闭模锻造工艺和旋转步进式锻压机 本发明涉及一种用于一般轴对称产品的锻造方法和一种锻压机，在该锻压机中，普通轴对称产品是以一种步进方式锻造的。
在锻造过程中，通过一种称为锻压机的机器在两个或更多的锻模中对工件进行压制。工件塑性变形成的形状由锻模的形状和压制力的大小决定。锻造可能在一个单一压进冲程中完成，或者可能存在多个压进冲程以逐渐地将工件变形到产品所要求的形状。
锻造操作使得工件在力作用方向上变薄，并且导致工件沿垂直面伸展，工件从而被变形到最终锻成的形状。工件最终锻成的形状必然不同于最后的产品形状。因为一般来说，要把工件精确地锻造成最终所要求的产品形状是不可能的或不现实的。最终锻成的形状与最终所要求的产品形状的近似程度在某些程度上决定了锻造操作的难度。对工件整个平面视图表面均匀地锻造相对简单，这称为扁平锻造。然而，在涉及最终要求为复杂形状工件的常见情况中，扁平锻造剩余大量材料，需要进行切削加工以达到精确的最终所要求产品形状。在一种更先进地锻造方法中，工件被锻造成近终形的形状(NNS)，这种形状近似于最终工件的形状，但是故意使尺寸稍大以便能进行超声波检测，去掉足够的物料以适合在热处理过程中的变形和最终切削加工余量。在这种NNS锻造方法中，需要切削加工掉的金属量相对小了。NNS锻造明显比扁平锻造需要在设计锻造工艺中更需要创造力。
锻造广泛地应用于的各种各样的操作中，以生产出小件或大件的产品。为了使工件变形，锻压机必须提供所需要的力。大件的产品生产尤其复杂，因为产品越大则所需要的锻压力越大。从而，需要更大、更昂贵的锻压机来完成锻造。正如所提到的，NNS锻造通常比扁平锻造需要更大的锻压力，并因此需要更大的锻压机。
在某些情况下，需要生产一种产品，其结构的尺寸和材料是现有的锻压机的能力所不能生产的。要锻造这种产品，众所周知，可采用开模锻造操作对工件进行步进式锻造。在步进式开模锻造中，锻模的设计和锻压机的操作是：在任一时刻工件只有一部分被锻造，对工件在每一部分锻造后，工件相对于锻模步进地移动，最终实现对整个工件的完全锻造。令人遗憾的是，开模锻造和步进式开模锻对大多数产品都不能获得近终形的形状，这是因为工件上不受约束的部分可以延伸成任意尺寸和形状，而不是一种近终形的形状。
在一份申请中，工件被锻成一种用于大型陆基燃气轮机的轴对称涡轮圆盘。这种涡轮圆盘的直径为70～96英寸或更大。它们采用镍基或铁基高合金钢做成的，并且即使在具有50,000吨能力的压力机上也不能被锻造成为所要求的近终形形状的轮廓。该轴对称近终形形状、尺寸和最终涡轮圆盘所要求的机械性能是相当严格的。对于这种圆盘，现有的步进式锻造技术不能满足这些要求。
因此，需要一种改进的方法来锻造大型轴对称产品。本发明能满足这种需要，并且进一步提供相应的特点。
本发明提供一种步进式锻压机以及用于生产大型轴对称近终形形状锻件的技术。锻件的形状、尺寸和机械性能适用于精确的操作，例如对大型陆基涡轮圆盘进行的最终的切削加工。在最终锻造操作中，在每一次锻压冲程中，工件只有一部分与锻模相接触，因此，工件的尺寸在另一方面可能比现有的锻压机的能力所能锻造的尺寸要大。相对于现有的方法，产品所需的最后切削加工的量显著地减少了。后者很重要，因为锻造成本的一个主要部分是工件的材料消耗，该工件为镍基高合金钢。减少需要切削加工的材料量也就降低了产品的生产成本。
根据本发明，工件锻造的方法可用于对一般原始工件为具有平面视图表面的轴对称的圆盘形工件的操作。这种方法包括首先在原始工件的大体上整个平面视图表面上进行锻造，然后再对第一次锻成的工件进行步进式锻造，使之成为最终锻件形状。在第一次锻造操作中，采用一种基本上覆盖整个平面视图表面的锻模(非步进式的)对原始工件进行锻造。工件的径向内部部分被优先地锻造成大致为最终锻件轮廓，但是工件的径向外部部分没有被锻成最终锻造轮廓。在随后的步进式锻造工序中，工件的径向外部部分最先步进地锻成为最终锻件形状，而没有明显的工件径向内部部分变形，虽然在步进式锻造工序中，工件可能会存在相对较小的径向内部变形。
本发明技术采用闭模锻造，与普通非步进式闭模锻造技术相比，能锻造出径向更大的、基本为轴对称的产品。锻压机的最大的锻造能力由闭模锻造锻压机可能锻造的最大产品尺寸所确定。采用步进式闭模锻造使得用同样的压力机和锻造条件能够锻造出更大(但其它方面相同)的产品。根据本发明的这一方面，锻造大型工件的方法包括下面步骤：配置一台锻压机，该锻压机的最大锻压能力足以用闭模锻造来锻造出具有利用非步进式锻造出的最终尺寸最大的轴对称产品。这个方法还包括提供轴对称工件，并在一定锻造条件下，在锻压机中采用闭模锻造将工件进行步进式锻造，使之变形成为步进式锻造产品。这种产品具有比最大的非步进式锻造最终尺寸更大的步进式锻造最终尺寸。为了作相应的比较，所有其它的锻造条件例如材料、温度、锻压量和几何相似性都一样，只有工件的尺寸和模具有区别。“尺寸”指的是从对称轴向外测量的径向尺寸。
步进式锻造，最好是闭模步进式锻造，以便形成近似于所要求的最终产品的近终形最终锻造形状，但是尺寸要稍稍大一些以便进行超声波检测，并且去掉多余的材料以适应热处理中的变形和最终的切削加工。现有的步进式开模锻压机和技术在本申请中是不可能生产出近终形形状的，从而需要研制一种闭模锻压机和技术，用来锻造在始锻工序中锻成的、轴对称的、通常为圆盘形的工件。
根据本发明的这一方面，锻压机包括具有固定模面的固定模和具有沿压力机轴线与固定模模面相对、但彼此相隔一定距离的可动模面的可动模。固定模面可以是平的，或者可以是根据安放模具所面对的工件表面的形状仿制出的。可动模面包括位于垂直于压力机轴线的工件表面内的基准面和至少一个扇形块，最好正好是凸出于基准面上的三个旋转对称的扇形块。每一个扇形块包括与压力机轴线平行并相对于压力机轴线有一扇面夹角的圆盘的一个扇面形。存在多于一个的扇形块，每个扇形块与其它扇形块相隔一定角度。还有一个外部环状延伸的约束件，以防止当工件在固定模与可动模之间压缩时工件产生径向延伸。也就是说，锻造是闭模锻造而不是开模锻造。外部约束最好为一个环形外壁，它可以与固定模分离或整合。固定模、可动模和外部约束件所包围的空间限定了所容纳工件的体积。压力机构包括轴向驱动机构，可操纵可动模在平行于压力机轴线方向上移动；和转位驱动机构，可操纵可动模绕着压力机轴线旋转一个指定旋转角。虽然当可动模退回且不再与工件接触时，旋转和轴向运动可能是同时存在的，但可动模的轴向移动和转位驱动机构的旋转运动只有在当可动模与工件接触时的转换方式中才可进行。
总的来说，锻压机包括一套模具，这套模具包括固定模具和沿着压力机轴线与固定模相对，但彼此相隔一定距离的可动模具。还有一个环状延伸于工件体积周围的外部约束件。由固定模、可动模和外部约束件所围成的空间限定了其所能容纳在的工件体积。至少固定模和可动模之一在上面具有一个突起的形状。所使用的压进机构与上面所述的相同。
在最佳实施例中，在可动模的基准面区域之上存在三个或更多对称的扇形块突起。虽然偶然会有一些局部横向和/或朝内部的流动以填满扇形块所限定的形状，但在与形成闭模锻造的外部约束件的配合作用下，这些扇形块使工件部分变形，工件从而大体朝着径向向外的方向流动。它们也在没有扇形块的工件部分产生变形以引起金属的流动。
由每一扇形块的每一侧面上过渡到基准面区域的扇形块侧面最好具有大约45°～60°的斜角倾斜。在没有这种斜角的情况下，可能在工件的外部侧面产生在后续锻压冲程中无法消除的褶皱或裂纹。
在步进式锻压机的操作中，工件被装入容纳工件之处。锻压机在轴向的第一次锻压冲程中对工件的一部分进行锻造。作用在锻模上的力被释放出来，同时，模具退回。转位驱动机构操纵可动模绕着压力机轴线旋转一个指定的旋转角，并且轴向驱动机构提供另一次锻压冲程。当需要锻造整个工件时，将重复这一过程。
本锻压机和锻造方法在锻造大型轴对称产品的技术上有了重大进展。锻造的产品具有近终形轮廓并且要比采用已有的闭模锻压机能力生产出的产品更大。锻造的产品被锻成近终形的轮廓，这就降低了总的材料消耗和切削加工要求，从而降低了产品成本。
图1是最佳锻造工艺流程示意图；
图2是原始工件的正视图；
图3是第一次非步进式锻造后的工件的正视图；
图4是步进式锻造完成后的工件的正视图；
图5是本发明的锻压设备的剖视图；
图6是图5的锻压没备的分解透视图；
图7是沿着图5中的7-7剖开的可动模的俯视图；
图8是沿着图5中的8-8剖开的可动模的剖视图；
图9是可动模退回的大型锻压机的正视图；
图10是如图9的锻压机其可动模接触工件时的正视图；
图11是锻成近终形形状的涡轮叶片的剖视图；
图1所示为本发明工艺的最佳实施方案。标号80为原始工件。原始工件可由任何可锻金属做成，例如钢、铝合金、铁基高合金钢、镍基高合金钢、或钛合金。原始工件的尺寸为这样：它含有足够的金属量使得在金属流向最终锻造形状之处能变形为最终锻造形状。原始工件的设计可采用任何已知的金属流动设计技术。对于本发明人尤其关心的轴对称陆基涡轮机圆盘，如图所示，其最终直径大约为70～96英寸，厚约为20英寸，其轴对称原始工件90为直径约31英寸、高约65～75英寸的圆柱体。原始工件90具有原始平面视图表面92，它为第一次锻制工序中锻模所接触的的工件端部的表面。
标号82，采用一 般非步进式锻造工艺对原始工件进行第一次锻造。在第一次锻造操作中，当进行变形时，锻模基本上覆盖整个平面视图表面92。锻模可以是闭合模具或开式模具，但最好是闭合模具。在第一次锻造中的锻模形状基本上是平的，虽然截面可能在其中部具有规定的形状。随着金属主要径向向外地流动，工件朝着最终所要求的形状变形。为了限定锻成的工件的形状，在第一次锻造操作82的范围内还有多个子工序和工件的再加热。模具最好将工件90的径向内部94变形为其最终形状。如图3所示的规定的轮毂部分。然而，不要试图将工件90的径向的外部部分96锻成其最终形状。如果第一次锻造为开式模具，则径向的外部部分96变形为有点象球形的形状，如图3所示，如果是闭合模具则为一个更固定的形状。要将工件径向的外部部分96锻成其最终形状往往是不可能的，因为锻压机具有的锻压能力不足以导致金属塑变成为所要求的近终形状。
第一次锻造82完成后，接着标号84为将用闭模锻造将工件进行步进式锻造。所需的步进式锻造设备和技术到目前为止还没有可用的，下面所论述的为本发明人研究的一种步进式锻压机和技术。在步进式锻压机中，锻模只接触工件90的平面视图表面的一部分。最理想的是大部分的锻制力都集中于工件90的径向的外部部分96的扇环部分上。虽然可能对径向的内部部分94有些锻造，但是径向的内部部分94相对受到很少的锻制力和变形。步进式锻造工序84完成时，如图4所示，工件被变形为近终形产品，该产品具有主要由工序82中锻成的径向的外部部分。这一方法是最佳的，但是现有的方法在其他条件下也是可行的，如用于限定径向的外部部分96的最终形状的工序82是步进式的，或者用于限定径向的内部部分的最终形状94的工序84是步进式的。
标号86，为对具有最终形状的产品进行热处理，这一步骤是可选择的，但最好有此步骤。
现有的将非步进式第一次锻造和步进式闭模锻造组合的工艺已被发展用于将大型复杂的工件锻造成近终形形状。这种工艺不是用来代替所有一般的锻造技术，因为它实施起来比一般非步进式锻造花费更昂贵。然而，因为锻压机的压制能力或其他原因的限制，一般锻造工艺不能获得最终锻造圆盘形状，所以本方法是实用的，而且可以获得那种大型锻件的近终形结构，并实现了在材料、切削加工和其他花费上的必然的节省。
如已指出的，步进式锻造设备已经被发展用于上述工艺和其他应用中。图5所示为具有固定模22和可动模24的锻压机20。下模所示为固定模22，而上模所示为可动模24，当然也可以相反地布置。由于工件安放在下模上，所以下模为固定模22。固定模22具有固定模面26，可动模24具有可动模面28。固定模面26和可动模面28沿着压力机轴线30相对，但彼此相隔一定距离。模具22和24通常最好为轴对称的，虽然它们的表面可能不是轴对称的并且可能代之以非步进式的特点。工件32被安放在模具22和24之间。
环形延伸壁形式的径向外部约束件34围绕工件的圆周延伸。模具22和24与环形延伸壁34限定了能全部容纳工件34的闭模工件容纳位置36，环形延伸壁34可以是与固定模22分离的环状圆环或与固定模22成为一体。从图5看，在开始锻造操作之前，工件可以接触环形延伸壁34的向内的表面38，也可以不接触环形延伸壁34的向内的表面38。在锻造过程中，工件32在平行于压力机轴线的方向上被压缩，并且由于金属的径向向外流动而产生径向扩展，直至接触到环形伸出墙34的向内的表面，这样就限制了工件32进一步的径向扩展。
这种在限定体积范围内的锻造是闭模锻造的本质，并成为优于开模锻造的重要优点。在闭模锻造中，金属向外径向地塑性变形，从而强制金属塑变成为模具和/或延伸壁所限定的形状。另一方面，在开模锻造中，金属径向向外的塑变没有受到约束，以致于金属在锻造时沿着抵抗力最小的路径向外径向地塑变而没有变形为所限定的形状，然而这方面对于生产近终形产品是必须的。因此，闭模锻造获得了开模锻造所不可能获得的结果，包括具有由锻模限定的表面形状的近终形结构。
图6所示为模具22和24，环形延伸壁34和工件32的局部剖视图。
可动模24在平行于压力机轴线方向上是可动的，并在锻压冲程中向固定模方向移动，如图5轴向的箭头所指的，并且以指定的方式绕着压力机轴线30旋转，如旋转箭头42所指的。(可动模也可在相反方向上移动)当可动模与工件32接触时，在锻压冲程方向上和旋转方向上的运动在某个时刻只能完成一个运动。因此这些运动是二者择一的，这将在下面论述。当可动模退回并不再与于工件32相接触时，轴向的运动和旋转运动可以是同时完成的。可动模24是由压进机构44移动的，这压进机构44提供两种运动40、42，下面将论述一种最佳方式。
固定模面26大体上是平的。也可以代之以一种仿制的形状。在锻造过程中，固定模面的平的或仿制的形状被压制到所面对的工件侧面上(图中工件的底面)。
在可动模上环形地设置，有两种形状类型。这些特征在图5-8中可以看出。特征之一是至少有一个扇形基准面区域46，最好至少有三个，只有三个最好，这些扇形基准面区域46基本上是平的并通常与垂直于压力机轴线30的工件平面平行。另一个特征是有相同数量的扇形块50，它们的上表面是平的或是仿形的，并且与工件平面48平行。如图8所示，那扇形块上表面52的平面是从基准面区域46朝着固定模面26，并沿着压力机轴线30纵向设置的。换句话说，扇形块50是突出在基准面区域46之上的。基准面区域46的数量是与扇形块50的数量一致的。
必须有至少一个扇形块50，如果有多于一个的扇形块，在可动模表面上这些扇形块最好与同样数量的基准面区域对称地设置。也就是说，如果存在两个、三个、四个或更多的扇形块，那么当从平面视图中看，它们应该是轴对称地布置，以尽量减少锻压机的不对称负荷。如果扇形块低于三个，则要考虑到扇形块的负荷将可能太高，并且压力机受到不对称负荷。对于本发明人所用的特大能力的压力机例如50,000吨压力机来说，要获得产品所要求的形状和结构、机器的使用寿命和稳定性、以及工人的安全，则考虑负荷不对称是很重要的。对于有三个以上的扇形块50，与扇形块对应的圆弧角相对越来越窄。因此它们趋向于以更象圆底形钢制沉箱一样咬入金属而不是通过锻造使金属变形，导致工件无效的塑性变形。这些理论和实践上的考虑导致将采用三个扇形块50和三个交错的基准面区域46(如图7所示)作为最佳选择，虽然采用更少的或更多的扇形块50的模面在一些情况下是可行的。
扇形块50绕着可动模面28间隔一定距离对称地配置，单个扇形块对应一个扇形角A。基准面区域46之一布置于每一扇形块50之间，而且相对一个基准面区域角C。所有扇形块角度A的总和，加上所用基准面区域角度C的总和为360°。
所夹的扇形块角度A最好大约为45°～65°之间。如果A实际上更小，则模具可能由于上述的圆底型钢制沉箱的作用而陷入到工件中。如果实际上更大，则模具变得更象普通的平的或仿形的模具，而且步进式锻造工艺的冲压能力的扭转力矩的作用将很小。角C由角A和扇形块的数量所确定。
图7和图8所示为扇形块50的几何形状。扇形块50是馅饼块状的，并且当如图7所示时，是环形的扇形块。在图8的剖视图中，扇形块50包括一个倾斜的扇形块侧面58，它位于扇形块50的上表面和基准面46之间。这些扇形块的侧面58也可以在图7的平面图中看到是相当窄的薄片。扇形块的侧面与扇形块的上表面成倾角D。倾角D最好大约为45°～60°。如果倾角D实际上比45°小，则扇形块的角度A实际上被扩大了，并且冲压能力的扭转力矩作用将降低。如果倾角D实际上比60°要大，则可观察到咬入或圆底型钢制沉箱的作用。在步进式锻造中将会出现褶皱和裂纹的缺陷，这将在下面论述到。这些缺陷一旦生成，就不能在后续锻造或其他操作中完全消除。工件32被安放在固定模22和可动模24之间以采用步进式锻造工序84或其他工序进行锻造。在第一次锻压冲程时，操纵压进机构使可动模面28在朝着固定模面26的方向上移动。工件在上面提到的压力状态下变形。压进机构反向，将可动模从与工件32接触状态中退回。操纵压进机构44以将可动模在一种转位运动中绕着压力机轴线旋转一些预定的值。选择旋转值与材料的性能、形状、所要求的限制和工件的尺寸有关。每次转位运动的旋转值要小于角A。材料越厚，转位旋转就越小。作为最佳情况，转位旋转值一般大约为40°～60°，在一种典型的情况下，有三个扇形块且角A为55°，则最佳的转位旋转值大约为40°。在旋转运动完成后，在第二次锻压冲程中，操纵压进机构44将可动模朝着固定模面26方向移动。工件变形后，压进机构将可动模24从与工件32的接触中退回。操纵压进机构以旋转可动模24。这些工序被重复多次以完成锻造。对于最佳情况：有三个扇形块、角A为55°、压力机转位旋转值为40°，要求三次锻造冲程的总和能完成一种变形。多次变形可以用于厚的锻件和工件材料强度高的锻件。在锻造过程中，工件通常处在高温状态中，而且在锻造操作中会冷却。在锻造操作中，每当需要时可以对工件进行再加热，以降低它的塑变应力和在工件中获得特定的微观结构。
上面的论述说明了普通形式的步进式锻压机适用于任何顶压式的加载装置。对于本发明人的申请所关心的是采用50,000吨闭模垂直锻压机用镍基高合金钢或钛合金钢锻造用于燃气轮机的大型叶轮。工件巨大的尺寸和巨大的锻压负荷导致对模具的压进机构的特殊考虑。
参看图9和图10，上支承板101是锻压机的运动部件。基面102由螺栓与上支承板固定，环103由螺栓与基面102固定，一个旋转支承板104旋转地固定于环103中。上模具连接装置105由螺栓与旋转支承板104固定。上模106，对应于上述的可动模24，由螺栓与上模连接装置固定。旋转支承板104被固定在一个定心夹具108中，该定心夹具可使旋转支承板104绕着压力机轴线30旋转并且可让旋转支承板104在环103中上下移动。定心夹具108防止旋转支承板104相对于压力机轴线30作径向地移动。
下支承板151支承着下模具152，对应于上述的固定模22，该模具包括一个下模具152和一个环孔154。下模具152和环孔154形成下模空空，工件可放置在该下模空腔中。
在退回状态中，图9压力机的开口位置，旋转工作台设置在固定于环103内部的支承板109上。这些支承板109可让旋转工作台在液压缸的作用下绕着压力机轴线30轻易地旋转，从而完成旋转转位运动。一种平稳可靠的、相对迅速的旋转运动得以实观从而提高了锻压机的生产能力并也使得当工件仍足够热时对热的工件进行快速锻造。上述方法使得即使在大型锻压机机构中也能实现旋转。
如图10所示，在当上模106与工件155接触的期间，旋转支承台104被向上推离支承板109并靠着基面102的上表面。旋转工作台104和基面102的摩擦接触限制了旋转。如图11所示，采用仿形模具例如模具106和153可以通过闭模锻造将工件锻造成为近终形形状。普通扁平锻造的靠模160一般被开模锻造配备为相应的平模，该平模被包覆在近终形锻造的模具162和最终切削加工的工件之上，该近终形模具配备为仿形模具106和153。在每一情况中任何多余的材料必须被切削加工掉以生产出最终产品。对于不论是近终形锻造还是扁平锻造来说，最终切削加工都是不可避免的。然而，最终切削加工对于近终形闭模锻造来说要比扁平锻造少的多。阴影区域表示超出从近终形锻件中所必须切削加工掉的而必须从扁平开模锻件中切削加工掉的多余材料，在这种情况中，大约为扁平锻件体积的30％。当工件由昂贵的镍基高合金钢制成时，例如在高速陆基燃气轮机的情况中，进料成本与多余镍基高合金钢材料的废料成本之间的差额可能占产品总成本的较高的比例，如约为10～20％或更多。因此本技术方法可得到在材料成本中的一个可变的成本节约，和一个固定的成本节约，即可在比其它情况下较低的压力下锻造的工件。
用镍基高合金钢制造如涡轮叶片的产品，一般要在工件处在高温时进行。例如要锻造用于陆基涡轮机的大型叶片，其最终叶片的直径为70～96英寸，重逾15,000磅，由镍基高合金钢如Inconel706制造，工件要在加热炉中加热至其固熔温度之上，一般为1825°F。再结晶工件被转移到锻压机中，然后锻造工件。工件经一段时间冷却到固熔温度，然后低于固熔温度。当工件冷却时，所需的锻压力增加，并且其塑变应力也增加，但是步进式锻制工艺使得锻制能继续进行下去。最终步进式锻制冲程最好在固熔温度之上约为1750°F时进行，以获得相对小的晶粒尺寸ASTM3～5。金相研究表明用步进式锻压机和如图1所示的工艺所得的金相结构与用一般锻制和热处理工艺(但该方法不能成功地对本文最关心的十分大型的工件进行锻制)基本上一样。上面的论述特别针对Incnel706，本发明采用的一种优选材料。对于其他材料，则可能需要其他的工艺，属于本发明的范围之内。
虽然本发明结合了特定的实施例予以描述，但可以作出各种各样的改进和提高而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明并不局限于的权利要求书。