本發明涉及一種超大高徑比棒料連續錐形模具鐓粗工藝及其模具結構，特別涉及一種利用錐形模具對超大高徑比、鐓粗易失穩折疊的棒料進行無折疊鐓粗和提高變形均勻性的工藝技術。

背景技術：

隨著國民經濟的不斷發展，在關鍵裝備和工程領域，對大型鍛件需求越來越多，但這些領域內的鍛件成形制造相對復雜和困難。這類鍛件所用原材料體積較大，特別是對于航空、航天、軍事設備領域的鍛件，例如大型盤類和復雜葉輪類鍛件，對其力學性能和組織性能要求高，鍛件對原始坯料的質量要求也十分苛刻，某些重要鍛件所采用的原始棒料需要進行A級探傷檢測，且要求原始棒料直徑不可超過A級探傷檢測的最大直徑。這樣，對于較大型鍛件，一方面所需要的原始坯料體積較大，但另一方面坯料直徑又受到探傷檢測最大直徑的限制，造成原始棒料的高徑比很大，甚至超大，例如高徑比高達6及以上。對于大部分盤形鍛件和復雜葉輪件，其體積分布均為扁平類，在制坯過程中必須將超大高徑比的初始棒料鐓粗成高徑比較小的制坯件或預鍛件。但是，超大高徑比的原始棒料在鐓粗時，極易產生失穩和折疊現象。因此，在鍛件成形過程中，超大高徑比棒料的鐓粗制坯就成為一個十分重要的成形工序，如何保證超大高徑比棒料在鐓粗過程中不產生失穩和折疊是制坯工序的難點，也是整個鍛件成形過程中需要解決的問題。

正常平砧鐓粗的棒料高徑比一般不超過2～3，當高徑比超過3時，在鐓粗過程中便會出現失穩和折疊現象。盡管對于小直徑大高徑比的棒料，可以采用電鐓方式進行鐓粗，但對于較大直徑棒料，其電鐓模具、加熱方式和步進送料控制都很復雜，成本也高，且鐓粗件形狀和變形均勻性也不夠理想，甚至難以實施。對大高徑比棒料進行預制坯，還可采用帶有浮動凹模的雙向擠壓模具結構，通過雙向擠壓的方式，雖然可以獲得所需高徑比的預制坯，但預制坯的變形均勻性不理想，局部變形相當劇烈，且浮動式模具結構的設計也相對較復雜。

梁秀春曾在《山西機械》上發表一篇名為“一種鐓粗大高徑比鍛件的方法”的論文，以汽車后橋半軸成形為例介紹了一種鐓粗大高徑比棒料頭部的工藝方法，但其模具結構對大高徑比的棒料進行了約束，只是進行局部變形鐓粗，雖然可以獲得端部直徑較大的預制坯，但是其變形均勻性不甚理想，局部變形量也較大，對于變形敏感材料的成形加工，會對后續變形過程造成不利影響，影響終鍛件質量。

西南鋁業(集團)有限責任公司在2009年公開了一種名為“自由鍛高徑比超極限鐓粗法及鐓粗砧”(公開號：CN 101491822)的專利技術。該技術介紹了一種高徑比達3.3的鋁合金材料在自由鍛過程中，首先利用內凹的上、下鐓粗砧對原始棒料進行鐓粗，直至內凹空腔被填滿；然后將下內凹砧換作平砧再進行鐓粗，直至下部弧形端面被鐓平；進一步將上內凹砧換作平砧進行鐓粗，直至上部弧形端面被鐓平和達到所要求的鍛坯高度。此鍛造技術雖可以在自由鍛設備上對鋁合金進行有效的鐓粗制坯，但該技術所適用的棒料高徑比只有3.3，對于高徑比更大的棒料，其成形效果難以保證，且上下鐓粗砧的加工制造也較復雜。

中北大學在2016年公開了一種名為“一種大高徑比鎂合金棒料均勻鐓粗成形方法”(公開號：CN 105772614A)的專利技術。該技術中設計了一種大高徑比均勻鐓粗成形的模具，并利用該模具對鎂合金圓柱坯料進行鐓粗擠壓成形。該模具凸模的沖頭端面設計成中間凸周邊凹的形狀，凹模的模腔底部中間設計成平面，周邊設計成凹槽，平面與周邊凹槽之間進行平滑過渡；其次，在鎂合金圓柱坯料的上下兩端的表面各加工出一個圓形的淺凹槽，分別是上凹槽、下凹槽，并涂抹和預留一定量的潤滑劑；在預熱大高徑比均勻鐓粗成形模具后，將鎂合金圓柱坯料放置在大高徑比均勻鐓粗成形模具中進行保溫鐓粗。此工藝方法適用于鎂合金等溫鍛造，坯料的高徑比也不能過大，且凸凹模具以及坯料的加工都比較復雜，尤其對于原始坯料，每根棒料在鐓粗前都必須進行車削加工，生產周期較長。

技術實現要素：

針對上述現有大高徑比坯料鐓粗技術中存在的不足，本發明的一個目的是提供一種用于超大高徑比棒料連續錐形鐓粗的模具。該模具將凹模設計成內壁帶有一定錐度的多個分層模塊，通過凹模的斜壁對坯料的失穩進行約束，使其不產生折疊現象，經過幾次鐓粗成形，最終獲得高徑比小于失穩范圍的預制坯，為后續鍛造成形工序提供適宜的預制坯。

本發明的第二個目的是提供上述連續錐形鐓粗模具在超大高徑比棒料鐓粗中的應用。本發明的連續錐形鐓粗模具結構簡單、操作方便，可對任意高徑比的棒料進行鐓粗制坯，不會出現折疊現象，與現有鐓粗技術相比，不僅能夠完成超大高徑比棒料的鐓粗，而且還可顯著提高超大高徑比棒料鐓粗變形的均勻性。

本發明的第三個目的是提供上述連續錐形鐓粗模具對超大高徑比棒料的鐓粗方法。

為了解決以上技術問題，本發明的技術方案為：

一種超大高徑比棒料的連續錐形鐓粗模具，包括相互配合的凹模和凸模，凹模和凸模的成形壁面具有相同的錐度，其錐角為4～30°；所述凹模由沿軸向分布的若干層可拆卸的凹模模塊安裝而成，所述凸模由沿軸向分布的若干層可拆卸的凸模模塊安裝而成，且凹模的層數和凸模的層數均與設定的鐓粗次數相等，凸模模塊的高度與凹模模塊的高度對應設置。

凹模和凸模的成形壁面均具有一定錐度，其中，錐度是指圓錐的底面直徑與錐體高度之比，如果是圓臺，則為上、下兩底圓的直徑差與圓臺高度的比值。錐角為圓錐的軸截面的兩條母線之間的夾角。

成形壁面，是指凹模的內側壁面和凸模的外側壁面。

若干層，是指至少兩層，可以為三層、四層、五層以及更多層，原始坯料的高徑比越大，層數越多。

根據凸模與凹模配合的關系可知，凸模的外表面應該是圓臺形，凹模的內凹腔同為圓臺形，當凸模插入凹模一定深度時，凸模的外側面應該與凹模的內壁面完全接觸。按照正常的安裝方式來解釋，凸模安裝在上模座上，此時，凸模的圓臺形的下端面的面積小于上端面的面積，為倒置的圓臺形。凹模安裝在下模座上，凹模的內凹腔也是倒置的圓臺形。所以，為了實現配合，該處的凸模和凹模的結構是清楚的。

由于模具是由可拆卸的多層模塊安裝而成，即模具的各層模塊之間通過連接結構，如長螺栓，進行連接固定，當需要對模具進行拆卸重組時，拆開連接結構，將最小平均外徑的凸模模塊和最小平均內徑的凹模模塊拆卸掉，然后再利用連接結構對剩余的模塊進行組裝。連接結構的大小可以進行相應調整。

由于凸模和凹模的成形壁面均為圓臺形，可知，組成凸模的每層凸模模塊的成形壁面也是圓臺形，每個凸模模塊的錐度與凸模的錐度相等，凸模模塊的高度小于凸模的高度；組成凹模的每層凹模模塊的型腔也是圓臺形，凹模模塊的錐度與凹模的錐度相等，凹模模塊的高度小于凹模的高度。

模具的層數與需要鐓粗的次數設計成相等，鐓粗完一次后，將平均外壁直徑最小的凸模模塊和平均內壁直徑最小的凹模模塊拆卸后，剩余的凸模模塊和凹模模塊分別組成第二次鐓粗所需的凸模和凹模，進行第二次鐓粗，以此類推，實現超大高徑比的鐓粗。凹模內壁和凸模外壁均具有相同的錐度，設置錐度的原因是為了在鐓粗變形過程中給棒料一定的約束，減少其失穩程度和防止棒料在鐓粗過程中產生折疊，同時又擴大了棒料鐓粗變形過程中材料的變形空間，提高了鐓粗效果和鐓粗變形的均勻性。

凸模和凹模的錐度相同，當凹模內壁和凸模外壁接近重合時，本次鐓粗工序即告結束，金屬充滿模具型腔，且凸模和凹模的間隙處屬于變形材料最終充滿部位，也不易形成毛刺。

對于超大高徑比棒料的鐓粗，凸模與凹模的錐度選擇很重要，若錐度過大，每次鐓粗的凸模壓下量較大，坯料變形量大，鐓粗次數減少，鐓粗效率高，但容易產生較大的失穩甚至折疊現象；若錐度較小，每次鐓粗的凸模壓下量較小，會增加鐓粗次數以及更換模具的次數，延長生產周期。本發明選擇的錐度既可以保證鐓粗的質量，又可以保證鐓粗的效率。

具體到每一次鐓粗：在進行第一次錐形模具鐓粗過程中，隨凸模的不斷壓下，原始棒料發生變形，由于棒料的高徑比較大，盡管會發生一定程度的失穩現象，但由于凹模內壁的錐度較小，棒料與凹模的內壁間隙不大，即使棒料失穩和彎曲，但彎曲的棒料很快會接觸到凹模內壁，并在凹模內壁的約束作用下，輕微的彎曲很快得到矯正，其失穩和彎曲得以及時抑制，不會出現因輕微失穩導致的折疊缺陷。當凸模到達規定的壓下行程時，坯料充滿模具型腔，獲得的鐓粗件下端直徑基本保持不變，上端直徑增大，平均高徑比得以明顯減小。

第二次鐓粗和后續鐓粗的原理均與第一次鐓粗相同，得到的結果是使坯料平均高徑比得到大幅度減小。

優選的，凹模和凸模的錐角為6～16°。

凸模安裝在上模座上，凹模安裝在凹模固定板上，當在較高溫度下進行等溫鍛造時，凸模與凹模周圍可設置加熱裝置，維持模具溫度。為減少凸模的熱量損失和保護上模座，凸模與上模座之間可安裝隔熱板；為減少凹模的熱量損失和保護下模座，在凹模固定板與下模座之間可安裝隔熱墊板。

優選的，所述凹模的最小直徑比待鐓粗的棒料的原始直徑大2～3mm，以方便原始棒料的定位。

所述凹模的底部還安裝有活動的頂桿，頂桿與凹模的型腔同軸設置。鐓粗完成后，可以利用頂桿將鐓粗件頂出，方便鐓粗件的取出。

上述連續錐形鐓粗模具對超大高徑比棒料的鐓粗方法包括如下步驟：

1)根據棒料的直徑和鍛件的體積，得到棒料的高度；

2)選擇凸模和凹模的成形壁面的錐角，根據成形壁面的錐角、棒料高度和每次鐓粗比，確定鐓粗次數、凸模和凹模的層數以及每層凸模模塊的高度和每層凹模模塊的高度；

3)將棒料、凹模和凸模加熱后，進行第一次鐓粗操作，當凸模壓入到一定深度，即凸模與凹模的成形壁面幾近重合時，坯料幾乎充滿模具型腔，第一次鐓粗完成；

4)第一次鐓粗完成后，將最小平均外徑的凸模模塊和最小平均內徑的凹模模塊拆卸掉，并將剩余的凸模模塊和凹模模塊重新安裝固定，進行第二次鐓粗；

5)按照相同的方法進行后續的鐓粗，直至鐓粗件的高徑比小于不失穩鐓粗的最大高徑比，得到最終鐓粗件。

優選的，鐓粗之前，凹模的最小直徑比待鐓粗的棒料的原始直徑大2～3mm。

進一步優選的，每層凹模模塊的高度的計算方法為：

h_n＝(d_n+1-d_n)/2tan(α/2)

其中，h_n為沿凹模內徑逐漸變大的方向的第n層凹模模塊的高度，α為凹模的錐角，d_n為第n次鐓粗時凹模的最底端直徑，d_n+1為第n+1次鐓粗時凹模的最底端直徑，n為正整數。

進一步優選的，每層凸模模塊高度的計算方法為：

H_n＝(D_n+1-D_n)/2tan(α/2)

其中，H_n為沿凸模外徑逐漸增大的方向的第n層凸模模塊的高度，α為凸模的錐角，D_n為第n次鐓粗完成時坯料充滿型腔后的大端直徑，D_n+1為第n+1次鐓粗完成時坯料再次充滿型腔后的大端直徑，n為正整數。

每次鐓粗步驟中的鐓粗比可以相同，也可以不同。

本發明的有益效果為：

該模具將凹模設計成內壁帶有一定錐度的多個分層模塊，通過凹模的斜壁對坯料的失穩進行約束，使其不產生折疊現象，經過幾次鐓粗成形，最終獲得高徑比小于失穩范圍的預制坯，為后續鍛造成形工序提供適宜的預制坯。

附圖說明

圖1為第一次鐓粗前后的演示示意圖；

圖2為第二次鐓粗前后的演示示意圖；

圖3為第三次鐓粗前后的演示示意圖。

其中，1、隔熱墊板；2、凹模墊板；3、第一層凹模模塊；4、第二層凹模模塊；5、第三層凹模模塊；6、第一層凸模模塊；7、第二層凸模模塊；8、第三層凸模模塊；9、隔熱板；10、上模座；11、凸模緊固螺栓；12、凹模緊固螺栓；13、原始棒料；14、第一次鐓粗件；15、頂桿；16、下模座；17、第二次鐓粗的初始坯料；18、第二次鐓粗件；19、第三次鐓粗的初始坯料；20、第三次鐓粗件。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

在本實施例中，鍛造材料為鈦合金，其原始棒料直徑為250mm，目標鍛件的坯料體積為79841.1237cm³，經計算確定圓柱坯料的高度為1626.51mm，因此，初始棒料的高徑比高達6.506。按照目標鍛件的鍛造設計要求，其制坯件的高徑比為0.256。即將初始高徑比高達6.506的圓棒料鐓粗成為高徑比為0.256的餅類預成形件，為目標鍛件的后續鍛造提供合理尺寸與形狀的預成形件。

本實施例的模具結構示意圖如圖1、圖2和圖3所示，分別表示第一、二和三次鐓粗前后的模具示意圖，凸模和凹模均被設計成三層模塊，其中凹模包括第一層凹模模塊3、第二層凹模模塊4、第三層凹模模塊5；凸模包括第一層凸模模塊6、第二層凸模模塊7、第三層凸模模塊8，凸模的三層模塊通過凸模緊固螺栓11連接固定，凹模的三層模塊通過凹模緊固螺栓12連接固定。最初的原始棒料13在第一套鐓粗模具中進行鐓粗，鐓粗后獲得第一次鐓粗件14，將第一次鐓粗件14作為第二次鐓粗的初始坯料17，并放入第二套鐓粗模具中進行第二次鐓粗，鐓粗后獲得第二次鐓粗件18，再將第二次鐓粗件18作為第三次鐓粗的初始坯料19，并放入第三套鐓粗模具中，鐓粗后獲得第三次鐓粗件20。

進一步的，凸模與凸模隔熱板9通過緊固螺栓固定到上模座10上；凹模放置在凹模墊板2上，通過緊固螺栓將凹模墊板2與凹模隔熱墊板1固定到下模座16上。

本實施例的鐓粗工藝過程為：

步驟(1)：確定第一層凹模模塊3的底端內徑。根據提供棒料的直徑以及目標鍛件體積，計算出所需棒料的高度。本實施例中鈦合金原始棒料的直徑為250mm，按照目標鍛件體積，計算得到原始棒料高度為1626.51mm，高徑比為6.506。為方便原始坯料在第一次鐓粗中凹模內的定位，選取第一層凹模模塊3的底端內徑為252mm。

步驟(2)：確定凸凹模的錐角α。根據該原始棒料的直徑和高徑比，選擇凹模和凸模的錐角為8°。確定鐓粗次數為3次，將凸模和凹模分別分為3層模塊。

步驟(3)：確定凸模和凹模各層模塊的高度。根據確定的錐角α、第一層凹模模塊3的最底端內徑以及第二次鐓粗的第二層凹模模塊4的底部直徑，計算出第一層凹模模塊3的高度為715mm，同理可得其它凹模模塊的高度；根據錐角α、第一層凹模模塊最底端內徑和坯料的體積不變原則，計算坯料充滿第一次鐓粗模具型腔時錐形鐓粗件的上端直徑，該直徑即為第一層凸模模塊6的小端直徑。當第二次鐓粗完成后，坯料再次充滿型腔時的坯料上端直徑為第一層凸模模塊6的大端直徑，按照上述方法，計算求得的第一層凸模模塊6的高度為386mm，同理，可求得其它各層凸模模塊的高度。

步驟(4)：在原始棒料、第一次鐓粗凹模型腔表面及凸模下端面涂抹玻璃潤滑劑，然后將坯料放在加熱爐中加熱到要求溫度，預熱模具到要求溫度。將加熱后的原始棒料放入預熱好的模具凹模內，并進行保溫。

步驟(5)：進行第一次錐形鐓粗過程，隨凸模壓下，原始棒料13發生塑性變形，當凸模壓下到指定行程(凸模外壁與凹模內壁幾近重合時)，第一次鐓粗過程結束，獲得第一次鐓粗件14。

步驟(6)，進行第二次鐓粗，將第一層凹模模塊3和第一層凸模模塊6卸掉，采用剩下的凸、凹模模塊組成一套新的鐓粗模具，通過尺寸合適的緊固螺栓固定，此時凹模最底層的直徑已擴大為350mm。將第二次鐓粗模具加熱至要求溫度，同時將經過第一次鐓粗獲得的鐓粗件14也加熱至所要求溫度，并放入凹模內，進行第二次鐓粗成形。第二次鐓粗的初始坯料17的錐面與凹模錐面平行，且二者之間間隙相對較小，所以在第二次鐓粗過程中不易出現失穩現象，也不易產生折疊。經過兩次鐓粗后，坯料高度顯著減小，下端直徑達到350mm，上端直徑增大，平均高徑比再次減小。

步驟(7)：進行第三次錐形鐓粗。再將第二層凹模模塊4和第二層凸模模塊7卸掉，剩下的凸、凹模模塊又組成第三次鐓粗的模具。此時凹模最底層的直徑擴大為450mm，將經過兩次鐓粗的鐓粗件18作為第三次鐓粗的初始坯料，并再次加熱鐓粗件和模具，將加熱后的鐓粗件放入第三次鐓粗的模具凹模內，進行第三次鐓粗，獲得高徑比更小的第三次鐓粗件20，其平均高徑比已小于0.95。

步驟(8)：將第三次鐓粗過程獲得的鐓粗件20再次加熱，在加熱后的平砧上進行常規鐓粗，鐓粗至高徑比為0.256的餅類預成形件，其可作為目標鍛件的預成形件。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍內。