CN102615224B - 内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法 - Google Patents

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本发明涉及一种内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,该方法先将原材料锯切成料段,将料段从室温均匀加热到奥氏体化温度并保温后,经滚圆、镦粗、冲孔、扩孔、平整,锻成轧制用环件毛坯;再将环件毛坯放入加热炉中加热到设定温度保温后取出,放入径轴向轧环机孔型内轧制成形,经过多转轧制变形成为规定形状尺寸的内台阶截面环形锻件;锻件经正火、回火热处理以保障力学性能,最后将锻件切削加工成产品。本发明为内台阶截面环形锻件近终型精密成形,减少后续机械加工余量,大幅提高了材料利用率,减少了锻造火次节约了能耗,具有生产效率高、成本低的特点。

Description

内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法
技术领域
本发明涉及一种环件轧制成形的方法,特别涉及一种内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法。
背景技术
随着科技的进步和经济的发展,工业生产中对环形件尤其是大型环形件的需求量越来越大,在某些大型设备中,环形件已成为影响装备性能指标的关键部件。目前世界各国对环形件的生产和加工工艺进行了广泛的研究,能够加工制造的环形件尺寸范围不断扩大,截面形状更加复杂,材料选择不断丰富,对制造工艺提出的要求也越来越高。
传统的环形件尤其是风电法兰等大型环形件的生产主要采用整体锻造和马杠扩孔等方法,环件轧制技术是连续局部塑性加工成形工艺,与传统锻造工艺相比,它具有大幅度降低设备吨位和投资、振动冲击小、节能节材、生产成本低等显著技术经济优点,是大型轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环等各类无缝环件的先进制造技术。环件轧制技术在机械、汽车、火车、船舶、石油化工、航空航天、风电、原子能等许多工业领域中日益得到广泛的应用。本发明涉及的内台阶截面环件用途广泛,对显微组织、力学性能和尺寸精度要求高,利用环件轧制技术成形来生产内台阶截面环件已逐渐成为一种趋势。
目前,内台阶截面环件通常采用径向轧制加机械切削加工联合完成,即先通过径向辗扩加工出矩形截面的环件,再通过机械切削将矩形截面环件加工成内台阶截面环件,其加工流程为:(1)墩粗;(2)冲孔;(3)径向辗扩;(4)平端面;(5)热处理;(6)机械切削加工。这种工艺生产内台阶截面环件的主要问题是:(1)加工余量大,原料浪费严重,材料利用率低;(2)生产效率低,劳动强度大;(3)环件辗环轧制过程中火次多,锻件需要反复加热,能耗高;(4)辗环轧制精度低,形状尺寸难以保证,废品率高;(5)后续机加工余量大,耗时长,对机床、刀具磨损大;(6)生产成本高。
发明内容
针对上述不足,本发明的目的在于提供一种内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,该方法由径轴向轧制出内台阶截面环件,可大幅提高材料利用率,减少锻造火次节约能源,具有成本低,生产效率高的特点。
为了实现上述目的,本发明采取的的技术方案为:
内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,其步骤如下:
(1)将圆柱形钢坯料锯切成料段;
(2)将上述料段加热奥氏体化并保温,在热变形温度区间锻造成轧制用环件毛坯;
(3)将上述环件毛坯加热奥氏体化并保温,放入径轴向轧环机孔型内轧制成形;
(4)将上述锻件正火、回火热处理;
(5)将上述热处理后锻件经机械切削加工成产品。
步骤(1)中所述的下料料段长度为L=(2~6)(Bb+Bs),Bb为环形锻件大孔部分的轴向尺寸,Bs为环形锻件小孔部分的轴向尺寸,料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定。
步骤(2)所述奥氏体化温度为1200℃~1250℃,奥氏体化保温时间为90~150分钟,所述锻造热变形温度区间为800℃~1250℃。
步骤(2)所述料段经滚圆、镦粗、冲孔、扩孔、平整工序,制成轧制用环件毛坯;所述环件毛坯大孔部分的轴向尺寸为Bb0=Bb+c,c=0~0.3(Bb+Bs),环件毛坯小孔部分的轴向尺寸为Bs0=Bs;环件毛坯的大孔直径为db0=db/k,轧制比k=1.5~6,db为环件锻件大孔直径;根据环件锻件内孔台阶尺寸确定毛坯小孔直径ds0,ds0=db0-(db-ds),其中ds为环件锻件的小孔直径;根据环件锻件体积与环件毛坯体积相等确定环件毛坯外径D0,D为环件锻件的外径。
步骤(3)所述奥氏体化温度为1200℃~1250℃,奥氏体化保温时间为30~60分钟;径轴向轧制成形温度区间为850℃~1250℃;径轴向轧制成形在径轴向轧环机孔型内进行,通过径向孔型后的毛坯又进入一对锥辊组成的轴向孔型,产生轴向高度减小的塑形变形。
步骤(3)毛所述的径轴向轧制成形,轧制中径轴向进给速度按下式计算:
v = f 2 n 1 R 1 2 R ( 1 + R 1 R 2 ) 2 ( 1 + R 1 R 2 + R 1 R - R 1 r )
v s = 2 cv ( D 0 - d b 0 ) - ( D - d b )
式中v为径向进给速度,vs轴向进给速度;n1为驱动辊转速;R1、R2分别为驱动辊工作面半径和环件毛坯大孔部分对应的芯辊工作面半径;R和r分别为环件锻件外半径和内半径,R=D/2,r=ds/2;f为环件与轧制孔型间的摩擦系数,f=0.05~0.4。
步骤(4)所述热处理由正火、回火组成,正火先加热到610℃~660℃,保温时间为60~120分钟,然后再加热到890℃~910℃,保温60~180分钟后出炉,空冷至室温;回火温度为580℃~620℃,时间为180~360分钟,后出炉空冷至室温。
步骤(5)所述机械加工所用设备为立式车床。
本发明的关键点在于保证内台阶截面环件形状。因此,要注意以下几点。
为了便于轧制成形,锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度,消除环件毛坯内孔偏心、表面锤头印、冲孔毛刺等缺陷。锻造制坯经滚圆、镦粗、冲孔、扩孔、平整工序,按步骤(2)中要求,严格保证毛坯大孔部分的轴向尺寸Bb0、毛坯小孔部分的轴向尺寸Bs0、毛坯的大孔直径db0、毛坯小孔直径ds0和环件毛坯外径D0
步骤(3)环件毛坯径轴向轧制成形,轧制过程中环件与轧辊间保持良好的润滑,径轴向轧制成形有导向辊保证轧制过程平稳进行,在驱动辊的旋转轧制运动和直线进给运动作用下,环件毛坯连续地咬入驱动辊和芯辊构成的轧制孔型,产生壁厚减小、直径扩大、轮廓截面成形的连续局部塑形变形;通过径向孔型后的毛坯又在一对锥辊旋转及直线进给运动作用下进入轴向孔型,产生轴向高度减小的塑形变形。通过多转反复轧制变形,使环件毛坯直径扩大到与信号辊接触,达到规定形状尺寸的内台阶截面环件锻件,径轴向轧制成形过程结束。
为保证锻透及减少端面鱼尾变形,环件径轴向轧制成形中采用较大进给速度亦即快速进给轧制,轧制进给速度数值按步骤(3)要求进行。
本发明采用径轴向环件轧制工艺,环件毛坯经过多次连续轧制变形达到预定环件锻件的尺寸,改善了锻件金属的组织和性能,使塑形变形分布更加均匀,缩短了生产时间,减少了锻件加热次数,节约了原材料,提高了生产效率;通过合理设计环件毛坯尺寸和轧制加工工艺参数,节约了原料,降低了成本;减小了端面鱼尾变形和翘曲变形,保证了内台阶截面环件的质量。
附图说明
图1是本发明环件锻件结构示意图
图2是本发明环件毛坯结构示意图
图3是本发明环件径轴向轧制原理图
图4是图3的左示图
图5是驱动辊及芯辊示意图
具体实施方式:
下面结合附图和实施例详细说明具体实施方式,如附图1-5所示。
实施例1
内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,环件材料为Q345E钢,要求轧制成形的内台阶截面环件锻件尺寸为:环件锻件外径D为3600mm,环件锻件小孔直径ds为3000mm,环件锻件大孔直径db为3200mm,环件锻件大孔部分轴向尺寸Bb为120mm,小孔部分轴向尺寸Bs为150mm。其步骤如下:
(1)将圆柱形Q345E坯料锯切成料段,料段长度为L=3(Bb+Bs)=810mm,Bb为环形锻件大孔部分的轴向尺寸,Bs为环形锻件小孔部分的轴向尺寸,料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定为1400mm。
(2)将料段缓慢加热至奥氏体化温度1250℃,奥氏体化保温时间为120分钟,达到设定时间后取出,热变形温度始锻温度1220℃,终锻温度830℃,在此热变形温度区间内经滚圆、镦粗、冲孔、扩孔、平整工序锻造制坯;锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度,保证毛坯大孔部分的轴向尺寸Bb0为150mm(c=30mm),毛坯小孔部分尺寸Bs0为150mm,内台阶截面环件锻件体积与毛坯体积相等条件确定毛坯尺寸,毛坯大孔部分尺寸db0为φ1600mm(k=2),小孔部分直径ds0环件毛坯外径D为2310mm。
(3)将环件毛坯放入加热炉中加热至1250℃,保温60分钟取出,放入径轴向轧环机孔型内轧制成形,热变形温度始锻温度1230℃,终锻温度860℃,采用的径向进给速度v=2.1mm/s,轴向进给速度vs=1.3mm/s。轧制过程中环件与轧辊间保持良好的润滑,通过径轴向轧制,使环件毛坯壁厚和高度同时减小,内外直径扩大,截面轮廓成形,当环件经过多转轧制变形且直径和高度均达到预定尺寸时,成为规定形状尺寸的内台阶截面环形锻件。
环件毛坯径轴向轧制成形如图3、图4所示,在驱动辊1的旋转轧制运动和直线进给运动作用下,环件毛坯2连续地咬入驱动辊1和芯辊3构成的轧制孔型,产生壁厚减小、直径扩大、轮廓截面成形的连续局部塑形变形。通过径向孔型后的毛坯又在一对锥辊4旋转及直线进给运动作用下进入轴向孔型,产生轴向高度减小的塑形变形。通过多转反复轧制变形,使环件毛坯直径扩大到与信号辊6接触,则达到规定形状尺寸(即预定尺寸)的环件锻件,这时环件轧制过程结束。图4中导向辊5的作用是保证轧制过程平稳。
(4)锻后热处理由正火、回火组成,正火先加热到650℃保温时间为100分钟,然后再加热到900℃,保温180分钟后出炉,空冷至室温;回火温度为600℃,时间为360分钟,后出炉空冷至室温。
(5)将热处理后锻件用立式车床进行切削加工,达到要求的尺寸。
实施例2
内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,环件材料为Q345E钢,要求轧制成形的内台阶截面环件锻件尺寸为:环件锻件外径D为2800mm,环件锻件小孔直径ds为2400mm,环件锻件大孔直径db环件锻件大孔部分轴向尺寸Bb为100mm,小孔部分轴向尺寸Bs为100mm。其步骤如下:
(1)将圆柱形Q345E坯料锯切成料段,料段长度为L=4(Bb+Bs)=800mm,Bb为环形锻件大孔部分的轴向尺寸,Bs为环形锻件小孔部分的轴向尺寸,料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定为700mm。
(2)将料段缓慢加热至奥氏体化温度1240℃,奥氏体化保温时间为100分钟,达到设定时间后取出,热变形温度始锻温度1210℃,终锻温度850℃,在此热变形温度经滚圆、镦粗、冲孔、扩孔、平整工序锻造制坯;锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度,保证毛坯大孔部分的轴向尺寸Bb0为120mm(c=20mm),毛坯小孔部分尺寸Bs0为100mm,内台阶截面环件锻件体积与毛坯体积相等条件确定毛坯尺寸,保证毛坯大孔部分尺寸db0为φ1040mm(k=2.5),小孔部分直径ds0环件毛坯外径D为1670mm。
(3)将环件毛坯放入加热炉中加热至1240℃,保温45分钟取出,放入径轴向轧环机孔型内轧制成形,热变形温度始锻温度1210℃,终锻温度870℃,采用的径向进给速度v=2.7mm/s,轴向进给速度vs=1.6mm/s。其他步骤同实施例1。
(4)锻后热处理由正火、回火组成,正火先加热到630℃保温时间为90分钟,然后再加热到900℃,保温150分钟后出炉,空冷至室温;回火温度为600℃,时间为240分钟,后出炉空冷至室温。
(5)将热处理后锻件用立式车床进行切削加工,达到要求的尺寸。
实施例3
内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,环件材料为Q345E钢,要求轧制成形的内台阶截面环件锻件尺寸为:环件锻件外径D为2050mm,环件锻件小孔直径ds环件锻件大孔直径db为1800mm,环件锻件大孔部分轴向尺寸Bb为80mm,小孔部分轴向尺寸Bs为100mm。其步骤如下:
(1)将圆柱形Q345E坯料锯切成料段,料段长度为L=3(Bb+Bs)=540mm,Bb为环形锻件大孔部分的轴向尺寸,Bs为环形锻件小孔部分的轴向尺寸,料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定为592mm。
(2)将料段缓慢加热至奥氏体化温度1230℃,奥氏体化保温时间为90分钟,达到设定时间后取出,热变形温度始锻温度1210℃,终锻温度830℃,在此热变形温度经滚圆、镦粗、冲孔、扩孔、平整工序锻造制坯;锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度,保证毛坯大孔部分的轴向尺寸Bb0为100mm(c=20mm),保证毛坯小孔部分尺寸Bs0为100mm,内台阶截面环件锻件体积与毛坯体积相等条件确定毛坯尺寸,保证毛坯大孔部分尺寸db0为φ600mm(k=3),小孔部分直径ds0环件毛坯外径D为1345mm。
(3)将环件毛坯放入加热炉中加热至1230℃,保温30分钟取出,放入径轴向轧环机孔型内轧制成形,热变形温度始锻温度1210℃,终锻温度850℃,采用的径向进给速度v=3.1mm/s,轴向进给速度vs=1.8mm/s。其他步骤同实施例1。
(4)锻后热处理由正火、回火组成,正火先加热到610℃保温时间为60分钟,然后再加热到890℃,保温120分钟后出炉,空冷至室温;回火温度为600℃,时间为180分钟,后出炉空冷至室温。
(5)将热处理后锻件用立式车床进行切削加工,达到要求的尺寸。

Claims (4)

1.内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,其特征是按以下步骤实现:
(1)将圆柱形钢坯料锯切成料段;
(2)将上述料段加热奥氏体化并保温,在热变形温度区间锻造成轧制用环件毛坯;
奥氏体化温度为1200℃~1250℃,奥氏体化保温时间为90~150分钟,所述热变形温度区间为800℃~1250℃;
(3)将上述环件毛坯加热奥氏体化并保温,放入径轴向轧环机孔型内轧制成形;
奥氏体化温度为1200℃~1250℃,奥氏体化保温时间为30~60分钟;径轴向轧制成形温度区间为850℃~1250℃;径轴向轧制成形在径轴向轧环机孔型内进行,通过径向孔型后的毛坯又进入一对锥辊组成的轴向孔型,产生轴向高度减小的塑性变形;
所述的径轴向轧制成形,轧制中径轴向进给速度按下式计算:
v = f 2 n 1 R 1 2 R ( 1 + R 1 R 2 ) 2 ( 1 + R 1 R 2 + R 1 R - R 1 r )
v s = 2 cv ( D 0 - d b 0 ) - ( D - d b )
式中v为径向进给速度,vs轴向进给速度;n1为驱动辊转速;R1、R2分别为驱动辊工作面半径和环件毛坯大孔部分对应的芯辊工作面半径;R和r分别为环件锻件外半径和内半径,R=D/2,r=ds/2;f为环件毛坯与轧制孔型间的摩擦系数,f=0.05~0.4;c为环件锻件大孔部分的轴向尺寸与环件锻件小孔部分的轴向尺寸之和的0~0.3倍;D0为环件毛坯外径;db0为环件毛坯的大孔直径;D为环件锻件的外径;db为环件锻件大孔直径;ds为环件锻件的小孔直径。
(4)将上述环件毛坯正火、回火热处理;所述热处理由正火、回火组成,正火先加热到610℃~660℃,保温时间为60~120分钟,然后加热到890℃~910℃,保温60~180分钟后出炉,空冷至室温;回火温度为580℃~620℃,时间为180~360分钟,后出炉空冷至室温;
(5)将上述热处理后环件锻件经机械切削加工成产品。
2.根据权利要求1所述的内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,其特征是,步骤(1)中所述的料段长度为L=(2~6)(Bb+Bs),Bb为环件锻件大孔部分的轴向尺寸,Bs为环件锻件小孔部分的轴向尺寸,料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定。
3.根据权利要求1所述的内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,其特征是,步骤(2)所述料段经滚圆、镦粗、冲孔、扩孔、平整工序,制成轧制用环件毛坯;所述环件毛坯大孔部分的轴向尺寸为Bb0=Bb+c,c=0~0.3(Bb+Bs),环件毛坯小孔部分的轴向尺寸为Bs0=Bs;环件毛坯的大孔直径为db0=db/k,轧制比k=1.5~6,db为环件锻件大孔直径;根据环件锻件内孔台阶尺寸确定环件毛坯小孔直径ds0,ds0=db0-(db-ds),其中ds为环件锻件的小孔直径;根据环件锻件体积与环件毛坯体积相等确定环件毛坯外径D0,D为环件锻件的外径;Bb为环件锻件大孔部分的轴向尺寸;Bs为环件锻件小孔部分的轴向尺寸。
4.根据权利要求1所述的内台阶截面环件径轴向轧制成形的方法,其特征是,步骤(5)所述机械切削加工所用设备为立式车床。
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Assignee: Shandong tripod heavy industry Industrial Co., Ltd.

Assignor: shandong jianzhu university

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Denomination of invention: Radial-axial rolling forming method for inner step section ring pieces

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License type: Common License

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