用于制造鍛造和機(jī)械加工部件的工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用開式模鍛和閉式模鍛以及機(jī)械加工的組合制造鍛造部件的工藝。該工藝包括步驟：對錠進(jìn)行初軋，以兩個步驟鐓鍛初軋坯以形成預(yù)制件，在鍛錘上閉式鍛造預(yù)制件，粗機(jī)械加工，熱處理，半精加工和最終精加工部件。本發(fā)明可應(yīng)用于在多種行業(yè)中使用的任意鍛造部件，特別是由大型錠形成的那些鍛造部件。本發(fā)明對安全和應(yīng)用關(guān)鍵部件特別有用，諸如在油和天然氣工業(yè)中使用的液力端。利用本發(fā)明的工藝，最終部件的形狀和尺寸的55％至60％通過鍛造實(shí)現(xiàn)，而剩余的40％至45％通過機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)。在開式模鍛階段和機(jī)械加工階段之間引入閉式模鍛階段導(dǎo)致約27％的材料減少和大于60％的機(jī)械加工時間的減少。
【專利說明】用于制造鍛造和機(jī)械加工部件的工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的【技術(shù)領(lǐng)域】大致涉及部件制造。特別地，本發(fā)明涉及一種工藝，該工藝將機(jī)械加工和鍛造技術(shù)組合以提高制造工藝的生產(chǎn)率。
【背景技術(shù)】
[0002]在石油和天然氣工業(yè)中，海上和陸上鉆井被確定為焦點(diǎn)領(lǐng)域。由于頁巖天然氣的新發(fā)現(xiàn)和定向鉆井的新技術(shù)，對鉆井設(shè)備的要求急劇增加，特別是安全和應(yīng)用關(guān)鍵設(shè)備。為了滿足這種對安全和應(yīng)用關(guān)鍵部件的需求的增長，制造工藝的生產(chǎn)率提高和創(chuàng)新是必要的。
[0003]包括油和天然氣工業(yè)的許多工業(yè)使用安全和應(yīng)用關(guān)鍵部件。數(shù)十年來，許多這些部件使用傳統(tǒng)的制造工藝(即，開式模鍛，隨后機(jī)械加工)被制造。在這些方法中，錠被初軋為還，隨后進(jìn)行部件的鋸切、粗定尺寸(rough sizing)、粗機(jī)械加工、熱處理、半精機(jī)械加工和精機(jī)械加工。
[0004]簡言之，現(xiàn)存的制造方法是“開式模鍛、機(jī)械加工和熱處理”的組合。在這種工藝中，10 %至15 %的形狀形成通過開式模鍛實(shí)現(xiàn)，剩余的85 %至90 %的形狀通過機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)存的工藝導(dǎo)致約40%的材料利用率，因此導(dǎo)致從初軋坯到精加工零件約60%的材料浪費(fèi)。應(yīng)該注意，所述初軋坯通過開式模鍛形成，其為粗成形并定尺寸至用于機(jī)械加工的矩形塊。
[0005]在這種部件的批量生產(chǎn)中，利用傳統(tǒng)的制造方法，大量的原材料浪費(fèi)，其導(dǎo)致大量的機(jī)械加工時間和低的產(chǎn)量。重要的是將近凈成形輸入至機(jī)械加工，以建立鍛造和機(jī)械加工工藝之間的正確的平衡，以有效地利用材料和機(jī)械加工時間，這導(dǎo)致這種零件的提高的生產(chǎn)率，而不會降低期望的機(jī)械性能和比強(qiáng)度。
[0006]對現(xiàn)存的鍛造方法回顧顯示出以下的技術(shù)差距，諸如在制造零件的鍛造階段缺少對設(shè)計和制造工藝的正確組合。例如，專利US6032507陳述到“小的復(fù)雜形狀的金屬零件的鍛造是困難的。這種零件可通過熱鍛造工藝生產(chǎn)。但是，由于多種原因，這些工藝是不完全令人滿意的，包括熱鍛造工藝導(dǎo)致大量的飛邊(多余的材料)形成在零件上。這種飛邊必須通過諸如磨削的機(jī)械加工操作而移除，其增加了生產(chǎn)精加工零件的成本和難度。進(jìn)一步地，熱鍛造工藝?yán)霉ぜ牧系男实停驗轱w邊是浪費(fèi)材料。相應(yīng)地，通過鍛造工藝而不是熱鍛造生產(chǎn)這種零件是可取的?！睂＠鸘S6032507提供了閉式模具組的陰模，和利用陰模的近凈熱鍛造零件的方法，其可被用于在工件不適合于陰模的模腔時制造零件。這些陰?？杀挥糜趥鹘y(tǒng)的閉式模具組中與傳統(tǒng)的鍛造組合，以近凈熱鍛造零件。
[0007]但是，熱鍛造工藝是經(jīng)濟(jì)的，且仍然眾所周知。因此有需要提供一種熱鍛造制造工藝，其中鍛造被更改為近凈成形以增大材料利用率，從而在不降低最終零件規(guī)格的情況下提高產(chǎn)量并減少材料浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]因此，本發(fā)明的一個目的在于在有效利用材料的情況下提供安全和應(yīng)用關(guān)鍵部件。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的在于提供制造該部件的方法。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種優(yōu)化的“初軋坯”，其尺寸為閉式模鍛所需要的。這降低了材料的浪費(fèi)。
[0010]本發(fā)明的另一目的在于提供近凈成形鍛造，從而增大利用閉式模具方法的鍛造的材料利用率。
[0011]本發(fā)明的另一目的在于提供用于所述近凈成形鍛造工藝的鍛模設(shè)計。
[0012]本發(fā)明的另一目的在于提供使用閉式模鍛由初軋坯制造近凈成形預(yù)制件的方法。
[0013]本發(fā)明的又一目的在于提供用于所述近凈成形鍛造的機(jī)械加工設(shè)計和工具路徑
產(chǎn)生程序。
[0014]本發(fā)明公開了一種使用開式模鍛和閉式模鍛以及機(jī)械加工的組合制造鍛造部件的工藝。該工藝包括步驟:對錠進(jìn)行初軋，以兩個步驟鐓鍛初軋坯以形成預(yù)制件，在鍛錘上閉式鍛造預(yù)制件，粗機(jī)械加工，熱處理，半精加工和最終精加工部件。本發(fā)明可應(yīng)用于在多種行業(yè)中使用的任意鍛造部件，特別是由大型錠形成的那些鍛造部件。本發(fā)明對安全和應(yīng)用關(guān)鍵的部件特別有用，諸如在油和天然氣工業(yè)中使用的液力端(fluidend)。以下描述基于這種典型的液力端。利用本發(fā)明的工藝，最終部件的形狀和尺寸的55%至60%通過鍛造實(shí)現(xiàn)，而剩余的40%至45%通過機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)。在開式模鍛階段和機(jī)械加工階段之間引入閉式模鍛階段導(dǎo)致約27%的材料減少和大于60%的機(jī)械加工時間的減少。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1示出了傳統(tǒng)的開式模部件制造方法
[0016]圖2示出了本發(fā)明的方法
[0017]圖3示出了閉式模鍛工藝的3D CAD模具模型
[0018]圖4示出了在鍛造工藝中使用的閉式模具的開槽部分的視圖
[0019]圖5示出了在閉式模鍛工藝中使用的切邊工具
[0020]圖6示出了由本發(fā)明的典型工藝實(shí)現(xiàn)的近凈成形鍛造(模擬與實(shí)際)
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明可應(yīng)用于在多種行業(yè)中使用的任意鍛造部件，特別是由大型錠形成的那些鍛造部件。本發(fā)明對安全和應(yīng)用關(guān)鍵的部件特別有用，諸如在石油和天然氣工業(yè)中使用的液力端。以下的說明書基于這種典型的液力端。
[0022]圖1示出了制造鍛造部件的傳統(tǒng)工藝的流程圖。圖2示出了本發(fā)明的制造鍛造部件的工藝的流程圖。已經(jīng)注意到，目前的鍛造工藝不允許容易地鍛造近凈成形。將部件從初軋階段導(dǎo)引至半精加工階段的鋸切、粗定尺寸、粗機(jī)械加工和熱處理階段涉及大量的材料和能量的浪費(fèi)。
[0023]另一方面，本發(fā)明的工藝包括以下階段:
[0024]-對錠進(jìn)行初軋
[0025]-以兩個步驟進(jìn)行鐓鍛
[0026]-在鍛錘上閉式鍛造[0027]-粗機(jī)械加工
[0028]-熱處理
[0029]-半精加工
[0030]-精加工
[0031]如圖2中所示，對錠進(jìn)行初軋產(chǎn)生初軋坯。初軋坯在將其經(jīng)受閉式模鍛之前被鐓鍛。鐓鍛以兩個步驟執(zhí)行(在4000t的液壓機(jī)上)。在第一次鐓鍛后獲得的預(yù)制件在執(zhí)行第二次鐓鍛之前被轉(zhuǎn)動90°。該鐓鍛工藝確保所需尺寸的預(yù)制件和閉合模鍛的優(yōu)化輸入。這進(jìn)一步確保產(chǎn)生的飛邊最少，并且模具上的側(cè)向負(fù)載被減小，從而使模具性能提高。這有助于在鍛錘上的閉式模鍛以后產(chǎn)生近凈成形部件。然后，閉式模鍛部件經(jīng)受粗機(jī)械加工，隨后熱處理、半精加工和精加工，以產(chǎn)生最終部件。
[0032]圖3-6示出了用于本發(fā)明在鍛造部件的工藝中引入的閉式模具錘鍛步驟的典型3-D CAD閉式模具模擬模型的結(jié)果。利用迭代模擬方法，用于鍛造和機(jī)械加工的多個制造原理使用虛擬制造技術(shù)被評估以優(yōu)化零件幾何形狀、鍛造設(shè)計和制造工藝。鍛造工藝使用3D金屬流動模擬優(yōu)化，機(jī)械加工工藝使用CAM模擬優(yōu)化?；谀M結(jié)果，最優(yōu)的制造方法論被開發(fā)用于制造諸如在油和天然氣工業(yè)中使用的液力端之類的部件。這通過在傳統(tǒng)方法使用的開式模具和機(jī)械加工工藝之間增加閉式模鍛階段而實(shí)現(xiàn)。
[0033]然后，近凈成形部件(液力端)被粗機(jī)械加工，以移除鍛造的液力端的四個側(cè)面上的拔模斜度(draft)。該步驟隨后為按照具體要求鉆孔或鉸孔。隨后，液力端使用優(yōu)化周期時間進(jìn)行熱處理，以實(shí)現(xiàn)期望的冶金性能。在熱處理后，執(zhí)行半精機(jī)械加工和精機(jī)械加工以實(shí)現(xiàn)最終形狀和尺寸。
[0034]重要的是理解近凈成形的最優(yōu)化的重要性。許多近凈成形可能作為用于生產(chǎn)特定部件的起點(diǎn)。但是，部件的最終形狀以及工具類型和尺寸可能使許多近凈成形實(shí)際上不能使用。因此，近凈成形的最優(yōu)化尋求達(dá)到的這種近凈成形:該近凈成形將提供材料的最少浪費(fèi)和也實(shí)現(xiàn)最快的機(jī)械加工、粗定尺寸過程同時完成最終部件。本工藝加入近凈成形的這種最優(yōu)化的步驟。
[0035]本發(fā)明的另一關(guān)鍵方面在于，閉式模鍛工藝被設(shè)計為根據(jù)液力端精加工機(jī)械加工輪廓提供槽，以實(shí)現(xiàn)近凈成形鍛造。提供有槽的閉式模鍛工藝的3D CAD模具模型在圖3中示出，而圖4示出了開槽部分的爆炸視圖。
[0036]應(yīng)該注意，在本發(fā)明的工藝中，開式模鍛在4000噸的液壓機(jī)上執(zhí)行(開式模具工藝)，閉式模鍛工藝在80公噸的對擊鍛錘上執(zhí)行，粗機(jī)械加工工藝在SHW-6195上執(zhí)行，精加工加工在TREVISAN上執(zhí)行。
[0037]現(xiàn)在本發(fā)明的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)將借助示例被例示。
[0038]示例:
[0039]所述坯被軋制并按照具體要求從M27槽錠被熱切割為多個矩形塊。九個工件全部從M27槽錠生成。
[0040]在閉式模鍛前，對初軋坯執(zhí)行緩慢冷卻和退火，從而確保晶粒的各向異性狀態(tài)。然后，退火的初軋坯在燃油爐中被加熱至1280°C。加熱的坯最初在4000噸的液壓機(jī)上被鐓鍛兩次；第二次鐓鍛與第一次鐓鍛相比處于90°旋轉(zhuǎn)位置。然后，在對擊鍛錘上的兩個模具半部之間以800KJ的預(yù)定能量并通過將每次打擊的打擊效率和打擊之間的保壓時間至一水平來閉式模鍛所鐓鍛的預(yù)制件，以實(shí)現(xiàn)期望的形狀和尺寸。使用如圖5中例示的切邊工具來切除飛邊。隨后進(jìn)行粗機(jī)械加工以移除所鍛造的液力端的四個側(cè)面上的拔模斜度，并按照具體要求鉆孔。隨后，液力端使用優(yōu)化的周期時間被熱處理，以實(shí)現(xiàn)期望的冶金性能。在熱處理后，執(zhí)行半精機(jī)械加工和精機(jī)械加工以實(shí)現(xiàn)最終形狀和尺寸。
[0041]通過使用本發(fā)明的工藝實(shí)現(xiàn)的輸入材料和機(jī)械加工時間的節(jié)省在表1和表2中列出。
【權(quán)利要求】
1.一種制造鍛造和機(jī)械加工部件的工藝，其特征在于，所述工藝包括作為中間步驟的使用閉式模具工藝生產(chǎn)近凈成形部件的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的用于制造鍛造和機(jī)械加工部件的工藝，其特征在于，所述工藝包括以下步驟: a、通過對錠進(jìn)行初軋來生產(chǎn)初軋坯， b、鐓鍛所述初軋坯以獲得第一預(yù)制件， C、將所述第一預(yù)制件轉(zhuǎn)動90°并在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下鐓鍛所述第一預(yù)制件以生產(chǎn)第二預(yù)制件， d、在鍛錘上使用閉式鍛造工藝由所述第二預(yù)制件生產(chǎn)近凈成形部件， e、通過粗機(jī)械加工移除近凈成形部件的所有面上的拉模斜度， f、在粗機(jī)械加工的近凈成形部件中選擇性地鉆孔， g、對近凈成形部件進(jìn)行熱處理， h、用半精加工和精加工操作來處理經(jīng)熱處理的近凈成形部件。
3.如權(quán)利要求2所述的用于制造鍛造和機(jī)械加工部件的工藝，其中，熱處理被提供為使用優(yōu)化的周期時間。
4.如權(quán)利要求2和3所述的用于制造鍛造和機(jī)械加工部件的工藝，其中，如由所述部件的最終精機(jī)械加工輪廓所需的凹槽或凹部被提供，以實(shí)現(xiàn)近凈成形鍛造。
5.如權(quán)利要求1和2所述的用于制造鍛造和機(jī)械加工部件的工藝，其中，所述部件為在石油勘探工業(yè)中使用的液力端。
【文檔編號】B21J5/02GK103987474SQ201280060326
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年10月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月7日
【發(fā)明者】巴巴薩海布·尼爾康德·卡利亞尼 申請人:巴巴薩海布·尼爾康德·卡利亞尼