近净成形手艺发力 本国大型关键件模锻临盆实现“三化”

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5月15日,机械总院承担的863计划“节能、节材精确锻造成形工艺及装备研制”课题验收会在燕山大学召开。会议由科技部高技术中心陈智立处长主持,燕山大学孔祥东副校长、机械总院杜兵副总师、北京机电研究所钟志平副总师及课题组相关人员参加了会议。

近净成形手艺发力 本国大型关键件模锻临盆实现“三化”。锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备。锻压机械包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机,以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。

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课题开发了高强度紧固件精密冷镦成形、车轮旋转辗锻精密成形工艺、长轴类变壁厚管件精密快捷成形、多向模锻液压机的结构设计4项关键技术,研制了新型钛合金紧固件冷镦模具、3500kN旋转辗锻压力机及长轴类变壁厚管件成形装备,建立了4个试验基地。

锻压机械主要用于金属成形,所以又称为金属成形机床。锻压机械是通过对金属施加压力使之成形的,力大是其基本特点,故多为重型设备,设备上多设有安全防护装置,以保障设备和人身安全。

大型关键件模锻工艺技术专项素描
作为数控机床专项的重要内容之一,大型关键件模锻工艺技术的课题研究,重点围绕大型航空模锻件热模锻近净成形技术,结合正在建设的800MN大型模锻压机,开发出航空复杂精密锻件的近净成形新技术,解决了大型模锻工艺基础共性技术和关键技术问题。
重大突破
课题突破了大型钛合金、铝合金锻件的整体成形技术,在航空用典型钛合金、铝合金、高强钢的基础数据测试,锻造成形过程的无网格法模拟技术研究,钛合金典型结构件成形过程润滑防护技术研究,模锻工艺数据库/知识库研究开发等方面取得了显著成绩。
应用前景
课题成果将广泛应用于大型、整体、精细、优质、低成本、长寿命的模锻件产品的研发,为我国大型飞机提供关键件制造基础。目前,研究成果已经成功运用在飞机的模锻件制造上,每年为中国二重带来近1亿元的产品订货。
大型模锻件的生产能力及水平对国家航空、航天、电力、石化行业发展具有举足轻重的作用,也是国家制造能力的重要体现之一。采用大型化、整体化、精细化的大型模锻件,可以满足先进装备高可靠性、长寿命的要求。
由中国第二重型机械集团公司承担的大型关键件模锻工艺技术课题研究日前取得了重大进展。课题重点研究的钛合金整体框锻件近净成形技术,有效地解决了原有飞机框梁构件焊接组装过程中的加工周期长、废品率高、生产效率低下、制造成本高的难题。在国内首次采用整体制坯、整体模锻的形式,完成了钛合金整框的模锻件制造,对提高整机的技术水平具有明显的效果。
大型模锻件基础工艺水平提升
在数控机床专项支持下,大型关键件模锻工艺技术课题组以中国二重为组长,联合北京航空航天大学、西北工业大学、北京航空材料研究院、机械科学研究总院,通过产学研用相结合的形式,开展课题研究。
课题在实施过程中,针对涡轮盘、整体框热模锻过程中的共性技术问题,开展大型高温合金、钛合金热模锻工艺研究,包括模具与工具设计、锻造工艺参数对组织性能的影响、热处理参数对组织性能的影响、模锻润滑技术以及大尺寸复杂形状预制坯的制坯工艺及组织性能控制研究等。
通过研究,课题突破了大型高温合金、钛合金、铝合金锻件的整体成形技术,尤其是在飞机的整体框型锻件的锻造中,在国内第一次采用整体制坯、整体模锻的形式完成了钛合金整框的模锻件制造,提高了国产钛合金大锻件的制造工艺技术和水平。
攻克三大技术难题 在研制过程中,课题组重点攻克了以下难题:
大尺寸复杂形状预制坯的制坯工艺。通常情况下液压机的单型腔一次成形,使多数的成品模锻件都要先进行预制坯。预制坯的形状、尺寸精度和终锻成品件的形状、尺寸精度关系密切,不正确的预制坯设计和制坯工艺会导致模锻件充不满,毛边过大,甚至出现折伤、裂纹等缺陷,严重影响产品质量和成本,对难变形合金则更为严重。针对整体框模锻件数值模拟等方法,发现初始工艺的不足,并避免成形缺陷,确定合理的锻件图、初始坯料图,成形道次数以及各道次的模具与坯料形状尺寸等,确保研究目标的实现。
模锻锻造组织性能控制研究。锻造过程中火次、变形量、锻造温度等对组织性能、晶粒度、流线的影响很大。超大型框锻件生产要经过反复地镦拔、预锻、终锻、校形、热处理等工序,加热与变形次数多。坯料热锻有两个目的,即成形和改性,分别是宏观变形过程和微观组织演化过程。深入理解并科学表征材料在宽泛的变形条件下微观演变与流变行为的宏微观动态耦合作用及内在机制,并识别获取材料的最佳变形区间,对优化材料的热加工工艺参数、改善材料的加工性、控制组织及避免缺陷的产生具有重要指导作用。课题组的研究旨在利用先进的热模拟等物理测试手段,通过不同工艺状态下的高温流变特性差异的研究,建立典型的钛材料热加工性能基础数据库,结合物理实验与多尺度建模理论,建立材料热塑性变形过程微观组织的状态及其演化与材料热加工宏观性能之间的关系,模拟锻造过程的组织演变规律,进行微观组织预测仿真优化预制坯和锻造成形工艺,达到锻件组织均匀性控制。
模锻过程保温技术研究。为了减少原材料的消耗和机械加工量,促进金属较好成形,提高金属制品质量,根据模锻的需要,在不同加热温度范围内均要寻找合适的防护润滑剂,特别是针对大薄腹板、高筋类锻件,防护润滑剂和保温的解决已成为制约这些大型锻件能否顺利成形的一个关键因素。通过大量的研究,课题研究明确了保温、润滑对产品成形和组织性能的作用,形成了以玻璃润滑粘接剂和包覆材料实现保温的研究成果。目前,该课题研究成果为800MN大型模锻压机提供了生产工艺指导,解决了大型模锻工艺基础技术和关键技术问题,使我国近净成形技术达到国际先进水平;为使用800MN大型模锻压机制造出大型、优质、整体的大型模锻件奠定了良好基础。

会上,北京机电研究所钟志平副总师汇报了课题完成情况,专家审查了相关验收资料,进行了现场调研,经过质询讨论,专家认为该课题完成了课题任务,满足考核指标要求,在钛合金紧固件冷镦杆部缩径与头部镦锻同步成形工艺、铝合金车轮旋转辗锻装备高可靠性结构设计、汽车后桥车轴一次成形工艺及装备及重型多向模锻液压机预应力钢丝缠绕结构设计等方面取得创新性成果,应用效果良好,一致同意课题通过验收。

人们为了制造工具,最初是用人力、畜力转动轮子来举起重锤锻打工件的,这是最古老的锻压机械。14世纪出现了水力落锤。15~16世纪航海业蓬勃发展,为了锻造铁锚等,出现了水力驱动的杠杆锤。18世纪出现了蒸汽机和火车,因而需要更大的锻件。

1842年,英国工程师内史密斯创制第一台蒸汽锤,开始了蒸汽动力锻压机械的时代。1795年,英国的布拉默发明水压机,但直到19世纪中叶,由于大锻件的需要才应用于锻造。

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