盤件等溫成形。
與傳統(tǒng)渦輪盤件成形工藝相比，數(shù)控等溫雙面輾壓成形具有如下 優(yōu)勢
(l)成形載荷小用F表示成形載荷，則近似有F-cjs，其中cj工 件材料熱變形抗力，s為輾壓工具和工件接觸面積，它只由與輾壓工具形狀尺寸和壓下量，與工件的大小無關。即用較低成形載荷就可以 實現(xiàn)大直徑的精密成形。從而大大降低了設備成本。
(2) 這是一種無模成形，因為省去了模具的加工制造，所以極大地 降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。
(3) 工件形狀沒有負角限制可實現(xiàn)更為精密的成形，不僅提高了材 料利用率，還保證了金屬流線的完整，提高了工件的機械性能。
(4) 這是一種柔性成形工件的幾何形狀和微觀組織性能完全由輾 壓工具的姿態(tài)和運動軌跡決定，使用系列的標準輾壓工具就可以成形 出各種復雜形狀零件。
(5) 通過調(diào)整輾壓工具運動可以靈活地控制工件各部位的應變路 徑和應變速率，進而更有效地控制工件內(nèi)部的微觀組織和機械性能。
(6) 通過專用計算機軟件自動生成輾壓工具姿態(tài)和運動控制代碼， 實現(xiàn)了復雜零件塑性體積成形全數(shù)字化控制，不僅降低了成形工藝的 設計難度，對提高產(chǎn)品的尺寸精度和機械性能具有關鍵的作用。
精密成形、提高性能、節(jié)能節(jié)材、數(shù)字化成形都是當前金屬塑性 成形的重要發(fā)展趨勢，可以看出數(shù)控等溫雙面輾壓成形在這幾個方面 具備極強的技術優(yōu)勢。因此發(fā)展這項技術不僅滿足國家急需，也對金 屬塑性成形的行業(yè)進步具有重要意義。


下面將參照附圖所示的示例性實施方案更詳細地說明本發(fā)明，其
中
圖1示出了室溫條件下的雙面輾壓成形機； 圖2示出了帶有加熱爐的等溫雙面輾壓成形機； 圖3示出了用于生成輾壓工具運動代碼的專用計算機軟件主框圖； 其中附圖標記1.輾壓工具2.主軸3.工件4.高溫加熱爐
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一種雙面輾壓成形方法， 一個盤型零件的成形過程
如下，首先選擇與工件材質(zhì)相同、重量相等的餅料作為成形毛坯。采 用等溫成形時，要根據(jù)工件材料熱變形力學性能、微觀組織演化規(guī)律， 產(chǎn)品的微觀組織與性能要求來設計最佳成形溫度。成形溫度的設計需 要參考相關的材料手冊及材料的鍛造溫度范圍，例如，普通高溫合金
是850-1100。C。普通鋁合金為400-500°C。鈥合金是900-950°C 。具 體操作步驟為將準備好的餅坯裝卡在可轉(zhuǎn)動的主軸上，餅坯即待輾 壓變形的工件。在工件兩側(cè)布置有兩對輾壓工具，同側(cè)的一對輾壓工 具關于主軸中心對稱布置，異側(cè)的輾壓工具關于餅坯中面對稱布置。 兩對輾壓工具在電機驅(qū)動下按規(guī)定轉(zhuǎn)速繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，同側(cè)的輾壓 工具轉(zhuǎn)動方向相同，異側(cè)的輾壓工具轉(zhuǎn)動方向相反，從而驅(qū)動工件繞 主軸轉(zhuǎn)動。當兩對輾壓工具沿工件厚度方向進給并達到預定的壓下量 后，輾壓工具的轉(zhuǎn)動就使工件產(chǎn)生了局部變形。輾壓工具徑向進給可 以由內(nèi)向外也可由外向內(nèi)，徑向進給與輾壓成形可分開進行也可同步 進行。根據(jù)坯料與成形工件的具體情況，通過專用軟件可以計算出輾 壓工具的運動數(shù)據(jù)，按照計算出的數(shù)據(jù)控制輾壓工具的姿態(tài)和運動， 通過多次逐步輾壓就可以成形出形狀性能都合格的零件。多對輾壓工 具的輾壓成形與上述過程類似。為了適應各種復雜形狀零件的成形， 本發(fā)明中的輾壓工具包括多個標準系列，它們具有不同的幾何形狀尺 寸、不同的材質(zhì)和不同的用途。輾壓工具的運動軌跡、轉(zhuǎn)速和自身姿 態(tài)可以同步控制，也可以分別控制；布置在工件兩側(cè)的輾壓工具可以 對稱布置，也可以非對稱布置，布置在工件同側(cè)的輾壓工具可以關于 工件轉(zhuǎn)動軸中心對稱，也可以彼此間隔相同角度沿工件環(huán)向布置但是 彼此到轉(zhuǎn)動軸中心的距離可以不同。對于確定的成形設備，固定的最 大成形載荷并不限制盤件直徑和厚度尺寸，限制盤件尺寸的因素只有 設備工作臺的空間大小。根據(jù)可能應用對象確定盤件直徑范圍為 0. 1-3. 0m;輾壓工具的工作面長度與工件等效直徑的比例為0. 1- 0. 6， 其優(yōu)選的比例為0.2-0.3;輾壓工具的等效直徑與工件厚度的比例為 0.1-2.0，其優(yōu)選的比例為0.1-0.5;輾壓工具每次對工件壓下量為 0. l—O. 5;輾壓工具單次徑向進給量與輾壓工具工作面長度之比為 0. l—l.O，優(yōu)選地，輾壓工具每次沿工件徑向的進給量與輾壓工具工 作面長度的比為0. 1—0.7。
根據(jù)本發(fā)明的雙面輾壓成形方法進一步的優(yōu)選方案，可以根據(jù)成 形件的具體形狀尺寸與性能要求，選用合適的成形溫度與合適的的輾 壓工具，應用所編制的專用計算機軟件生成數(shù)控代碼，進而通過計算 機自動控制輾壓工具的運動和整個成形過程。
根據(jù)本發(fā)明的雙面輾壓成形方法另一個實施方案，輾壓工具和工 件的轉(zhuǎn)動可以是工件主動轉(zhuǎn)動而輾壓工具被動轉(zhuǎn)動，也可以是二者都 主動轉(zhuǎn)動。成形方法與步驟與第一個實施方案類似。
根據(jù)本發(fā)明一種應用雙面輾壓成形方法的設備的實施方案，如圖 l所示，該設備是一個數(shù)控等溫雙面輾壓成形機，它包括機械、加熱、 電控三個部分。機械部分是成形機的主體，其中通過兩個裝置將工件 固定在主軸上，并使工件可繞主軸轉(zhuǎn)動。兩對輾壓工具對稱布置在工
件兩側(cè)，輾壓工具有4個自由度水平面內(nèi)沿橫、縱兩方向的平動， 繞底座豎直軸的轉(zhuǎn)動，以及繞自身軸線的轉(zhuǎn)動。其中兩個平動自由度 運動用以實現(xiàn)輾壓工具沿工件厚度方向和徑向進給；水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動 自由度用于調(diào)整輾壓工具相對工件的姿態(tài)，繞自身對稱軸轉(zhuǎn)動的自由 度用于產(chǎn)生工件的輾壓變形，輾壓工具的這個轉(zhuǎn)動由各自電機單獨驅(qū) 動，其轉(zhuǎn)速由電機的變頻器控制，輾壓工具在工件厚度方向和徑向的 進給可以是人工操作也可以是計算機控制下的電機驅(qū)動。輾壓工具進 給方向和進給量的可以同步也可以不同步控制，以便靈活控制工件局 部變形的位置、變形量和變形速率。工件的轉(zhuǎn)動和輾壓工具的轉(zhuǎn)動為 獨立控制，二者中至少有一個是主動轉(zhuǎn)動；輾壓工具的轉(zhuǎn)動與進給由 不同電機分別驅(qū)動和各自獨立控制；無論是人工操作還是電機驅(qū)動， 都需要應用專用計算機軟件計算出輾壓工具的運動軌跡及相關數(shù)據(jù)， 并以此正確控制輾壓工具的各種運動。為了針對成形零件的不同形狀
和不同成形溫度選用合適的輾壓工具，四個輾壓工具都是可替換的， 該設備配有多個標準系列的輾壓工具。設備加熱部分的功能是為輾壓
成形提供等溫的條件保證；設備加熱部分包括高溫加熱爐，爐內(nèi)溫度 監(jiān)測和控制裝置，輾壓工具和主軸的水冷裝置、爐內(nèi)成形狀態(tài)觀測裝 置和故障診斷裝置；高溫爐將工件和兩對輾壓工具密封在其中，該設 備對于鈦合金或高溫合金工件的等溫輾壓成形是必需的。電控部分的 功能是為機械部分的運動提供動力和數(shù)字化控制，它包括所有電機的 電源供給，變頻器、計算機和輾壓工具運動代碼生成的計算機軟件等。 根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方案如圖2所示，該方案中去掉了加 熱部分，是在室溫條件下的輾壓成形；工件繞主軸轉(zhuǎn)動是被動轉(zhuǎn)動， 輾壓工具為主動轉(zhuǎn)動，它提供了工件轉(zhuǎn)動的動力，輾壓工具的姿態(tài)調(diào) 整和兩個方向的進給由人工操作完成。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個具有自動生成輾壓工具運動數(shù)據(jù)的計 算機軟件框圖。
本發(fā)明使得該工件成形過程具有預期的特性。例如，無模、柔性， 通過使用較小的成形載荷，即能夠獲得整體鍛造時必需大噸位壓力機 才能實現(xiàn)的大直徑盤件的精密成形，成形出的零件可具有更好的微觀 組織和機械性能。
本發(fā)明不局限于上述實施方式，不論在其形狀或結(jié)構(gòu)上作任何變 化，凡是本領域普通技術人員能夠想到的許多與本發(fā)明相關的方案， 或者將各種現(xiàn)有的機床設計及數(shù)控理念與本發(fā)明上述方案相結(jié)合的變 體，均應認為落在本申請的權利要求的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種雙面輾壓成形方法，其特征在于，通過布置在工件兩側(cè)的多對輾壓工具按預定規(guī)程多次輾壓工件的不同位置使其產(chǎn)生局部變形，最終成形出形狀和性能都滿足要求的零件，在輾壓過程中，所述輾壓工具繞其自身軸線轉(zhuǎn)動，所述工件繞主軸轉(zhuǎn)動；輾壓工具和工件的轉(zhuǎn)動可以是兩者之一主動轉(zhuǎn)動而另一個被動轉(zhuǎn)動，也可以是二者都主動轉(zhuǎn)動。
2. 根據(jù)權利要求1所述的輾壓成形方法，其特征在于，所述輾壓 成形方法可以是等溫成形或非等溫成形，所述等溫成形是根據(jù)成形件 的形狀和性能要求、工件材料熱變形性能和微觀組織演化規(guī)律確定具 體的成形溫度。
3. 根據(jù)權利要求2所述的輾壓成形方法，其特征在于，所述輾壓 工具包括多個標準系列，不同系列的輾壓工具之間的區(qū)別可以是制造 材料不同，也可以是形狀尺寸不同，不同系列的輾壓工具適合在不同成形溫度下輾壓不同形狀和性能的零件。
4. 根據(jù)權利要求3所述的輾壓成形方法，其特征在于，其中所述 工件兩側(cè)的輾壓工具可以對稱或非對稱布置，所述工件同側(cè)的輾壓工 具可以關于主軸呈中心對稱布置，也可以彼此間隔相同角度沿工件環(huán) 向布置但與工件轉(zhuǎn)動軸之間的距離可以不同。
5. 根據(jù)權利要求4所述的輾壓成形方法，其特征在于，其中所述 輾壓工具的姿態(tài)、轉(zhuǎn)速和運動軌跡可以同步控制或分別控制，具體控 制方法是根據(jù)輾壓工具、所選擇的成形溫度與成形件的形狀與性能要 求等數(shù)據(jù)，應用專用計算機軟件計算出工具運動參數(shù)和數(shù)控代碼，然 后根據(jù)這些數(shù)據(jù)或手工或數(shù)控地控制輾壓工具的運動。
6. 根據(jù)權利要求l-6任意一項所述的輾壓成形方法，其特征在于， 其中所述工件的直徑范圍為0.1 -3. 0m，所述輾壓工具工作面長度與 所述工件等效直徑的比例為0. l—O. 6;所述輾壓工具的等效直徑與所 述工件厚度的比例為0.1—2.0，所述輾壓工具每次對所述工件壓下量 為0.1—0.5,所述輾壓工具每次沿工件徑向的進給量與輾壓工具工作 面長度的比為0. 1-1. 0。
7. —種根據(jù)權利要求1所述的輾壓成形方法的設備，其特征在于， 該設備包括機械、加熱、電控三個部分。在所述的才幾械部分中，工件被固定在可轉(zhuǎn)動的主軸上，輾壓工具對稱布置在工件兩側(cè)，具有4個 運動自由度，所述4個自由度的運動是在水平面內(nèi)沿橫、縱兩方向的 平動，繞底座豎直軸的轉(zhuǎn)動和由電機驅(qū)動的繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，前三 個運動自由度控制輾壓工具的姿態(tài)和進給，第四個自由度實施對工件 的輾壓變形，所述輾壓工具的姿態(tài)、轉(zhuǎn)速和運動軌跡可以同步控制或 分別控制，所述輾壓工具的進給可以是人工操作也可以是計算機控制下的電才;i4區(qū)動。
8. —種根據(jù)權利要求7所述的輾壓成形設備，其特征在于，所述 輾壓工具包括多個標準系列，所述輾壓工具具有不同的幾何形狀尺寸 和不同的材質(zhì)和不同的用途，需要根據(jù)待成形件的形狀與性能要求和 成形溫度選用，由專用計算機軟件生成工具運動參數(shù)和運動代碼來控 制輾壓工具的進給和工件的局部輾壓成形。
9. 根據(jù)權利要求8所述的輾壓成形設備，其特征在于，所述加熱 部分包括， 一個高溫加熱爐，所述高溫爐將工件和兩對輾壓工具密封 在其中， 一個爐溫度監(jiān)測和控制裝置， 一個輾壓工具和主軸的水冷裝 置， 一個爐內(nèi)成形狀態(tài)觀測裝置以及一個故障診斷裝置。
10. 根據(jù)權利要求7、 8、 9所述的輾壓成形設備，其特征在于， 所述電控部分包括所有電機的電源供給，變頻器、計算機和用于生成 輾壓工具運動代碼的專用計算機軟件。
全文摘要
一種雙面輾壓成形方法，在無模、柔性、等溫條件下可以實現(xiàn)大直徑、高性能、復雜形狀的回轉(zhuǎn)體的成形。工件被固定在可轉(zhuǎn)動的主軸上，多對輾壓工具布置在工件兩側(cè)，通過輾壓工具按預定程序?qū)ぜ煌恢脤嵤┒啻屋殙壕涂梢詫⒊跏寂髁铣尚螢樾螤钆c性能都滿足要求的工件。輾壓工具姿態(tài)和運動決定了成形間最終的形狀和組織性能，所以關鍵在于輾壓工具的合理選擇及對其姿態(tài)與運動的正確控制，發(fā)明包括多個標準系列的輾壓工具和用于自動生成輾壓工具運動代碼的專用計算機軟件。本發(fā)明還包含可用于大直徑難變形合金渦輪盤等溫鍛造的雙面輾壓成形設備。該技術具有精密成形、提高性能、節(jié)能節(jié)材、數(shù)字化成形的先進特征，不僅滿足國家急需，也對金屬塑性成形的行業(yè)技術進步具有重要意義，具有廣闊的應用前景。
文檔編號B21H1/00GK101185952SQ200710165300
公開日2008年5月28日 申請日期2007年11月5日 優(yōu)先權日2007年11月5日
發(fā)明者劉曉飛, 彤 李, 金泉林 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心