本发明涉及一种环件的胀形方法， 特别是涉及了高温合金矩形环轧件热 胀形成形为异形环件的方法。 背景技术

高温合金矩形环轧件 (指纵截面是矩形截面的环轧件）或异形环轧� � (指 纵截面是非矩形截面的环轧件）釆用环轧机轧 制后， 由于受轧制工艺及设备 局限性的影响， 其尺寸精度一般不高； 只有在环轧件形状较理想和设备性能 较优异的情况下， 其尺寸精度才能达到相应尺寸的 3%。~ 5%。 （千分之三至千 分之五）， 而且轧制后的环轧件由于应力较大， 在后续加工工序中如果控制不 好易产生翘曲、 变形甚至开裂等缺陷。

2009年 2月 18日公开的中国发明专利说明书 CN 101367104A公开了一种 汽轮发电机护环外补液液压胀形强化工艺， 该工艺方法通过外设高压泵并使 其产生的高压液体通过高压缸内的通道， 然后经由模具部分中的减力柱内的 通道注入固定的上锥模与移动的下锥模及护环 形成的封闭空间， 使护环在液 体压力的作用下发生塑性变形来胀形护环， 以达到强化护环、 提高护环成形 精度的目的， 从该专利说明书附图可以看出所述护环即矩形 环件。 该方法由 于是靠液体与环件的内圆周面的柔性接触来冷 胀形矩形环件， 因此， 只能适 合一些变形抗力小材料， 其主要作用是强化环件， 对于变形抗力较大的材料 例如高温合金及把矩形环件胀形成异形环件则 不适用； 并且该方法对于如何 通过胀形来提高环件的尺寸精度也未详细披露 ， 只是笼统地得出可以达到提 高护环成形精度的目的， 即该方法不能解决现有技术中存在的环轧件尺 寸精 度低的问题。 发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种釆用胀形 块来实现高温合金矩形环 轧件热胀形成形为异形环件的方法， 该方法通过一次大变形和连续三次小变 形对所述高温合金矩形环轧件进行胀形，获得 了尺寸精度高的胀形异形环件。 为解决上述技术问题， 本发明所述高温合金矩形环轧件热胀形成形为 异 形环件的方法， 其技术方案包括以下步骤：

把加热到 1000°C ~ 1020°C的高温合金矩形环轧件套装进胀形机，� �其内 环面套在经预热到 260°C ~320°C的胀形块的外圆周面外围，所述胀形块� �外 圆周面具有与最终胀形成形的异形环件的内圆 周面相配合一致的形状，此时， 径向滑块处于合拢状态；

启动胀形机对芯轴滑块施加轴向拉力 F使其沿轴向向下移动并沿所述径 向滑块的内孔锥面挤压径向滑块使各径向滑块 沿径向同步移动扩散， 装在径 向滑块外圆周面上的胀形块从矩形环轧件的内 圆周表面沿径向挤压该矩形环 轧件， 矩形环轧件发生内、 外径尺寸扩大及壁厚减薄塑性变形为异形环坯 ， 完成第一次胀形； 在本次胀形过程中， 所述矩形环轧件的胀形温度为 1000 °C ~ 1020°C, 胀形时间为 30s~40s, 保压时间为 20s~ 25s, 胀形变形量为 10% - 12%;

胀形机驱动芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上 移动， 并驱动径向滑块沿 径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的异形 环坯， 启动胀形机的工作台上 的导辊使其驱动所述异形环坯沿中心轴线旋转 45° , 完成异形环坯的第一次 旋转；

按上述第一次胀形的操作对经过第一次胀形后 的异形环坯进行第二次胀 形， 在本次胀形过程中， 所述异形环坯的胀形温度为 960°C ~98(TC, 胀形时 间为 20s ~ 30s, 保压时间为 10s ~ 15s, 胀形变形量为 1.8%~2%；

按上述第一次旋转的操作对经过第二次胀形后 的异形环坯进行第二次旋 转， 本次旋转， 所述异形环坯与第一次旋转方向同向再旋转 45° ；

按上述第一次胀形的操作对经过第二次胀形后 的异形环坯进行第三次胀 形， 在本次胀形过程中， 所述异形环坯的胀形温度为 930°C ~95(TC, 胀形时 间为 20s ~ 30s, 保压时间为 10s ~ 15s, 胀形变形量为 1.3% ~ 1.5%;

按上述第一次旋转的操作对经过第二次胀形后 的异形环坯进行第三次旋 转， 本次旋转， 所述异形环坯与第一次旋转方向同向再旋转 45° ； 按上述第一次胀形的操作对经过第三次胀形后 的异形环坯进行第四次胀 形， 在本次胀形过程中， 所述异形环坯的胀形温度为 900°C ~92{TC, 胀形时 间为 30s ~ 40s, 保压时间为 25s ~ 28s, 胀形变形量为 1.2% ~ 1.4%;

胀形结束后， 向上移动芯轴滑块， 合拢径向滑块， 取出经胀形后的异形 环件。

上述高温合金优选材料牌号为 GH4169的高温合金。

所述胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力 F按下式计算确定：

F = ξ X σ ₀ . ₂ ^χ S

式中：

ξ——胀形机胀形系数， 本发明取 1.26 ~ 1.52;

σ。. ₂ —胀形温度下高温合金材料的屈服强度 （MPa), GH4169 合金取 380 MPa ~ 430MPa;

S ——矩形环轧件或异形环坯的纵截面面积

所述异形环件在热态下的胀形尺寸按以下公式 计算确定：

D = Do ( 1 + β ₍ ) +d

式中：

D —异形环件处于热态下的内径尺寸 （mm);

Do —异形环件处于冷态下的最终产品内径尺寸 （mm);

β ₍ —合金材料在胀形温度下的温度补偿系数 （％) ,GH4169 合金取 1.5% ~ 1.75%; d——胀形成异形环件后内径尺寸的回弹量（mm ), GH4169合金取 3~

5mm。

400mm ~ Φ 4500mm, 壁厚为 10mm ~ 200mm, 高度为 40mm ~ 750mm。 与现有技术相比， 本发明的有益效果如下： 本发明通过胀形机上的胀形块与高温合金矩形 环轧件进行刚性接触来直 接胀形成形为异形环件， 可以对变形抗力较大的难变形高温合金材料进 行胀 形， 并且可以获得所需要的胀形尺寸和有利于提高 尺寸精度。

本发明通过把矩形环轧件加热到高温， 釆用大变形量一次把矩形环轧件 胀形变形为异形环坯，再通过三次小变形量把 异形环坯胀形成形为异形环件， 并且通过选择合适的胀形温度、 胀形时间和保压时间等工艺参数， 不会对环 轧件的组织产生显著影响， 不会出现胀裂现象， 还可以使每次胀形后环轧件 或异形环坯的回弹量较小； 并且在胀形过程中通过把所述异形环坯三次同 向 旋转 45°, 可以消除胀形块沿径向扩散胀形时相邻胀形块 之间的间隙对异形 环坯内圆周面形成的痕迹， 从而有利于胀形过程的顺利进行和获得尺寸精 度 较高的胀形异形环件； 在整个胀形过程中， 由于胀形块可以实时测量异形环 坯内径尺寸的变化情况及每次胀形后内径尺寸 的回弹量， 并把测量数据及时 传送到胀形机的显示器上， 从而在胀形时可以精确控制异形环轧件的胀形 尺 寸。 综上所述， 釆用本发明所述方法胀形的异形环轧件可以得 到尺寸精度较 高的最终产品尺寸。

在胀形过程中， 由于胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力 F是由胀形机的 胀形系数 ( ξ )、 胀形温度下材料的屈服强度 ( σ。. ₂ )及环轧件或异形环坯的 纵截面面积（S )来确定， 因此， 可以针对不同的胀形机和不同材料、 尺寸的 环轧件或异形环坯来确定轴向拉力 F的大小， 使环轧件在胀形过程中受力比 较均匀和合理， 能够保证胀形过程的顺利进行， 避免用力过大造成胀裂或用 力过小造成胀不动的现象发生。

所述胀形后的异形环件的热态胀形内径尺寸 （D ) 由异形环件经胀形后 处于冷态下的最终产品内径尺寸 （D。）、 合金材料在胀形温度下的温度补偿 系数（p _t )及胀形成异形环件后内径尺寸的回弹量（d )来计算确定， 从而在 胀形时可以精确控制异形环件的热态尺寸， 并在胀形后的异形环件冷却后获 得尺寸精度高的冷态尺寸即异形环件经胀形后 的最终产品尺寸。

以牌号为 GH4169的高温合金胀形异形环件为例， 经检测胀形后的该合 金异形环件的冷态尺寸即最终产品尺寸， 达到了相应尺寸的 1%。~ 2%。； 经检 测该合金异形环件的内部组织， 未发生显著变化， 而且无变形、 翘曲等缺陷。 附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一 步详细说明。

图 1是矩形环轧件沿其中心线的纵剖面图。

图 2是胀形机的结构简图。

图 3是矩形环轧件的装机示意图。

图 4是矩形环轧件热胀形成形为异形环件的过程� �意图。

图 5是胀形块脱离胀形后的异形环件的示意图。

图 6是胀形后的异形环件沿其中心线的纵剖面图� � 具体实施方式

实施本发明所述的高温合金矩形环轧件热胀形 成形为异形环件的方法需 要提供胀形机、锻造加热炉、机械手等设备。 下面以中国材料牌号为 GH4169 的高温合金为例来详细说明该方法的具体实施 方式：

该合金的主要化学元素含量（重量百分比）为 ： 含 C量 0.08%、 含 Cr 量 17.0% ~ 21.0%、含 Ni量 50.0% ~ 55.0%、含 Co量". 0%、含 Mo量 2.80% ~ 3.30%、 含 A1量 0.30% ~ 0.70%、 含 Ti量 0.75% ~ 1.15%、 含 Nb量 4.75% ~ 5.50%、 含 B量 0.006%、 含 Mg量 0.01%、 含 Mn量 0.35%、 含 Si量 0.35%、 含 P量 0.015%、 含 S量 0.015%、 含 Cu量 0.30%、 含 Ca量 0.01%、 含 Pb量 0.0005%, 含 Se量 0.0003%, 佘量为 Fe。

用于实施本发明所述热胀形方法的胀形机的结 构简图如图 2所示， 该胀 形机主要由芯轴滑块 1、 径向滑块 2、 胀形块 3、 工作台 4及导轨 5组成。 芯 轴滑块 1呈圆锥形并套装在径向滑块 2内与径向滑块 2的锥形内圆周面配合， 芯轴滑块 1可由胀形机的液压缸带动在径向滑块 2内沿轴向上下移动并挤压 径向滑块 2; 径向滑块 2安装在胀形机的导轨 5上并可沿导轨 5径向来回移 动，径向滑块 2从图 2俯视方向看是 12块分开的扇形块形状，各扇形块的外 圆周面上分别固定安装有胀形块 3 , 各扇形块合拢时与胀形块 3—起可以形 成一个圆环形状； 当芯轴滑块 1在径向滑块 2内沿轴向向下移动时可使各径 向滑块 2沿径向同步移动扩散使胀形块 3达到胀形环件的目的， 当芯轴滑块 1在径向滑块 2内沿轴向向上移动时胀形机可驱动各径向滑� � 2沿径向同步 移动合拢使胀形块 3脱离胀形后的环件， 胀形块 3在胀形过程中具有实时测 量环件内径尺寸并把测量数据传送到胀形机的 显示器上的功能； 此外， 在该 胀形机的工作台 4 上还有可驱动环件在该工作台上沿中心轴线旋 转的导辊 (图中未示出）。

该合金从矩形环轧件热胀形成形为异形环件的 工艺步骤如下：

步骤 1 : 装机。

如图 3所示， 先把胀形机上的胀形块 3预热到 260°C ~ 320°C , 再把如图 1所示的 GH4169合金矩形环轧件 10加热到 1000°C ~ 1020°C后套装进胀形 机， 使其内环面套在胀形块 3的外圆周面外围， 胀形块 3的外圆周面具有与 如图 6所示最终胀形成形的异形环件 20的内圆周面相配合一致的形状，其底 面平放在工作台 4的上面， 此时， 径向滑块 2处于合拢状态。 装机时工件的 装运主要通过机械手操作完成。

步骤 2: 第一次胀形。

如图 4所示， 启动胀形机使其芯轴滑块 1沿其轴向向下移动， 芯轴滑块 1在径向滑块 2内沿其锥形面挤压径向滑块 2使各径向滑块 2沿径向同步移 动扩散，径向滑块 2上的胀形块 3的外圆周面沿矩形环轧件 10的内圆周表面 挤压矩形环轧件 10, 使矩形环轧件 10从内圆周表面到外圆周表面受到来自 胀形块 3的径向挤压力，导致矩形环轧件 10的内圆周面沿径向扩大，矩形环 轧件 10发生内、 外径尺寸扩大， 壁厚减薄的塑性变形， 矩形环轧件 10被胀 形块 3第一次胀形变形为异形环坯 15。 胀形时胀形机的液压缸对芯轴滑块 1 施加轴向拉力 F, 矩形环轧件 10的胀形温度为 1000°C ~ 1020°C , 胀形时间 为 30s ~ 40s, 保压时间为 20s ~ 25s, 矩形环轧件 10的胀形变形量为 10% ~ 12%。 所述胀形时间是指矩形环轧件 10从一开始被胀形到胀形结束后的时间； 所述保压时间是指矩形环轧件 10被胀形达变形量后不再发生变形并一直保 持到胀形结束的时间。

步骤 3 : 第一次旋转。

如图 5所示，使胀形机驱动芯轴滑块 1在径向滑块 2内沿轴向向上移动， 并驱动径向滑块 2 沿径向同步移动合拢使胀形块 3 脱离胀形后的异形环坯 15 ,启动胀形机的工作台 4上的导辊使其驱动异形环坯 15在该工作台上沿中 心轴线顺时针或逆时针旋转 45° , 从而完成异形环坯 15的第一次旋转。

步骤 4: 第二次胀形。

重复步骤 1的胀形过程使胀形块 3对异形环坯 15进行第二次胀形，胀形 时胀形机的液压缸对芯轴滑块 1施加轴向拉力 F,异形环坯 15的胀形温度为 960°C ~ 980 °C , 胀形时间为 20s ~ 30s, 保压时间为 1 0s ~ 15s, 异形环坯 15 的胀形变形量为 1.8% ~ 2%。

步骤 5: 第二次旋转。

重复步骤 3 ,使胀形机的导辊驱动异形环坯 15与第一次旋转方向同向再 旋转 45° , 从而完成异形环坯 15的第二次旋转。

步骤 6: 第三次胀形。

重复步骤 1的胀形过程使胀形块 3对异形环坯 15进行第三次胀形，胀形 时胀形机的液压缸对芯轴滑块 1施加轴向拉力 F,异形环坯 15的胀形温度为 930°C ~ 950 °C , 胀形时间为 20s ~ 30s, 保压时间为 1 0s ~ 15s, 异形环坯 15 的胀形变形量为 1.3% ~ 1.5%。

步骤 7: 第三次旋转。

重复步骤 3 ,使胀形机的导辊驱动异形环坯 15与第二次旋转方向同向再 旋转 45° , 从而完成异形环坯 15的第三次旋转。

步骤 6: 第四次胀形。

重复步骤 1的胀形过程使胀形块 3对异形环坯 15进行第四次胀形使其最 终变形成形为异形环件 20,胀形时胀形机的液压缸对芯轴滑块 1施加轴向拉 力 F, 异形环坯 15的胀形温度为 900°C ~ 920°C, 胀形时间为 30s ~ 40s, 保 压时间为 25s ~ 28s, 异形环坯 15的胀形变形量为 1.2% ~ 1.4%。

四次胀形结束后， 向上移动芯轴滑块 1, 合拢径向滑块 2并使胀形块 3 脱离异形环件 20, 用机械手取出异形环件 20从而完成胀形过程。

所述矩形环轧件 10或异形环坯 15在胀形过程中， 所述轴向拉力 F按下 式计算：

F = ξ X σ ₀ . ₂ ^χ S

式中：

ξ——胀形机胀形系数， 本发明取 1.26 ~ 1.52;

σ。. ₂ —胀形温度下高温合金材料的屈服强度 （MPa ), 本发明取 380 MPa ~ 430MPa;

S ——矩形环轧件 10或异形环坯 15的纵截面面积 （ 匪 ² );

所述矩形环轧件 10的胀形变形量的计算方法为： 胀形变形量 = { [胀形 后矩形环轧件 10 (或异形环坯 15) 的中径尺寸一胀形前矩形环轧件 10 (或 异形环坯 15) 的中径尺寸）] /胀形前矩形环轧件 10 (或异形环坯 15) 的中 径尺寸 } X100%。

所述矩形环轧件 10 (或异形环坯 15 )的中径尺寸 = (矩形环轧件 10 (或 异形环坯 15) 的内径尺寸 +矩形环轧件 10 (或异形环坯 15) 的外径尺寸） ÷2

为保证矩形环轧件 10经胀形成形异形环件 20后能够得到产品要求的最 终尺寸， 异形环件 20在热态下的胀形尺寸按以下公式计算：

D = Do ( 1 + β ₍ ) +d

式中：

D——异形环件 20处于热态下的内径尺寸 （mm);

Do —异形环件 20经处于冷态下的最终产品内径尺寸 （mm);

β ₍ —合金材料在胀形温度下的温度补偿系数（％ )，对于不同的材料在 不同温度下的温度补偿系数不同， 本发明取 1.5% ~ 1.75%;

d——胀形成异形环件 20后内径尺寸的回弹量（mm ), 本发明取 3

5mm

上述尺寸在计算时以变形最大的尺寸为准， 对于本发明而言计算时的尺 寸是指矩形环轧件 10或异形环坯 15的大头端面即底端面的尺寸

釆用上述方法胀形的高温合金异形环件， 其内径尺寸范围为： Φ 400mm ~ Φ 4500mm, 壁厚为 10mm ~ 200mm, 高度为 40mm ~ 750mm

本发明并不限于上述异形环轧件 20,对于不同截面的异形环轧件只要对 应把胀形块 3的外圆周面形状加工成与异形环轧件的内圆� �面的形状相一致 的形状， 釆用本发明所述的方法便可胀形出不同截面的 异形环轧件。 工业实用性

本发明通过胀形机上的胀形块与高温合金矩形 环轧件进行刚性接触来直 接胀形成形为异形环件， 可以对变形抗力较大的难变形高温合金材料进 行胀 形， 并且可以获得所需要的胀形尺寸， 且有利于提高尺寸精度。 经检测胀形 后的合金异形环件的冷态尺寸即最终产品尺寸 ，达到了相应尺寸的 1 %o ~ 2%； 经检测合金异形环件的内部组织， 未发生显著变化， 而且无变形、 翘曲等缺 陷。 该方法适用于生产航空航天等领域使用的简形 壳体等回转体零部件的高 温合金异形环件。