碗型薄壁件的偏心成形装置及方法技术领域
本发明涉及材料加工工程金属塑性成形技术领域，特别涉及一种碗型薄壁件的偏
心成形装置及方法。
背景技术
碗型薄壁回转体零件在航空航天等领域有着重要应用。基于金属在室温下塑性
差、强度高，弹性模量小，导热率低，变形抗力大等特点，使得这类零件成形吨位大，金属回
弹严重，壁厚控制困难，对生产设备要求高。因此就目前而言，此类零件多采用自由锻成形，
零件加有较大余量，材料被大量浪费，后续机加工费用昂贵。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种低载荷、成形精准的碗型薄壁件的偏心
成形装置及方法。
实现本发明的技术方案如下：
碗型薄壁件的偏心成形装置，包括水平放置的凹模，以及处于凹模上方呈倾斜布
置的凸模，所述凸模的轴心线与凹模的轴心线之间形成夹角γ，所述凹模、凸模围绕各自的
轴心线自转，所述凹模的轴心线与凸模的轴心线之间具有偏移距离L，所述凸模沿着偏移距
离L后的竖直轴线与凹模进行下降合模或上升分模运动；当凸模下降与凹模靠近合模时，凸
模下方处于凹模模腔中并配合对模腔中的预制坯进行局部接触连续成型加工。
所述凹模的轴心线与凸模的轴心线之间具有偏移距离L为1—200mm。偏移距离L越
大，成形载荷越小。
碗型薄壁件的偏心成形方法，包括如下步骤，
S1，将圆棒分段锯成饼坯；
S2，对饼坯进行加热到锻造温度并进行1—4小时的保温；
S3，将饼坯在预制模具中制成锥形预制坯；
S4，将锥形预制坯水平放置于凹模中，锥形预制坯的锥形部分处于上方，凹模绕自
身的轴心线进行转动，凸模沿着与凹模轴心线偏移距离L的竖直轴线方向下降与凹模进行
合模；待凸模与锥形预制坯接触后，凹模带动预制坯绕凹模轴心线旋转，预制坯带动凸模沿
其轴心线进行旋转，以对预制坯进行局部接触连续成型加工获得碗型薄壁件；预制坯在成
型过程金属做螺旋线运动，有利于预制坯金属的径向和弦向流动，以保证精准成形以及避
免对金属组织的破坏。
S5，成形结束后，凸模上升复位，将成形的碗型薄壁件从凹模中取出，再经过精加
工，便获得碗型薄壁件成品。
所述锥形预制坯是上表面为平面，上部周围形成锥面的锥形体。在连续局部加载
成形过程中，凸模与工件接触区更易发生弦向和径向金属塑性变形，容易出现“蘑菇效应”，
即加工过程中工件上方容易出现蘑菇头的形态，导致成形精度差的问题；而将饼坯预制成
锥形坯能使轴向、弦向和径向流动速度均衡，避免“蘑菇效应”；同时凸模与坯料开始接触阶
段接触面积减小，有利于减小模具与工件坯料间的摩擦，提高模具寿命。
所述凸模下降合模的进给量为2—20mm/rad。避免因凸模进给量较大大，需要增加
克服金属变形阻力所需的大载荷。
获得的碗型薄壁件的外径与壁厚比值为10—40。
采用了上述技术方案，即连续偏心局部加载成形，实现了低载荷条件下的大型碗
型薄壁件精确成形。连续偏心局部加载成形指的是：在成形过程中，凸模轴心与凹模轴心偏
移一定距离后互成一定夹角，凸模与工件形成的投影面局部接触，凸模、凹模和坯料自转使
得局部接触区域不断发生变化；当接触区旋转一周，即完成一个加载卸载周期，通过多个周
期循环加载，从而实现工件整体成形。就其特点而言，单边余量可控制在1—4mm，极大地提
高了材料利用率，降低了生产成本，提高了零件成形精度，其成形载荷仅为传统方法的1/
15—1/30，为普通连续局部加载方法的1/2—1/5；并且能细化晶粒，具有优异的性能。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明专利采用了连续偏心局部加载方法，能够实现额定载荷1600t压机上生
产开口直径500—1500mm的薄壁碗型件，成形载荷仅是传统工艺的1/15—1/30，是普通连续
局部加载方法的1/2—1/5。
(2)本发明制备的薄壁碗型件的尺寸精确，单边余量控制在1—4mm，解决了因回弹
严重而导致的壁厚难控制的技术难题，尤其适合生产钛合金、合金钢类大型碗型薄壁件。
(3)本发明的方法适用于大口径(500—1500mm)薄壁碗型件的制备，成形过程中有
较大的变形量，能有效细化晶粒，并且能够避免大变形时出现的裂纹、折叠、过热等缺陷。
附图说明
图1为本发明的偏心成形装置结构示意图；
图2为本发明中锥形预制坯的结构示意图；
图3为本发明成形的预制坯在偏心成形装置中变形量30％时的状态示意图；
图4为本发明方法获得30CrMnSiA合金钢碗形薄壁件的高倍组织图。
附图中，1为凸模，2为模腔，3为碗型薄壁件，4为凹模，5为顶杆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发
明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术
人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，碗型薄壁件的偏心成形装置，包括水平放置的凹模4，以及处于凹模
上方呈倾斜布置的凸模1，凸模的轴心线与凹模的轴心线之间形成夹角γ，夹角γ可以为
3°—12°区间内进行选择，凹模、凸模围绕各自的轴心线自转，凹模的轴心线与凸模的轴心
线之间具有偏移距离L，凸模沿着偏移距离L后的竖直轴线与凹模进行下降合模或上升分模
运动；当凸模下降与凹模靠近合模时，凸模下方处于凹模模腔中并配合对模腔2中的预制坯
进行局部接触连续成型加工。凹模的轴心线与凸模的轴心线之间具有偏移距离L为1—
200mm。凸模的旋转速度在30-100rad/min区间进行选择。
碗型薄壁件的偏心成形方法，包括如下步骤，
S1，将圆棒分段锯成饼坯；
S2，对饼坯进行加热到锻造温度并进行1—4小时的保温；
S3，将饼坯在预制模具中制成锥形预制坯；
S4，将锥形预制坯水平放置于凹模中，锥形预制坯的锥形部分处于上方，凹模绕自
身的轴心线进行转动，凸模沿着与凹模轴心线偏移距离L的竖直轴线方向下降与凹模进行
合模；待凸模与锥形预制坯接触后，凹模带动预制坯绕凹模轴心线旋转，预制坯带动凸模沿
其轴心线进行旋转，以对预制坯进行局部接触连续成型加工获得碗型薄壁件3；
S5，成形结束后，凸模上升复位，将成形的碗型薄壁件从凹模中取出，再经过精加
工，便获得碗型薄壁件成品。
所述锥形预制坯是上表面为平面，上部周围形成锥面的锥形体。
所述凸模下降合模的进给量为2—20mm/rad。
获得的碗型薄壁件的外径与壁厚比值为10—40。
下面结合具体实施方式，对本发明进行描述。
实施方式一：本发明方案在国内现有的1600吨液压机设备上，采用连续偏心局部
加载方法，成功制备了直径为700mm、高度130mm，壁厚为20mm的碗型薄壁件。碗型薄壁件材
料为TC4，目前已实现了批量生产。该碗型薄壁件具体工艺如下：
1)凸模的轴心线与凹模的轴心线之间形成夹角γ，凸模的轴心线与凹模轴心线偏
移距离为100mm，凸模与凹模均能绕自身轴心线旋转。
2)将TC4棒料分段据成φ300mm×142mm的饼坯。
3)将饼坯加热到910℃(该批TC4棒料相变点为1000℃)，保温2h。
4)加热后饼坯转移至预制模具中制得锥形预制坯；
5)锥形预制坯转移至凹模型腔，启动电机，凸模与凹模靠近合模，凸模与预制坯局
部接触后以10mm/rad的进给量从动旋转直至成形，最后顶出碗型薄壁件锻坯。
6)成形后的锻坯通过精加工，得到碗型薄壁件成品。
此碗型薄壁件的成形精度高，碗型薄壁件单边余量为2—3mm；成形载荷小，成形载
荷在600—700t，为传统工艺载荷的1/25左右。
实施方式二
采用连续偏心局部加载方法，制备直径为560mm、高度150mm，壁厚为18mm的碗型薄
壁件。碗型薄壁件材料为30CrMnSiA，目前已实现了批量生产。该碗型薄壁件具体工艺如下：
1)凸模的轴心线与凹模的轴心线之间形成夹角γ，凸模的轴心线与凹模轴心线偏
移距离为70mm，凸模与凹模均能绕自身轴心线旋转。
2)将棒料分段据成φ250mm×130mm的饼坯。
3)将饼坯加热到1050℃，保温2h。
4)加热后饼坯转移至预制模具中制得锥形预制坯；
5)锥形预制坯转移至凹模型腔，启动电机，凸模与凹模靠近合模，凸模与预制坯局
部接触后以15mm/rad的进给量从动旋转直至成形，最后顶出碗型薄壁件锻坯。
6)成形后的锻坯通过精加工，得到碗型薄壁件成品。
此碗型薄壁件的成形精度高，碗型薄壁件单边余量为1.5mm左右；成形载荷小，成
形载荷在350—480t，为传统工艺载荷的1/20左右；30CrMnSiA合金钢的晶粒度达到9级以
上，如图4所示。