基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及加工方法，属于金属热塑性成形领域。该方法利用工件的形状设计坯料，采用梯度感应加热线圈对坯料变形量不同的部位进行快速感应加热至不同的温度，进而实现坯料不同变形部位的温度不同，并保证坯料表面上温度的连续性，利用材料塑性变形抗力对温度的敏感性，有效降低难变形区的塑性变形抗力，这可以有效降低设备吨位，同时，不同变形量部位在温度和变形量的耦合作用下，可以保证整个锻件的微观组织的均匀性，并显著提高材料的力学性能。此外，还可以显著改善劳动环境，整体成形出尺寸精度高、微观组织均匀、综合性能优良的锻件，并实现自动化、标准化的生产。

Heating Method and Processing Method of Hot Deformed Workpiece Billet Based on Gradient Induction Heating

The invention discloses a heating method and a processing method of hot deformed workpiece Billet Based on gradient induction heating, belonging to the field of metal thermoplastic forming. This method uses the shape of workpiece to design billet, and uses gradient induction heating coil to rapidly induction heating different parts of billet deformation to different temperatures, so as to realize the different temperatures of different parts of billet deformation and ensure the continuity of temperature on the surface of billet. The sensitivity of material plastic deformation resistance to temperature is utilized to effectively reduce the plastic deformation resistance in the difficult deformation area. Force, which can effectively reduce the tonnage of equipment, at the same time, under the coupling effect of temperature and deformation at different deformation parts, can ensure the uniformity of the microstructure of the whole forging, and significantly improve the mechanical properties of the material. In addition, it can also significantly improve the working environment, form forgings with high dimensional accuracy, uniform microstructure and excellent comprehensive performance, and realize automated and standardized production.

【技术实现步骤摘要】
基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及加工方法
本专利技术属于金属热塑性成形领域，更具体地，涉及一种基于梯度感应加热的锻造成形方法。
技术介绍
大型构件作为航空航天、船舶、矿山、机械等领域的制造装备的关键构件，其性能的优劣直接关系到成套装备的技术水平、工作性能和运行可靠性。因此大型构件的发展受到各个国家的高度重视。由于整体锻造成形可以有效保证锻件的晶粒度要求以及流线的完整性，可以显著提高构件的服役性能，降低生产成本，其已成为大型构件成形制造的发展趋势。而目前大型构件的整体锻造过程中，常采用等温锻造成形或者热锻成形方法。等温锻造成形要求模具与坯料加热到相同的温度，这要求模具材料具有很高的高温强度、冲击韧性和冷热疲劳性能等，对模具材料综合性能要求很高，并且模具寿命严重缩短，成本很高。此外，该方法需要对模具也进行高温加热，工序复杂，危险性很高，工作环境恶劣，生产条件过于苛刻。而热锻成形方法整体锻造大型复杂构件时，由于坯料的变形抗力很大，需要很大的成形力才能成形出符合要求的产品，相应的，对设备的吨位要求也很高。对于具有尖角、凸起、枝芽等局部塑性变形剧烈的区域，往往会产生材料在模具中充填不满等缺陷。对于锻件最终力学性能而言，不论是等温锻造还是热锻，坯料都是采用均匀加热，该过程中材料的微观组织相对均匀，但在变形时不同部位变形量不同，那么材料的再结晶程度必然不同，势必导致锻件的微观组织差异较大，这显然会导致锻件不同部位的力学性能存在较大差异，难以控制。大型复杂构件由于具有尖角、凸起、枝芽等变形剧烈区域，这些部位在锻造过程中充填极为困难，为了有效降低剧烈变形区在变形过程中的塑性变形抗力，可以充分利用金属材料塑性变形抗力的温度敏感性，通过在剧烈变形区提升变形温度，进而有效减小其塑性变形抗力，增加该区域处材料的充填能力。对于剧烈变形区域而言，虽然高温会导致晶粒长大，但大变形又会显著细化晶粒；对于变形不剧烈的区域，由于坯料温度较低，也不会导致锻件的晶粒粗化。在温度和变形量的耦合作用下，可以得到更加均匀的微观组织，这将全面提升材料的力学性能，进而提升锻件的服役性能。因此，根据目标锻件形状，充分利用坯料在锻造过程中不同部位的变形量的差异，以及材料变形抗力对温度的敏感性，通过对温度的梯度控制，进而实现对材料流动及微观组织的控制，这对提升材料的综合力学性能、整体成形出满足生产需求的锻件具有至关重要的意义。中国专利CN103878284B采用保温棉局部包覆坯料来实现温度的变化，以便使坯料在锻造时更好的局部流动，从而有效降低了坯料的局部塑性变形抗力，该方法为复杂构件的加工提供了一种很好的选择。但是该方法存在以下不足：坯料需要先在加热炉内预热、然后再包覆保温棉，最后再次放进加热炉加热，工艺流程繁琐；由于包套形状的限制，不能实现连续的变温，只能实现坯料局部化的恒温，只能实现坯料表面相邻部位的温度呈现出阶梯形状，这显然不能充分发挥温度对变形抗力的影响；电阻炉加热时热量主要是通过辐射方式进行传递，坯料各部位温度难以精确控制，工艺参数难以量化，工艺稳定性差；电阻炉的加热效率比较低，在长时间加热过程中很容易出现由于热传导而使坯料各部分温度均匀化，难以有效产生期望的温差。此外，电阻炉热量利用率很低、加热周期长，坯料氧化严重。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法及加工方法，其目的在于，通过根据目标工件的形状确定坯料形状，并在材料热变形特性的基础上根据不同的变形量分区计算加热温度，根据计算结果分区设计感应线圈，从而针对不同温度及变形区域进行梯度感应加热，进而解决现有技术中无法对坯料不同部位进行温度差异化精确控制的问题，尤其适用于解决大型构件热锻成形时工艺繁琐、模具寿命短、对模具材料性能要求苛刻、对设备吨位要求较高、综合生产成本高、劳动环境恶劣、工艺参数难以量化、材料填充性不好、微观组织不均匀等问题。为了实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，包括如下步骤：步骤1：根据目标工件结构及尺寸确定初始坯料的形状，基于塑性变形体积不变理论计算出初始坯料的尺寸参数，据此加工出目标锻件的初始坯料；步骤2：将步骤1所加工出的初始坯料的形状与目标锻件的形状进行对比，分析初始坯料不同位置在锻造过程的流动情况，根据初始坯料不同部位的变形程度及变形难度，将初始坯料进行分区，并结合材料的热变形行为，确定各区的变形温度；步骤3：根据步骤2中坯料的分区情况及其形状、尺寸，初步设计配套的梯度感应加热线圈参数，在梯度感应加热线圈的过渡部分，采取渐变式设计；步骤4：根据步骤1中初始坯料的形状尺寸、步骤2中初始坯料的分区及温度分布、步骤3中梯度感应加热线圈的参数，建立有限元模型，并进行模拟，如果模拟结果符合目标工件的设计要求，则认为当前设计的各个参数合理，否则返回步骤1～3，在已有各参数的基础上进行调整，重新进行参数设计及模拟判断；步骤5：根据步骤4中所确定的梯度感应加热线圈参数，加工线圈，并将其置于成套的感应加热炉中，将初始坯料置于感应加热炉中进行加热，并利用辐射温度计对坯料各个部位的温度进行实时测温，直至各部位温度达到目标温度。进一步地，步骤2中所述的分区通过变形量大小来判定；各区变形参数的确定包括参考具体锻件材料相应的热加工图确定最佳的应变速率、变形温度、变形量，以及参考相应材料的CCT曲线确定坯料的始锻温度与终锻温度。进一步地，步骤3中所述的梯度感应加热线圈是从如下形式的线圈中择一选取或混合使用：(1)梯度感应加热线圈为一个整体环形的等匝间距线圈，通过改变线圈断面方向尺寸实现温度的变化；(2)梯度感应加热线圈为断面形状尺寸一致的线圈，通过调节线圈的匝间距来实现温度的变化，或者断面形状与匝间距均匀变化的复杂线圈；(3)梯度感应加热线圈为组合式环形线圈，对坯料先设计一个整体的感应加热线圈，再在变形大的局部区域单独设计梯度感应加热线圈；或者根据坯料的不同位置形状分别单独设计小的感应加热线圈，进行组合式使用；(4)梯度感应加热线圈为平面线圈，用于实现坯料局部的感应加热。进一步地，用于锻件的初始坯料加热、预锻前的坯料加热和/或终锻前坯料的加热。为了实现上述目的，按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于梯度感应加热的热变形加工方法，包括如前所述的任意一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其中，步骤5中初始坯料加热至目标温度后，迅速转移至热变形工艺的工位进行热变形加工；所述热变形工艺为模锻工艺、自由锻工艺、热挤压工艺或热轧制工艺。进一步地，所述热变形工艺为模锻工艺，步骤1中还需根据初始坯料的尺寸参数加工出配套的锻模；步骤2中还根据材料在各分区的热变形行为确定配套锻模相应部位的温度；步骤4中的设计要求为材料能够充满模具，且无明显的折皱、流线紊乱缺陷，晶粒尺寸均匀，坯料断面心部及表面最大温差小于100℃；步骤5还包括根据步骤4确定的模具各部分的温度对锻模进行加热，加热至指定温度后保温一定时间，然后迅速将锻模转移至热锻压力机中；初始坯料加热至目标温度后迅速转移至热锻压力机上的锻模中进行模锻；或者初始坯料加热至目标温度后迅速转移至保温中的锻模中，然后随锻模一同迅速转移至热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据目标工件结构及尺寸确定初始坯料的形状，基于塑性变形体积不变理论计算出初始坯料的尺寸参数，据此加工出目标锻件的初始坯料；步骤2：将步骤1所加工出的初始坯料的形状与目标锻件的形状进行对比，分析初始坯料不同位置在锻造过程的流动情况，根据初始坯料不同部位的变形程度及变形难度，将初始坯料进行分区，并结合材料的热变形行为，确定各区的变形温度；步骤3：根据步骤2中坯料的分区情况及其形状、尺寸，初步设计配套的梯度感应加热线圈参数，在梯度感应加热线圈的过渡部分，采取渐变式设计；步骤4：根据步骤1中初始坯料的形状尺寸、步骤2中初始坯料的分区及温度分布、步骤3中梯度感应加热线圈的参数，建立有限元模型，并进行模拟，如果模拟结果符合目标工件的设计要求，则认为当前设计的各个参数合理，否则返回步骤1～3，在已有各参数的基础上进行调整，重新进行参数设计及模拟判断；步骤5：根据步骤4中所确定的梯度感应加热线圈参数，加工线圈，并将其置于成套的感应加热炉中，将初始坯料置于感应加热炉中进行加热，并利用辐射温度计对坯料各个部位的温度进行实时测温，直至各部位温度达到目标温度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据目标工件结构及尺寸确定初始坯料的形状，基于塑性变形体积不变理论计算出初始坯料的尺寸参数，据此加工出目标锻件的初始坯料；步骤2：将步骤1所加工出的初始坯料的形状与目标锻件的形状进行对比，分析初始坯料不同位置在锻造过程的流动情况，根据初始坯料不同部位的变形程度及变形难度，将初始坯料进行分区，并结合材料的热变形行为，确定各区的变形温度；步骤3：根据步骤2中坯料的分区情况及其形状、尺寸，初步设计配套的梯度感应加热线圈参数，在梯度感应加热线圈的过渡部分，采取渐变式设计；步骤4：根据步骤1中初始坯料的形状尺寸、步骤2中初始坯料的分区及温度分布、步骤3中梯度感应加热线圈的参数，建立有限元模型，并进行模拟，如果模拟结果符合目标工件的设计要求，则认为当前设计的各个参数合理，否则返回步骤1～3，在已有各参数的基础上进行调整，重新进行参数设计及模拟判断；步骤5：根据步骤4中所确定的梯度感应加热线圈参数，加工线圈，并将其置于成套的感应加热炉中，将初始坯料置于感应加热炉中进行加热，并利用辐射温度计对坯料各个部位的温度进行实时测温，直至各部位温度达到目标温度。2.如权利要求1所述的一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其特征在于，步骤2中所述的分区通过变形量大小来判定；各区变形参数的确定包括参考具体锻件材料相应的热加工图确定最佳的应变速率、变形温度、变形量，以及参考相应材料的CCT曲线确定坯料的始锻温度与终锻温度。3.如权利要求1或2所述的一种基于梯度感应加热的热变形工件坯料加热方法，其特征在于，步骤3中所述的梯度感应加热线圈是从如下形式的线圈中择一选取或混合使用：(1)梯度感应加热线圈为一个整体环形的等匝间距线圈，通过改变线圈断面方向尺寸实现温度的变化；(2)梯度感应加热线圈为断面形状尺寸一致的线圈，通过调节线圈的匝间距来实现温度的变化，或者断面形状与匝间距均匀变化的复杂线圈；(3)梯度感应加热线圈为组合式环形线圈，对坯料先设计一个整体的感应加热线圈，再在变形大的局部区域单独设计梯度感应加热线圈；或者根据坯料的不同位置形状分别单独设计小的感应加热线圈，进行组合式使用；(4)梯度感应加热线圈为平面线圈，用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄亮，赵明杰，李建军，陈荣创，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42