專利名稱：閉模鍛造工藝和旋轉(zhuǎn)步進式鍛壓機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于一般軸對稱產(chǎn)品的鍛造方法和一種鍛壓機，在該鍛壓機中，普通軸對稱產(chǎn)品是以一種步進方式鍛造的。
在鍛造過程中，通過一種稱為鍛壓機的機器在兩個或更多的鍛模中對工件進行壓制。工件塑性變形成的形狀由鍛模的形狀和壓制力的大小決定。鍛造可能在一個單一壓進沖程中完成，或者可能存在多個壓進沖程以逐漸地將工件變形到產(chǎn)品所要求的形狀。
鍛造操作使得工件在力作用方向上變薄，并且導致工件沿垂直面伸展，工件從而被變形到最終鍛成的形狀。工件最終鍛成的形狀必然不同于最后的產(chǎn)品形狀。因為一般來說，要把工件精確地鍛造成最終所要求的產(chǎn)品形狀是不可能的或不現(xiàn)實的。最終鍛成的形狀與最終所要求的產(chǎn)品形狀的近似程度在某些程度上決定了鍛造操作的難度。對工件整個平面視圖表面均勻地鍛造相對簡單，這稱為扁平鍛造。然而，在涉及最終要求為復雜形狀工件的常見情況中，扁平鍛造剩余大量材料，需要進行切削加工以達到精確的最終所要求產(chǎn)品形狀。在一種更先進的鍛造方法中，工件被鍛造成近終形的形狀(NNS)，這種形狀近似于最終工件的形狀，但是故意使尺寸稍大以便能進行超聲波檢測，去掉足夠的物料以適合在熱處理過程中的變形和最終切削加工余量。在這種NNS鍛造方法中，需要切削加工掉的金屬量相對小了。NNS鍛造明顯比扁平鍛造需要在設(shè)計鍛造工藝中更需要創(chuàng)造力。
鍛造廣泛地應(yīng)用于的各種各樣的操作中，以生產(chǎn)出小件或大件的產(chǎn)品。為了使工件變形，鍛壓機必須提供所需要的力。大件的產(chǎn)品生產(chǎn)尤其復雜，因為產(chǎn)品越大則所需要的鍛壓力越大。從而，需要更大、更昂貴的鍛壓機來完成鍛造。正如所提到的，NNS鍛造通常比扁平鍛造需要更大的鍛壓力，并因此需要更大的鍛壓機。
在某些情況下，需要生產(chǎn)一種產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)的尺寸和材料是現(xiàn)有的鍛壓機的能力所不能生產(chǎn)的。要鍛造這種產(chǎn)品，眾所周知，可采用開模鍛造操作對工件進行步進式鍛造。在步進式開模鍛造中，鍛模的設(shè)計和鍛壓機的操作是在任一時刻工件只有一部分被鍛造，對工件在每一部分鍛造后，工件相對于鍛模步進地移動，最終實現(xiàn)對整個工件的完全鍛造。令人遺憾的是，開模鍛造和步進式開模鍛對大多數(shù)產(chǎn)品都不能獲得近終形的形狀，這是因為工件上不受約束的部分可以延伸成任意尺寸和形狀，而不是一種近終形的形狀。
在一份申請中，工件被鍛成一種用于大型陸基燃氣輪機的軸對稱渦輪圓盤。這種渦輪圓盤的直徑為70～96英寸或更大。它們采用鎳基或鐵基高合金鋼做成的，并且即使在具有50,000噸能力的壓力機上也不能被鍛造成為所要求的近終形形狀的輪廓。該軸對稱近終形形狀、尺寸和最終渦輪圓盤所要求的機械性能是相當嚴格的。對于這種圓盤，現(xiàn)有的步進式鍛造技術(shù)不能滿足這些要求。
因此，需要一種改進的方法來鍛造大型軸對稱產(chǎn)品。本發(fā)明能滿足這種需要，并且進一步提供相應(yīng)的特點。
本發(fā)明提供一種步進式鍛壓機以及用于生產(chǎn)大型軸對稱近終形形狀鍛件的技術(shù)。鍛件的形狀、尺寸和機械性能適用于精確的操作，例如對大型陸基渦輪圓盤進行的最終的切削加工。在最終鍛造操作中，在每一次鍛壓沖程中，工件只有一部分與鍛模相接觸，因此，工件的尺寸在另一方面可能比現(xiàn)有的鍛壓機的能力所能鍛造的尺寸要大。相對于現(xiàn)有的方法，產(chǎn)品所需的最后切削加工的量顯著地減少了。后者很重要，因為鍛造成本的一個主要部分是工件的材料消耗，該工件為鎳基高合金鋼。減少需要切削加工的材料量也就降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
根據(jù)本發(fā)明，工件鍛造的方法可用于對一般原始工件為具有平面視圖表面的軸對稱的圓盤形工件的操作。這種方法包括首先在原始工件的大體上整個平面視圖表面上進行鍛造，然后再對第一次鍛成的工件進行步進式鍛造，使之成為最終鍛件形狀。在第一次鍛造操作中，采用一種基本上覆蓋整個平面視圖表面的鍛模(非步進式的)對原始工件進行鍛造。工件的徑向內(nèi)部部分被優(yōu)先地鍛造成大致為最終鍛件輪廓，但是工件的徑向外部部分沒有被鍛成最終鍛造輪廓。在隨后的步進式鍛造工序中，工件的徑向外部部分最先步進地鍛成為最終鍛件形狀，而沒有明顯的工件徑向內(nèi)部部分變形，雖然在步進式鍛造工序中，工件可能會存在相對較小的徑向內(nèi)部變形。
本發(fā)明技術(shù)采用閉模鍛造，與普通非步進式閉模鍛造技術(shù)相比，能鍛造出徑向更大的、基本為軸對稱的產(chǎn)品。鍛壓機的最大的鍛造能力由閉模鍛造鍛壓機可能鍛造的最大產(chǎn)品尺寸所確定。采用步進式閉模鍛造使得用同樣的壓力機和鍛造條件能夠鍛造出更大(但其它方面相同)的產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，鍛造大型工件的方法包括下面步驟配置一臺鍛壓機，該鍛壓機的最大鍛壓能力足以用閉模鍛造來鍛造出具有利用非步進式鍛造出的最終尺寸最大的軸對稱產(chǎn)品。這個方法還包括提供軸對稱工件，并在一定鍛造條件下，在鍛壓機中采用閉模鍛造將工件進行步進式鍛造，使之變形成為步進式鍛造產(chǎn)品。這種產(chǎn)品具有比最大的非步進式鍛造最終尺寸更大的步進式鍛造最終尺寸。為了作相應(yīng)的比較，所有其它的鍛造條件例如材料、溫度、鍛壓量和幾何相似性都一樣，只有工件的尺寸和模具有區(qū)別?！俺叽纭敝傅氖菑膶ΨQ軸向外測量的徑向尺寸。
步進式鍛造，最好是閉模步進式鍛造，以便形成近似于所要求的最終產(chǎn)品的近終形最終鍛造形狀，但是尺寸要稍稍大一些以便進行超聲波檢測，并且去掉多余的材料以適應(yīng)熱處理中的變形和最終的切削加工。現(xiàn)有的步進式開模鍛壓機和技術(shù)在本申請中是不可能生產(chǎn)出近終形形狀的，從而需要研制一種閉模鍛壓機和技術(shù)，用來鍛造在始鍛工序中鍛成的、軸對稱的、通常為圓盤形的工件。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，鍛壓機包括具有固定模面的固定模和具有沿壓力機軸線與固定模模面相對、但彼此相隔一定距離的可動模面的可動模。固定模面可以是平的，或者可以是根據(jù)安放模具所面對的工件表面的形狀仿制出的。可動模面包括位于垂直于壓力機軸線的工件表面內(nèi)的基準面和至少一個扇形塊，最好正好是凸出于基準面上的三個旋轉(zhuǎn)對稱的扇形塊。每一個扇形塊包括與壓力機軸線平行并相對于壓力機軸線有一扇面夾角的圓盤的一個扇面形。存在多于一個的扇形塊，每個扇形塊與其它扇形塊相隔一定角度。還有一個外部環(huán)狀延伸的約束件，以防止當工件在固定模與可動模之間壓縮時工件產(chǎn)生徑向延伸。也就是說，鍛造是閉模鍛造而不是開模鍛造。外部約束最好為一個環(huán)形外壁，它可以與固定模分離或整合。固定模、可動模和外部約束件所包圍的空間限定了所容納工件的體積。壓力機構(gòu)包括軸向驅(qū)動機構(gòu)，可操縱可動模在平行于壓力機軸線方向上移動；和轉(zhuǎn)位驅(qū)動機構(gòu)，可操縱可動模繞著壓力機軸線旋轉(zhuǎn)一個指定旋轉(zhuǎn)角。雖然當可動模退回且不再與工件接觸時，旋轉(zhuǎn)和軸向運動可能是同時存在的，但可動模的軸向移動和轉(zhuǎn)位驅(qū)動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動只有在當可動模與工件接觸時的轉(zhuǎn)換方式中才可進行。
總的來說，鍛壓機包括一套模具，這套模具包括固定模具和沿著壓力機軸線與固定模相對，但彼此相隔一定距離的可動模具。還有一個環(huán)狀延伸于工件體積周圍的外部約束件。由固定模、可動模和外部約束件所圍成的空間限定了其所能容納在的工件體積。至少固定模和可動模之一在上面具有一個突起的形狀。所使用的壓進機構(gòu)與上面所述的相同。
在最佳實施例中，在可動模的基準面區(qū)域之上存在三個或更多對稱的扇形塊突起。雖然偶然會有一些局部橫向和/或朝內(nèi)部的流動以填滿扇形塊所限定的形狀，但在與形成閉模鍛造的外部約束件的配合作用下，這些扇形塊使工件部分變形，工件從而大體朝著徑向向外的方向流動。它們也在沒有扇形塊的工件部分產(chǎn)生變形以引起金屬的流動。
由每一扇形塊的每一側(cè)面上過渡到基準面區(qū)域的扇形塊側(cè)面最好具有大約45°～60°的斜角傾斜。在沒有這種斜角的情況下，可能在工件的外部側(cè)面產(chǎn)生在后續(xù)鍛壓沖程中無法消除的褶皺或裂紋。
在步進式鍛壓機的操作中，工件被裝入容納工件之處。鍛壓機在軸向的第一次鍛壓沖程中對工件的一部分進行鍛造。作用在鍛模上的力被釋放出來，同時，模具退回。轉(zhuǎn)位驅(qū)動機構(gòu)操縱可動模繞著壓力機軸線旋轉(zhuǎn)一個指定的旋轉(zhuǎn)角，并且軸向驅(qū)動機構(gòu)提供另一次鍛壓沖程。當需要鍛造整個工件時，將重復這一過程。
本鍛壓機和鍛造方法在鍛造大型軸對稱產(chǎn)品的技術(shù)上有了重大進展。鍛造的產(chǎn)品具有近終形輪廓并且要比采用已有的閉模鍛壓機能力生產(chǎn)出的產(chǎn)品更大。鍛造的產(chǎn)品被鍛成近終形的輪廓，這就降低了總的材料消耗和切削加工要求，從而降低了產(chǎn)品成本。


圖1是最佳鍛造工藝流程示意圖；圖2是原始工件的正視圖；圖3是第一次非步進式鍛造后的工件的正視圖；圖4是步進式鍛造完成后的工件的正視圖；圖5是本發(fā)明的鍛壓設(shè)備的剖視圖；圖6是圖5的鍛壓沒備的分解透視圖；圖7是沿著圖5中的7-7剖開的可動模的俯視圖；圖8是沿著圖5中的8-8剖開的可動模的剖視圖；圖9是可動模退回的大型鍛壓機的正視圖；圖10是如圖9的鍛壓機其可動模接觸工件時的正視圖；圖11是鍛成近終形形狀的渦輪葉片的剖視圖1所示為本發(fā)明工藝的最佳實施方案。標號80為原始工件。原始工件可由任何可鍛金屬做成，例如鋼、鋁合金、鐵基高合金鋼、鎳基高合金鋼、或鈦合金。原始工件的尺寸為這樣它含有足夠的金屬量使得在金屬流向最終鍛造形狀之處能變形為最終鍛造形狀。原始工件的設(shè)計可采用任何已知的金屬流動設(shè)計技術(shù)。對于本發(fā)明人尤其關(guān)心的軸對稱陸基渦輪機圓盤，如圖所示，其最終直徑大約為70～96英寸，厚約為20英寸，其軸對稱原始工件90為直徑約31英寸、高約65～75英寸的圓柱體。原始工件90具有原始平面視圖表面92，它為第一次鍛制工序中鍛模所接觸的的工件端部的表面。
標號82，采用一 般非步進式鍛造工藝對原始工件進行第一次鍛造。在第一次鍛造操作中，當進行變形時，鍛?；旧细采w整個平面視圖表面92。鍛?？梢允情]合模具或開式模具，但最好是閉合模具。在第一次鍛造中的鍛模形狀基本上是平的，雖然截面可能在其中部具有規(guī)定的形狀。隨著金屬主要徑向向外地流動，工件朝著最終所要求的形狀變形。為了限定鍛成的工件的形狀，在第一次鍛造操作82的范圍內(nèi)還有多個子工序和工件的再加熱。模具最好將工件90的徑向內(nèi)部94變形為其最終形狀。如圖3所示的規(guī)定的輪轂部分。然而，不要試圖將工件90的徑向的外部部分96鍛成其最終形狀。如果第一次鍛造為開式模具，則徑向的外部部分96變形為有點象球形的形狀，如圖3所示，如果是閉合模具則為一個更固定的形狀。要將工件徑向的外部部分96鍛成其最終形狀往往是不可能的，因為鍛壓機具有的鍛壓能力不足以導致金屬塑變成為所要求的近終形狀。
第一次鍛造82完成后，接著標號84為將用閉模鍛造將工件進行步進式鍛造。所需的步進式鍛造設(shè)備和技術(shù)到目前為止還沒有可用的，下面所論述的為本發(fā)明人研究的一種步進式鍛壓機和技術(shù)。在步進式鍛壓機中，鍛模只接觸工件90的平面視圖表面的一部分。最理想的是大部分的鍛制力都集中于工件90的徑向的外部部分96的扇環(huán)部分上。雖然可能對徑向的內(nèi)部部分94有些鍛造，但是徑向的內(nèi)部部分94相對受到很少的鍛制力和變形。步進式鍛造工序84完成時，如圖4所示，工件被變形為近終形產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有主要由工序82中鍛成的徑向的外部部分。這一方法是最佳的，但是現(xiàn)有的方法在其他條件下也是可行的，如用于限定徑向的外部部分96的最終形狀的工序82是步進式的，或者用于限定徑向的內(nèi)部部分的最終形狀94的工序84是步進式的。
標號86，為對具有最終形狀的產(chǎn)品進行熱處理，這一步驟是可選擇的，但最好有此步驟。
現(xiàn)有的將非步進式第一次鍛造和步進式閉模鍛造組合的工藝已被發(fā)展用于將大型復雜的工件鍛造成近終形形狀。這種工藝不是用來代替所有一般的鍛造技術(shù)，因為它實施起來比一般非步進式鍛造花費更昂貴。然而，因為鍛壓機的壓制能力或其他原因的限制，一般鍛造工藝不能獲得最終鍛造圓盤形狀，所以本方法是實用的，而且可以獲得那種大型鍛件的近終形結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了在材料、切削加工和其他花費上的必然的節(jié)省。
如已指出的，步進式鍛造設(shè)備已經(jīng)被發(fā)展用于上述工藝和其他應(yīng)用中。圖5所示為具有固定模22和可動模24的鍛壓機20。下模所示為固定模22，而上模所示為可動模24，當然也可以相反地布置。由于工件安放在下模上，所以下模為固定模22。固定模22具有固定模面26，可動模24具有可動模面28。固定模面26和可動模面28沿著壓力機軸線30相對，但彼此相隔一定距離。模具22和24通常最好為軸對稱的，雖然它們的表面可能不是軸對稱的并且可能代之以非步進式的特點。工件32被安放在模具22和24之間。
環(huán)形延伸壁形式的徑向外部約束件34圍繞工件的圓周延伸。模具22和24與環(huán)形延伸壁34限定了能全部容納工件34的閉模工件容納位置36，環(huán)形延伸壁34可以是與固定模22分離的環(huán)狀圓環(huán)或與固定模22成為一體。從圖5看，在開始鍛造操作之前，工件可以接觸環(huán)形延伸壁34的向內(nèi)的表面38，也可以不接觸環(huán)形延伸壁34的向內(nèi)的表面38。在鍛造過程中，工件32在平行于壓力機軸線的方向上被壓縮，并且由于金屬的徑向向外流動而產(chǎn)生徑向擴展，直至接觸到環(huán)形伸出墻34的向內(nèi)的表面，這樣就限制了工件32進一步的徑向擴展。
這種在限定體積范圍內(nèi)的鍛造是閉模鍛造的本質(zhì)，并成為優(yōu)于開模鍛造的重要優(yōu)點。在閉模鍛造中，金屬向外徑向地塑性變形，從而強制金屬塑變成為模具和/或延伸壁所限定的形狀。另一方面，在開模鍛造中，金屬徑向向外的塑變沒有受到約束，以致于金屬在鍛造時沿著抵抗力最小的路徑向外徑向地塑變而沒有變形為所限定的形狀，然而這方面對于生產(chǎn)近終形產(chǎn)品是必須的。因此，閉模鍛造獲得了開模鍛造所不可能獲得的結(jié)果，包括具有由鍛模限定的表面形狀的近終形結(jié)構(gòu)。
圖6所示為模具22和24，環(huán)形延伸壁34和工件32的局部剖視圖。
可動模24在平行于壓力機軸線方向上是可動的，并在鍛壓沖程中向固定模方向移動，如圖5軸向的箭頭所指的，并且以指定的方式繞著壓力機軸線30旋轉(zhuǎn)，如旋轉(zhuǎn)箭頭42所指的。(可動模也可在相反方向上移動)當可動模與工件32接觸時，在鍛壓沖程方向上和旋轉(zhuǎn)方向上的運動在某個時刻只能完成一個運動。因此這些運動是二者擇一的，這將在下面論述。當可動模退回并不再與于工件32相接觸時，軸向的運動和旋轉(zhuǎn)運動可以是同時完成的?？蓜幽?4是由壓進機構(gòu)44移動的，這壓進機構(gòu)44提供兩種運動40、42，下面將論述一種最佳方式。
固定模面26大體上是平的。也可以代之以一種仿制的形狀。在鍛造過程中，固定模面的平的或仿制的形狀被壓制到所面對的工件側(cè)面上(圖中工件的底面)。
在可動模上環(huán)形地設(shè)置，有兩種形狀類型。這些特征在圖5-8中可以看出。特征之一是至少有一個扇形基準面區(qū)域46，最好至少有三個，只有三個最好，這些扇形基準面區(qū)域46基本上是平的并通常與垂直于壓力機軸線30的工件平面平行。另一個特征是有相同數(shù)量的扇形塊50，它們的上表面是平的或是仿形的，并且與工件平面48平行。如圖8所示，那扇形塊上表面52的平面是從基準面區(qū)域46朝著固定模面26，并沿著壓力機軸線30縱向設(shè)置的。換句話說，扇形塊50是突出在基準面區(qū)域46之上的。基準面區(qū)域46的數(shù)量是與扇形塊50的數(shù)量一致的。
必須有至少一個扇形塊50，如果有多于一個的扇形塊，在可動模表面上這些扇形塊最好與同樣數(shù)量的基準面區(qū)域?qū)ΨQ地設(shè)置。也就是說，如果存在兩個、三個、四個或更多的扇形塊，那么當從平面視圖中看，它們應(yīng)該是軸對稱地布置，以盡量減少鍛壓機的不對稱負荷。如果扇形塊低于三個，則要考慮到扇形塊的負荷將可能太高，并且壓力機受到不對稱負荷。對于本發(fā)明人所用的特大能力的壓力機例如50,000噸壓力機來說，要獲得產(chǎn)品所要求的形狀和結(jié)構(gòu)、機器的使用壽命和穩(wěn)定性、以及工人的安全，則考慮負荷不對稱是很重要的。對于有三個以上的扇形塊50，與扇形塊對應(yīng)的圓弧角相對越來越窄。因此它們趨向于以更象圓底形鋼制沉箱一樣咬入金屬而不是通過鍛造使金屬變形，導致工件無效的塑性變形。這些理論和實踐上的考慮導致將采用三個扇形塊50和三個交錯的基準面區(qū)域46(如圖7所示)作為最佳選擇，雖然采用更少的或更多的扇形塊50的模面在一些情況下是可行的。
扇形塊50繞著可動模面28間隔一定距離對稱地配置，單個扇形塊對應(yīng)一個扇形角A?；鶞拭鎱^(qū)域46之一布置于每一扇形塊50之間，而且相對一個基準面區(qū)域角C。所有扇形塊角度A的總和，加上所用基準面區(qū)域角度C的總和為360°。
所夾的扇形塊角度A最好大約為45°～65°之間。如果A實際上更小，則模具可能由于上述的圓底型鋼制沉箱的作用而陷入到工件中。如果實際上更大，則模具變得更象普通的平的或仿形的模具，而且步進式鍛造工藝的沖壓能力的扭轉(zhuǎn)力矩的作用將很小。角C由角A和扇形塊的數(shù)量所確定。
圖7和圖8所示為扇形塊50的幾何形狀。扇形塊50是餡餅塊狀的，并且當如圖7所示時，是環(huán)形的扇形塊。在圖8的剖視圖中，扇形塊50包括一個傾斜的扇形塊側(cè)面58，它位于扇形塊50的上表面和基準面46之間。這些扇形塊的側(cè)面58也可以在圖7的平面圖中看到是相當窄的薄片。扇形塊的側(cè)面與扇形塊的上表面成傾角D。傾角D最好大約為45°～60°。如果傾角D實際上比45°小，則扇形塊的角度A實際上被擴大了，并且沖壓能力的扭轉(zhuǎn)力矩作用將降低。如果傾角D實際上比60°要大，則可觀察到咬入或圓底型鋼制沉箱的作用。在步進式鍛造中將會出現(xiàn)褶皺和裂紋的缺陷，這將在下面論述到。這些缺陷一旦生成，就不能在后續(xù)鍛造或其他操作中完全消除。工件32被安放在固定模22和可動模24之間以采用步進式鍛造工序84或其他工序進行鍛造。在第一次鍛壓沖程時，操縱壓進機構(gòu)使可動模面28在朝著固定模面26的方向上移動。工件在上面提到的壓力狀態(tài)下變形。壓進機構(gòu)反向，將可動模從與工件32接觸狀態(tài)中退回。操縱壓進機構(gòu)44以將可動模在一種轉(zhuǎn)位運動中繞著壓力機軸線旋轉(zhuǎn)一些預定的值。選擇旋轉(zhuǎn)值與材料的性能、形狀、所要求的限制和工件的尺寸有關(guān)。每次轉(zhuǎn)位運動的旋轉(zhuǎn)值要小于角A。材料越厚，轉(zhuǎn)位旋轉(zhuǎn)就越小。作為最佳情況，轉(zhuǎn)位旋轉(zhuǎn)值一般大約為40°～60°，在一種典型的情況下，有三個扇形塊且角A為55°，則最佳的轉(zhuǎn)位旋轉(zhuǎn)值大約為40°。在旋轉(zhuǎn)運動完成后，在第二次鍛壓沖程中，操縱壓進機構(gòu)44將可動模朝著固定模面26方向移動。工件變形后，壓進機構(gòu)將可動模24從與工件32的接觸中退回。操縱壓進機構(gòu)以旋轉(zhuǎn)可動模24。這些工序被重復多次以完成鍛造。對于最佳情況有三個扇形塊、角A為55°、壓力機轉(zhuǎn)位旋轉(zhuǎn)值為40°，要求三次鍛造沖程的總和能完成一種變形。多次變形可以用于厚的鍛件和工件材料強度高的鍛件。在鍛造過程中，工件通常處在高溫狀態(tài)中，而且在鍛造操作中會冷卻。在鍛造操作中，每當需要時可以對工件進行再加熱，以降低它的塑變應(yīng)力和在工件中獲得特定的微觀結(jié)構(gòu)。
上面的論述說明了普通形式的步進式鍛壓機適用于任何頂壓式的加載裝置。對于本發(fā)明人的申請所關(guān)心的是采用50,000噸閉模垂直鍛壓機用鎳基高合金鋼或鈦合金鋼鍛造用于燃氣輪機的大型葉輪。工件巨大的尺寸和巨大的鍛壓負荷導致對模具的壓進機構(gòu)的特殊考慮。
參看圖9和圖10，上支承板101是鍛壓機的運動部件。基面102由螺栓與上支承板固定，環(huán)103由螺栓與基面102固定，一個旋轉(zhuǎn)支承板104旋轉(zhuǎn)地固定于環(huán)103中。上模具連接裝置105由螺栓與旋轉(zhuǎn)支承板104固定。上模106，對應(yīng)于上述的可動模24，由螺栓與上模連接裝置固定。旋轉(zhuǎn)支承板104被固定在一個定心夾具108中，該定心夾具可使旋轉(zhuǎn)支承板104繞著壓力機軸線30旋轉(zhuǎn)并且可讓旋轉(zhuǎn)支承板104在環(huán)103中上下移動。定心夾具108防止旋轉(zhuǎn)支承板104相對于壓力機軸線30作徑向地移動。
下支承板151支承著下模具152，對應(yīng)于上述的固定模22，該模具包括一個下模具152和一個環(huán)孔154。下模具152和環(huán)孔154形成下模空空，工件可放置在該下?？涨恢?。
在退回狀態(tài)中，圖9壓力機的開口位置，旋轉(zhuǎn)工作臺設(shè)置在固定于環(huán)103內(nèi)部的支承板109上。這些支承板109可讓旋轉(zhuǎn)工作臺在液壓缸的作用下繞著壓力機軸線30輕易地旋轉(zhuǎn)，從而完成旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位運動。一種平穩(wěn)可靠的、相對迅速的旋轉(zhuǎn)運動得以實觀從而提高了鍛壓機的生產(chǎn)能力并也使得當工件仍足夠熱時對熱的工件進行快速鍛造。上述方法使得即使在大型鍛壓機機構(gòu)中也能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。
如圖10所示，在當上模106與工件155接觸的期間，旋轉(zhuǎn)支承臺104被向上推離支承板109并靠著基面102的上表面。旋轉(zhuǎn)工作臺104和基面102的摩擦接觸限制了旋轉(zhuǎn)。如圖11所示，采用仿形模具例如模具106和153可以通過閉模鍛造將工件鍛造成為近終形形狀。普通扁平鍛造的靠模160一般被開模鍛造配備為相應(yīng)的平模，該平模被包覆在近終形鍛造的模具162和最終切削加工的工件之上，該近終形模具配備為仿形模具106和153。在每一情況中任何多余的材料必須被切削加工掉以生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。對于不論是近終形鍛造還是扁平鍛造來說，最終切削加工都是不可避免的。然而，最終切削加工對于近終形閉模鍛造來說要比扁平鍛造少的多。陰影區(qū)域表示超出從近終形鍛件中所必須切削加工掉的而必須從扁平開模鍛件中切削加工掉的多余材料，在這種情況中，大約為扁平鍛件體積的30％。當工件由昂貴的鎳基高合金鋼制成時，例如在高速陸基燃氣輪機的情況中，進料成本與多余鎳基高合金鋼材料的廢料成本之間的差額可能占產(chǎn)品總成本的較高的比例，如約為10～20％或更多。因此本技術(shù)方法可得到在材料成本中的一個可變的成本節(jié)約，和一個固定的成本節(jié)約，即可在比其它情況下較低的壓力下鍛造的工件。
用鎳基高合金鋼制造如渦輪葉片的產(chǎn)品，一般要在工件處在高溫時進行。例如要鍛造用于陸基渦輪機的大型葉片，其最終葉片的直徑為70～96英寸，重逾15,000磅，由鎳基高合金鋼如Inconel706制造，工件要在加熱爐中加熱至其固熔溫度之上，一般為1825°F。再結(jié)晶工件被轉(zhuǎn)移到鍛壓機中，然后鍛造工件。工件經(jīng)一段時間冷卻到固熔溫度，然后低于固熔溫度。當工件冷卻時，所需的鍛壓力增加，并且其塑變應(yīng)力也增加，但是步進式鍛制工藝使得鍛制能繼續(xù)進行下去。最終步進式鍛制沖程最好在固熔溫度之上約為1750°F時進行，以獲得相對小的晶粒尺寸ASTM3～5。金相研究表明用步進式鍛壓機和如圖1所示的工藝所得的金相結(jié)構(gòu)與用一般鍛制和熱處理工藝(但該方法不能成功地對本文最關(guān)心的十分大型的工件進行鍛制)基本上一樣。上面的論述特別針對Incnel706，本發(fā)明采用的一種優(yōu)選材料。對于其他材料，則可能需要其他的工藝，屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
雖然本發(fā)明結(jié)合了特定的實施例予以描述，但可以作出各種各樣的改進和提高而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明并不局限于的權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.一種鍛制工件的方法，包括工序提供具有平面的視圖表面的原始工件；采用閉模鍛造模具將工件步進式鍛制成為最終鍛造形狀。
2.如權(quán)利要求1中的方法，還包括一個附加工序在提供原始工件工序之后和步進式鍛造工序之前，對原始工件的整個平面視圖表面進行非步進式鍛造。
3.如權(quán)利要求2中的方法，其特征在于，非步進式鍛造包括步驟先用鍛模對原始工件進行鍛造，該鍛模大體上覆蓋整個平面視圖表面，這樣以使工件徑向的內(nèi)部部分被鍛造成為其最終鍛造形狀，而工件徑向外部部分未被鍛造成為其最終鍛造形狀。
4.如權(quán)利要求3中的方法，其特征在于，步進式鍛造工序包括步驟將工件徑向外部部分鍛造成為其最終鍛造形狀，而基本不改變工件的徑向內(nèi)部部分。
5.如權(quán)利要求1中的方法，其特征在于，步進式鍛造包括步驟將工件鍛造成為一種近終形渦輪葉片。
6.如權(quán)利要求1中的方法，其特征在于步進式鍛造工序包括步驟提供一臺鍛壓機，其鍛制能力不足以在一套鍛造條件下采用非步進式鍛造工藝將工件鍛造成為近終形形狀；然后將工件步進式鍛造成為其最后鍛造形狀。
7.一臺鍛壓機，包括一套模具，該模具包括一個固定模和可動模，該可動模沿著壓力機軸線與固定模相對，但彼此相隔一定距離；一個繞著工件體積環(huán)形延伸的外部約束件，該約束件防止當工件在固定模和可動模之間鍛造時工件的體積在徑向上延伸，至少一個固定模和可動模在上面具有凸起的形狀；一個壓進機構(gòu)，包括用于操縱可動模在平行于壓力機軸線方向上移動的軸向驅(qū)動裝置和用于操縱可動模繞著壓力機軸線旋轉(zhuǎn)一個預定的旋轉(zhuǎn)角。
8.如權(quán)利要求7中的壓力機，其特征在于該仿形面包括在仿形面和鄰近區(qū)域之間徑向伸出的一個仿形面?zhèn)让?，并且其特征在于該仿形?cè)面具有45°～60°的傾角。
9.如權(quán)利要求7中的壓力機，其特征在于外部約束件包括一個環(huán)狀延伸壁，該延伸壁具有相對于壓力機軸線基本恒定的半徑。
10.如權(quán)利要求7中的壓力機，其特征在于仿形面包括一個基準面，該基準面一般位于垂直于壓力機軸線的工件平面上；以及至少三個凸起于基準面之上的旋轉(zhuǎn)對稱的扇形塊，每一扇形塊包括一個圓盤的扇形角，該扇形角具有平行于壓力機軸線的圓心軸并相對于壓力機軸線具有一扇形夾角，每一扇形塊與其他扇形塊被分離一定角度。
11.如權(quán)利要求7中的壓力機，其特征在于固定模具有一個固定模面，可動模具有一沿著壓力機軸線與固定模面相對，但彼此相隔一定距離的可動模面，并且該可動模面包括一般位于垂直于壓力機軸線的工件平面上的基準面，以及至少一個凸起在基準面之上的扇形塊，每個扇形塊包括具有與壓力機軸線平行的圓盤軸線的圓盤上具有一角度的扇形塊和一個相對于壓力機軸線的扇形塊夾角，每一扇形塊與其他扇形塊分開一定角度。
12.如權(quán)利要求11中的壓力機，其特征在于，在每個扇形塊和環(huán)形鄰近的基準面之間有一個徑向延伸的扇形塊側(cè)面，而且其中每個扇形塊的側(cè)面相對于工件平面具有的傾斜角45°～60°。
13.如權(quán)利要求11中的壓力機，其特征在于，外部約束件包括一個環(huán)形延伸壁，該壁具有一個相對于壓力機基本恒定的半徑。
14.如權(quán)利要求11中的壓力機，其特征在于，所夾的扇形角為45°～65°之間。
15.如權(quán)利要求11中的壓力機，其特征在于，預定的旋轉(zhuǎn)角為40°～60°之間。
16.如權(quán)利要求11中的壓力機，其特征在于，正好有三個扇形塊。
17.如權(quán)利要求11中的壓力機，其特征在于，正好有三個扇形塊，所夾的扇形角為55°，并且預定的旋轉(zhuǎn)角為40°。
全文摘要
一臺鍛壓機包括一套模具,該模具具有一固定模、一可動模和一外部約束件。可動模有一個基準面,該基準面一般位于垂直于壓力機軸線的工件平面上,還有凸起于基準面之上的三個旋轉(zhuǎn)對稱的扇形塊,每一扇形塊包括一圓盤的一個具有一定角度的扇形角,該扇形塊與其它扇形塊被分離一定角度。一壓進機構(gòu)包括一軸向驅(qū)動機構(gòu),該機構(gòu)用于操縱可動模沿著平行于壓力機軸線的方向移動,還有一轉(zhuǎn)位機構(gòu),該機構(gòu)用于操縱可動模繞著壓力機軸向旋轉(zhuǎn)一預定的旋轉(zhuǎn)角。
文檔編號B21J5/02GK1190608SQ97109369
公開日1998年8月19日 申請日期1997年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月6日
發(fā)明者H·E·德爾加多, T·E·豪森, J·E·香農(nóng)三世, J·M·海澤克, P·D·安塔亞, T·F·多爾蒂, P·J·加格林斯基, P·R·杰普森, M·M·莫拉 申請人:懷曼·戈登有限公司