薄壁环锻件热处理变形模具设计研究
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摘要：针对薄壁环锻件热处理过程中易发生变形问题，设计了组合式的防变形模具，热处理前将锻件放入模具，并置于热处理框中，有效解决锻件热处理变形的难题。实践证明，该组合模具不仅能够防止薄壁环锻件热处理变形，还能用于一定尺寸范围的薄壁环锻件生产。模具适用性好、结构简单、使用方便，可为类似锻件的预防热处理变形提供参考。
关键词：薄壁环锻件；热处理；变形；模具设计；应力
引言
轧制成形的薄壁环锻件，热处理过程中，由于材料发生相变、内应力释放等原因，热处理后锻件容易发生变形[1]。图1所示为薄壁环锻件结构，材料为GH141，内径ϕ1567mm，壁厚50mm，高度200mm，环锻件圆柱度为2mm。环锻件热处理后发生变形，不能满足圆柱度2mm要求。设计一副组合式的防变形模具，预防锻件热处理后变形，适用于内径ϕ1200～ϕ1900mm的环锻件生产。
1模具的工作环境与使用要求
轧制成形的模具需与制件同炉加热，且因生产的需求模具需反复加热使用[2]；模具加热冷却时会图1薄壁环锻件结构发生热胀冷缩现象，故成形薄壁环锻件的模具结构必须保证模具在加热冷却时不发生松动，保证锻件的成形质量[3]。不同锻件的尺寸不同，所需的模具也不一样，如果针对不同尺寸锻件都设计专用的模具，会给模具的库存和制造成本带来巨大压力；设计通用的模具，适应不同尺寸锻件的生产需求，经济效益明显提高。
2模具设计要点
2.1材料选择
模具材料的选择需根据锻件热处理及加热温度确定；材料选择参考GB/T8492标准，按照薄壁环锻件特点，需选择可在1200℃以上工作的模具材料，为保证模具工作过程中所有零件的热胀冷缩一致，所有模具零件采用同种材料制造。
2.2支架与固紧方式结构设计
模具工作时，模具与锻件同时放在热处理框中，由料框支撑锻件与模具进行加工生产。锻件成形过程中，加热冷却时会发生热胀冷缩现象，为保证模具紧固的稳定可靠，支撑的悬臂、紧固的楔子采用同种材料制造，并且紧固零件需保证在多次反复加热冷却、表面发生氧化后仍能正常使用[4，5]。根据薄壁环锻件的结构特点，模具结构设计如图2所示，模具的支架1加工成环状，将支撑制件的悬臂2用楔子3固定于支架1上，悬臂2与制件4用燕尾槽连接，调整悬臂2的位置即可获得特定尺寸的模具。悬臂2与制件4的支撑接触可采用线接触；为保证锻件的圆柱度，避免多边形产生，模具采用6~8根悬臂。生产时，先将模具的悬臂调整至锻件内径尺寸，然后将锻件置于热处理框中，再将模具置于锻件内，最后将锻件、模具与热处理框同时放入热处理炉中进行热处理；锻件受热时因热胀冷缩变形，此时悬臂受径向力的作用，而由于楔子的紧固作用，悬臂保持原状，达到防止锻件变形的目的。楔子的紧固方向应与悬臂受力方向相同，模具工作状态如图3所示。
2.3支架与悬臂尺寸设计
支架和悬臂是预防模具变形的重要组成部分，其尺寸根据锻件尺寸而定，经分析，需使用模具防止热处理变形的锻件尺寸直径在ϕ500~ϕ1800mm，而直径在ϕ1200~ϕ1800mm的锻件数量较多，因此针对直径为ϕ1200mm~ϕ1900mm的锻件设计相应的组合预防模具变形。支架直径为ϕ1000mm的结构如图4所示。考虑紧固的需要，支架壁厚取50mm；锻件的高度在50~200mm，支架高度设计为200mm。虽然热处理变形对悬臂产生的力不能计算，但支架壁厚为50mm大于需热处理的锻件的壁厚，可以保证支架不会因受制件变形力而变形。支撑悬臂的位置需根据锻件的尺寸进行调整，其长度受支架尺寸的限制。如图5所示，为保证锻件的正常生产，悬臂长度取500mm，厚度取40mm。悬臂的支撑部分设计为弧形，与锻件为线接触。对内径不规则的锻件，悬臂支撑部分与锻件可设置为点接触，但应保证紧固稳定，否则应设计专用悬臂进行生产。2.4模具零件热处理要求模具零件用铸造方法制造而成，并按GB/T8492推荐的退火温度退火后使用；用锻造方法制造的模具零件按GB/T1221推荐的热处理工艺处理后使用。
3结束语
采用薄壁环锻件预防热处理变形模具生产的锻件有效解决锻件热处理过程中的变形问题。实践证明，该组合式模具不仅能够防止薄壁环锻件热处理变形，还能用于一定尺寸范围的薄壁环锻件生产。该模具适用性好、结构简单、使用方便，可为类似锻件的预防热处理变形提供参考。
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作者：杨良会 吴永安 谢撰业 王华东 冯晓川 单位：贵州航宇科技发展股份有限公司