大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法技术

本发明专利技术涉及模锻成型技术领域，提供了一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法；通过成型载荷与材料利用率两个指标来综合分析并确定球壳段的设计余量，可实现大直径薄壁球壳类整体模锻件的精密设计，使锻件成型时在保持较低成型载荷的情况下具有较高的材料利用率，为大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型奠定基础，使大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型成为可能。本发明专利技术还提供了一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，可根据实际生产设备的能力和锻件材料的利用率要求，通过准确设计球壳段的设计余量，从而达到在模锻时兼顾成型载荷与材料利用率的目的。载荷与材料利用率的目的。载荷与材料利用率的目的。

【技术实现步骤摘要】
大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法


[0001]本专利技术涉及模锻成型
，尤其是一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法。

技术介绍

[0002]大直径薄壁球壳类锻件指的是直径大于一米，球壳段的壁厚在20毫米以内的锻件。在航天、核电与深潜领域通常会用到大直径薄壁球壳类锻件，随着科学技术与工业水平的不断提高，整机设计对锻件的要求也在不断提高，越来越多的需要采用整体模锻成型来满足更高的零件设计要求。
[0003]由于这类锻件的直径规格较大，而截面尺寸又较小，若采用普通的锻件设计方法，会根据锻件材料特性和锻件结构，锻件各部位采用同一设计余量，这会导致两种结果，一是设计余量偏小，会导致成型载荷极大，进而导致模具磨损严重，甚至成型载荷超出成型设备能力范围；二是整体设计余量偏大，会导致材料利用率低，整体成型必要性降低。
[0004]因此若采用整体模锻的成型工艺，需开展锻件各部位设计余量对成型载荷与材料利用率影响规律的研究，需要兼顾模锻成型时的成型载荷与材料利用率，确定出各部位最优的设计余量。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法及锻造方法，实现大直径薄壁球壳类整体模锻件的精密设计，为大直径薄壁球壳类模锻件的整体模锻成型奠定基础。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，包括如下步骤：
[0007]S1、根据大直径薄壁球壳类整体模锻件的特点对荒坯进行初步的形状与尺寸设计；在结构形状和其余设计余量不变的情况下，通过增加球壳段的设计余量，设计出一系列球壳段不同余量的荒坯；
[0008]S2、在成型数值模拟软件上对步骤S1中的一系列球壳段不同余量的荒坯进行模锻成型模拟；获得球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，以及球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线；
[0009]S3、根据球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，找出成型载荷曲线在急剧下降段与低载荷平稳段相交处对应的球壳段设计余量a，并找出成型载荷曲线与设备锻造能力线相交处对应的球壳段设计余量c；根据球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线，找出材料利用率曲线开始快速降低时对应的球壳段设计余量b；
[0010]S4、根据步骤S1中荒坯的初步设计形状和尺寸，在结构形状和其余设计余量不变的情况下，按照如下设计方式完成荒坯的设计：
[0011]当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计在a～b之间；
[0012]当a≥b＞c时，将球壳段的设计余量设计在b～c之间；
[0013]在其余情况下，将球壳段的设计余量设计为c。
[0014]进一步的，步骤S4中，当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计为a；当a≥b＞c时，将球壳段的设计余量设计为b。
[0015]进一步的，步骤S1中，球壳段的设计余量设计在球壳段的外表面。
[0016]进一步的，步骤S2中，所述成型数值模拟软件为deform软件。
[0017]进一步的，步骤S2中，在相同的模拟边界条件下进行模锻成型模拟。
[0018]进一步的，所述模拟边界条件包括锻造温度、摩擦系数和热交换系数。
[0019]进一步的，步骤S2中，在对一系列球壳段不同余量的荒坯进行模锻成型模拟时，均在相同的模具型腔中模拟下压恒定高度来得到成型载荷和材料利用率与球壳段设计余量的关系。
[0020]进一步的，所述恒定高度为1
‑
3mm。
[0021]大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，采用所述的设计方法设计荒坯；然后根据荒坯的设计图制备荒坯；然后对荒坯件进行模锻成型。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]本专利技术实施例提供的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，通过成型载荷与材料利用率两个指标来综合分析并确定球壳段的设计余量，可实现大直径薄壁球壳类整体模锻件的精密设计，使锻件成型时在保持较低成型载荷的情况下具有较高的材料利用率，为大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型奠定基础，使大直径薄壁球壳类锻件的整体模锻成型成为可能。
[0024]本专利技术实施例提供的大直径薄壁球壳类整体模锻件的锻造方法，可根据实际生产设备的能力和锻件材料的利用率要求，通过准确设计球壳段的设计余量，从而达到在模锻时兼顾成型载荷与材料利用率的目的；不仅解决了由于球壳段的设计余量过小而造成成型载荷较大，进而导致成型设备没有能力将锻件完全充满型腔而使模锻成型失败的问题；还解决了由于球壳段的设计余量过大而造成材料利用率较低，进而导致整体模锻成型的必要性和成型优势降低的问题。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1是大直径薄壁球壳类整体模锻件的结构示意图；
[0027]图2是用于模锻成模锻件的荒坯的结构示意图；
[0028]图3是球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线图；
[0029]图4是球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线图。
具体实施方式
[0030]为了使本领域的人员更好地理解本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术进一步
说明。显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0031]图1是大直径薄壁球壳类整体模锻件的结构示意图。参见图1，大直径薄壁球壳类整体模锻件的直径D＞1米，球壳段的壁厚T≤20毫米。这类模锻件通常会有很大一部分属于球壳形状，且球壳段的截面尺寸很小。假如该锻件材质为高强钢，一般用于模锻成模锻件的荒坯的设计余量是7
‑
10mm，如果球壳段也采用该设计余量，会导致球壳段的绝对尺寸很小，成型载荷会极大，同时材料流动阻力也会很大，因此这类锻件的球壳段需要适当加大设计余量。但目前均是凭经验增加球壳段的设计余量，具体增加多少合适，并没有统一的标准。
[0032]如果球壳段的余量增加后仍然较小，则会导致模具型腔存在较长的狭窄区，成型时该区域的坯料温度会急剧下降，导致材料的流动塑性减小，进而使成型载荷升高，模具磨损加剧；甚至会导致锻件无法充满型腔，使模锻成型失败；由于模具磨损严重，同时会使锻件的表面质量较差。与此相反，如果球壳段的余量增加后过大，会导致材料利用率过低，所需原材料规格将更大；由于该类锻件尺寸规格较大，每增加1mm余量都会极大的降低材料利用率，加之锻件本身规格体量的原因，所需原材料规格往往已经超标准规格，如不能最大可能的提高材料利用率，该类锻件在原材料方面将面临极大的风险，最终导致锻件存在性能风险，甚至报废。
[0033]为了解决上述问题，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据大直径薄壁球壳类整体模锻件的特点对荒坯进行初步的形状与尺寸设计；在结构形状和其余设计余量不变的情况下，通过增加球壳段的设计余量，设计出一系列球壳段不同余量的荒坯；S2、在成型数值模拟软件上对步骤S1中的一系列球壳段不同余量的荒坯进行模锻成型模拟；获得球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，以及球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线；S3、根据球壳段设计余量与成型载荷的关系曲线，找出成型载荷曲线在急剧下降段与低载荷平稳段相交处对应的球壳段设计余量a，并找出成型载荷曲线与设备锻造能力线相交处对应的球壳段设计余量c；根据球壳段设计余量与材料利用率的关系曲线，找出材料利用率曲线开始快速降低时对应的球壳段设计余量b；S4、根据步骤S1中荒坯的初步设计形状和尺寸，在结构形状和其余设计余量不变的情况下，按照如下设计方式完成荒坯的设计：当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计在a～b之间；当a≥b＞c时，将球壳段的设计余量设计在b～c之间；在其余情况下，将球壳段的设计余量设计为c。2.根据权利要求1所述的大直径薄壁球壳类整体模锻件的设计方法，其特征在于，步骤S4中，当b＞a＞c时，将球壳段的设计余量设计为a；当a≥b＞...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨靖雲，李轲，景春红，谢静，张鹏，王周田，周文武，刘德建，
申请(专利权)人：中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，
类型：发明
国别省市：