CN102688962A - 一种大型内台阶环件对称轧制成形方法 - Google Patents

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本发明涉及一种大型内台阶环件对称轧制成形方法,主要包括以下实现步骤:(1)制坯、镦粗、冲孔、冲连皮,制成轧制用环件毛坯,环件毛坯尺寸根据环件尺寸、轧制比、径向和轴向进给量比值确定;(2)轧制孔型设计:轧制孔型由芯辊工作面和芯辊工作面组成,芯辊和芯辊工作面尺寸根据轧制线速度、设备参数、轧制变形条件、环件毛坯尺寸和环件尺寸确定;(3)轧制成形:将制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制,轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段合理分配进给速度和进给量进行控制,当所测环件外径达到预定值时,轧制过程结束。(4)机加工切割:将轧好的环件在锯床上,由中间高度处切割成两个所需的内台阶环件。本发明具有生产稳定性好、效率高、产品性能高的特点。

Description

ー种大型内台阶环件对称轧制成形方法
技术领域
[0001 ] 本发明涉及ー种大型内台阶环件对称轧制成形方法。
背景技术
[0002] 直径I米以上且内表面带有较深台阶的的大型内台阶环件,作为连接、回转支承环、轴承环、燃气轮机环等,广泛应用于工程机械、风カ发电、石油化工等エ业领域大型机械装备中。此类环件服役条件苛刻,长期承受重载、高冲击、高压等极端エ况,对其使用性能有较高的要求。大型内台阶环件的传统制造エ艺为自由锻-扩孔-机械切削,即先自由锻制坯,再芯轴扩孔,最后通过机械切削加工出内台阶截面轮廓。芯轴扩孔效率低、精度和质量差;而通过机械切削加工内台阶需消耗大量材料和エ时,而且破坏金属流线分布,削弱环件力学性能。因此,传统的制造エ艺存在材料利用率低、效率低、加工质量差等缺点。 [0003] 环件径轴向轧制エ艺(图I所示)是大型环件的ー种先进塑性加工エ艺,它通过连续局部回转塑性变形积累,可在较短时间内获得几何精度高、组织性能好的优质环件。然而,环件径轴向轧制过程是多个エ艺參数耦合作用下的复杂变形过程,轧制エ艺參数设计和过程控制对环件轧制成形有着直接重要影响。对于上述大型内台阶环件轧制,由于截面上、下形状非对称且台阶较深,环件在孔型中受カ情况和变形行为复杂,直径扩大和截面轮廓充型不协调,轧制过程稳定性差,常常产生环件台阶充不满、翘曲、蝶形等缺陷,轧制废品率高,无法稳定批量生产。因此,对于上述大型内台阶环件,目前仍然主要采用传统制造エ艺,生产效率低,成本高,环件性能难以保障。
发明内容
[0004] 针对上述不足,本发明的目的在于提供一种两个大型内台阶环件对称轧制成形方法,通过合理地设计轧制毛坯、孔型和エ艺过程參数,可实现由矩形截面环件毛坯一次对称轧制成形两个大型内台阶环件,解决了单个环件轧制中由于变形不对称引起的各种缺陷,显著提高了生产效率和产品质量,降低了生产成本,可实现稳定批量生产。
[0005] 为了实现上述目的,本发明的技术方案是:两个大型内台阶环件(以下简称环件)对称轧制成形方法,包括以下实现步骤:
(I)制坯:将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度,然后将热态料段在压カ机上经镦粗、冲孔、冲连皮,制成轧制用环坯。环坯尺寸按如下步骤确定。
[0006] I)计算环件体积和截面积 环件体积F按下式计算
Figure CN102688962AD00051
其中,^I、内分别为环件内、外半径一力环件高度;ち为台阶的高度;年、好2分别为环件小内径和大内径处的壁厚;ち为切割余量。[0007] 环件截面积ぶ按下式计算
Figure CN102688962AD00061
[0008] 2)确定轧制比
轧制比J为环件毛坯截面积丨,与环件截面积Γ之比,它反映了环件毛坯轧制变形程
度,对成形环件几何尺寸和内部组织有着直接影响。尤其对于本发明大型内台阶截面环件轧制,轧制比太小直接影响到轧制过程中金属流动分配和凹槽成形。对于本发明大型内台阶环件对称轧制,为了保证轧制过程中环件毛坯金属能充分填充凹槽,并获得细小均匀的晶粒组织且避免内部损伤和裂纹产生“值取2. 5〜4较合适。
[0009] 3)确定径向和轴向进给量比值
轧制过程中,环件毛坯径向壁厚和轴向高度同时减小,径向和轴向进给量的匹配设计对轧制过程稳定性和成形环件几何精度影响重大。对于大型内台阶环件对称轧制,径向和轴向进给量比值*可按下式确定:
Figure CN102688962AD00062
其中,ΔΑ = //0-H2、Lb =ち-2B-ち分别为环件轧制径向和轴向进给量,馬、爲为
环件毛还壁厚和高度,《为修正系数,取值范围为广2。
[0010] 4)确定环件毛坯壁厚和高度
根据轧制比Λ、径向和轴向进给量比值i,可确定环件毛坯壁厚も和高度马为
Figure CN102688962AD00063
5)确定环件毛还内、夕卜半径
根据毛坯壁厚坪)、高度爲和环件体积F,基于塑性变形体积不变原理,可确定环件毛
坯外半径み、内半径iB为
Figure CN102688962AD00064
(2)轧制孔型设计:轧制孔型由驱动辊工作面和芯辊工作面确定。其中,驱动辊工作面为圆柱面,芯辊工作面为带有凸台的圆柱面(即芯辊工作面由中间的凸台工作面和芯辊上下工作面组成),用以成形环件凹槽。驱动辊和芯辊工作面尺寸按如下确定:
I)确定驱动辊工作面半径
为了保证环件轧制稳定性,驱动辊线速度^通常取I. I〜I. 3m/s,根据驱动辊线速度6可确定驱动辊工作面半径A = ,其中,〜=«/??为驱动辊转速,《为电机转速,
V为传动比,轧制设备确定后,即可确定《ヽV ,进而确定^。
[0011] 2)确定芯辊凸台尺寸
芯辊凸台用来成形环件内表面凹槽,其尺寸与环件内表面凹槽相对应,可确定如下
Figure CN102688962AD00071
其中,if, Asi分别为芯辊凸台厚度和高度。
[0012] 3)确定芯辊工作面半径
为了保证环件毛坯能顺利咬入孔型而产生连续轧制变形,芯辊凸台面半径和驱动辊エ作面半径应满足如下条件。
Figure CN102688962AD00072
[0013] 式中,·R被=+/Zsi ,为芯棍凸台面半径;多=arctanp'为摩擦角χ力摩擦系数。
[0014] 根据上述条件可确定芯辊凸台面半径应满足:
Figure CN102688962AD00073
为了使芯辊能顺利穿入环件毛坯内孔,芯辊凸台面半径还应满足% -10 ,从而可确定芯辊工作面半径取值范围为:
Figure CN102688962AD00074
Figure CN102688962AD00075
Figure CN102688962AD00076
4)确定驱动辊和芯辊工作面高度
驱动辊工作面高度A和芯辊工作面高度^*可取:ち=I = ¢1-2-1.¾¾
(3)轧制成形:将在压力机上制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制,轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段进行控制。预轧制阶段,控制芯辊沿径向慢速进给,逐渐消除锻造制坯产生的环件毛坯壁厚差;主轧制阶段,充分利用设备カ能,控制芯辊和上锥辊分别沿径向和轴向快速进给,使环件截面被塑性区充分穿透而产生均匀变形,并在此阶段完成上锥辊轴向进给;整形轧制阶段,当径向进给量达到总进给量90%,或测量辊所测环件外径距预定值50mm〜IOOmm时,减慢芯棍进给速度,控制环件缓慢长大,逐渐消除轧制变形产生的环件壁厚差和椭圆度,当所测环件外径达到预定值时,芯辊停止进给,轧制过程结束。轧制过程进给速度与进给量控制曲线如图7、8所示,图中各參数按如下确定:
ィ5 向进给速度:~ (0.5~ I) Vrmiri , Vr2 ニ (j-'6 ノ Vmil , Vr3 ニ O. JVrl
Figure CN102688962AD00077
Figure CN102688962AD00078
Figure CN102688962AD00079
径向进给量〜ヒ\ — O. IAh , Aki = O.BAh , Ak3i = O. IAk 轴向进给量:Ai1 = O5 Ab2 = Ab, Ai3 = O
其中,ル_=6.55ズ1『3〜|(1+# +チ-I),为环件轧制变形所需的最小进给
人。 人Mi O 厂O速度。
[0015] (4)机加工切割:将轧制完成的环件,固定于锯床上,由中间高度处切割成为两个尺寸相同的内台阶环件。[0016] 本发明采用环件轧制方法成形大型内台阶环件,通过连续局部塑性变形积累使环件毛坯直径扩大和截面轮廓整体成型,显著减少了锻造扩孔和机械切削加工台阶而导致的能源、材料和エ时消耗以及对金属流线的破坏。通过合理设计环件毛坯、轧制孔型和エ艺过程參数,避免了单个内台阶环件轧制时由于变形不对称而导致的各种缺陷,实现了由矩形截面环件毛坯一次轧制成形为两个大型内台阶环件,显著提高了生产稳定性和效率,降低了生产成本,提高产品性能。
附图说明
[0017] 图I是本发明实施例的环件径轴向轧制原理图;
I-驱动親,2-导向親,3-芯棍,4-上锥親,5-环件,6-下锥親,7-测量辊; 图2是本发明实施例的大型内台阶环件截面图;
图3是本发明实施例的两个大型内台阶环件对称轧制成形的截面图;
图4是本发明实施例的环件毛坯截面图;
图5是本发明实施例驱动棍工作面结构示意图;
图6是本发明实施例芯棍工作面结构示意图;
图7是本发明实施例环件轧制进给量与进给速度控制曲线中的径向进给曲线示意图; 图8是本发明实施例环件轧制进给量与进给速度控制曲线中的轴向进给曲线示意图。
具体实施方式
[0018] 參见图I〜图8,环件5几何尺寸为:外半径巧为784mm,内半径G为662mm,宽度R为155mm、大内径处壁厚At2为65mm、台阶高度为102mm,切割余量ち为5mm。其径轴向
轧制成形エ艺按如下步骤实现:
I)制坯:将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度,然后将热态料段在压カ机上经镦粗、冲孔、冲连皮,制成轧制用环件毛坯。根据环件毛坯尺寸设计方法,取轧制比;!为2. 5,m为I,确定环件毛还尺寸为:外半径■«力407mm,内半径Q为177mm,宽度為为373mm。(图3所示)。
[0019] 2)轧制孔型设计:取轧制线速度 Q I. 3m/s,根据轧制孔型设计方法,按图4所
示结构设计轧制孔型,其中:芯辊3上下工作面31半径为110mm、总高度为470mm,凸
台32高度为111mm,凸台32厚度为57mm ;驱动辊I工作面半径馬为420mm,高度Bd 为 470mm。
[0020] 3)轧制成形:将按上述尺寸制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制,轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段进行控制。轧制过程各阶段径向和轴向进给速度与进给量按图7、图8所示曲线进行控制,其中:预轧制阶段,径向进给速度为0.91mm/s,径向和
轴向进给量分别为16. 5mm>Omm ;主轧制阶段,径向和轴向进给速度、Va分别为
4. 55mm/s> I. 17mm/s,径向和轴向进给量ΔΑ2、Δέ2分别为132mm、34mm ;整形轧制阶段,径向进给速度1分别为O. 455mm/s,径向和轴向进给量AA3 ,Ab3分别为16. 5mm、0mm。当测量棍
7所测环件5外径达到预定值吋,芯辊3停止进给,轧制过程结束。
[0021] 4)机加工切割:通过机加工,由中间高度处切割成为两个尺寸相同的内台阶环件,
切割余量ち为5毫米。
[0022] 采用本发明方法生产上述大型内台阶环件,产品合格率达到99%,可实现稳定批量生产。

Claims (1)

1 ー种大型内台阶环件对称轧制成形方法,包括以下实现步骤: (1)制坯:将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度,然后将热态料段在压カ机上经镦粗、冲孔、冲连皮,制成轧制用环坯,环坯尺寸按如下步骤确定: 1)计算环件体积和截面积 环件体积F按下式计算
Figure CN102688962AC00021
其中,环件内半径Γι,环件外半径及;环件高度5 ;台阶的高度ち;环件小内径处壁厚ガム环件大内径处壁厚化?,切割余量ら; 环件截面积S按下式计算 S = IHlBt+IH2(B-Bt)+H2By ; 2)确定轧制比 轧制比4取2. 5〜4 ; 3)确足径向进给量和轴向进给量比值 径向进给量和轴向进给量比值t按下式确定:
Figure CN102688962AC00022
其中,环件轧制径向进给量AA = H0 - H2,环件轧制轴向进给量M =、-2B- By,环件毛还壁厚丑O ,环件毛还高度爲,修正系数#3取值范围为广2 ; 4)确定环件毛坯壁厚和高度 根据轧制比;!、径向和轴向进给量比值A,确定环件毛坯壁厚"D和环件毛坯高度马为
Figure CN102688962AC00023
5)确定环件毛还内、夕卜半径 根据环件毛坯壁厚、环件毛坯高度鳥和环件体积确定环件毛坯外半径环件毛坯内半径G为 ρ . ν+πίφ^ r V-πΗΐΒ, 2碼50 ’ 0 2πΗ0Βϋ (2)轧制孔型设计:轧制孔型由驱动辊工作面和芯辊工作面确定,其中,驱动辊工作面为圆柱面,芯辊工作面为带有凸台的圆柱面,驱动辊和芯辊工作面尺寸按如下确定: I)确定驱动辊工作面半径 为了保证环件轧制稳定性,驱动辊线速度し通常取I. I〜1.3m/s,根据驱动辊线速度^可确定驱动辊工作面半径ち=^广ムマめ,其中,电机转速s ,传动比;7驱动辊转速
Figure CN102688962AC00031
2)确定芯辊凸台尺寸 芯辊凸台用来成形环件内表面凹槽,其尺寸与环件内表面凹槽相对应,确定如下
Figure CN102688962AC00032
其中,芯棍凸台厚度/fei,芯棍凸台高度他?ί ; 3)确定芯辊工作面半径 芯辊凸台面半径和驱动辊工作面半径满足如下条件: 式中,芯辊凸台面半径I = Rm +丑,摩擦角P=arctan/i ,摩擦系数# ; 根据上述条件确定芯辊凸台面半径
Figure CN102688962AC00033
芯辊凸台面半径还应满足-10,从而确定芯辊工作面半径取值范围为:
Figure CN102688962AC00034
4)确定驱动辊和芯辊工作面高度 驱动辊工作面高度ち和芯辊工作面高度取:ち== (1.2-1.¾¾ (3)轧制成形:将在压力机上制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制,轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段进行控制;预轧制阶段,控制芯辊沿径向慢速进给,逐渐消除锻造制坯产生的环件毛坯壁厚差;主轧制阶段,控制芯辊和上锥辊分别沿径向和轴向快速进给,使环件截面被塑性区充分穿透而产生均匀变形,并在此阶段完成上锥辊轴向进给;整形轧制阶段,当径向进给量达到总进给量90%,或测量辊所测环件外径距预定值50mm〜IOOmm时,减慢芯辊进给速度,控制环件缓慢长大,逐渐消除轧制变形产生的环件壁厚差和椭圆度,当所测环件外径达到预定值吋,芯辊停止进给,轧制过程结束,预轧制阶段径向进给速度Vri ニ ,主轧制阶段径向进给速度Vrt ニ (5-3)%W,整形轧制阶段径向进给速度 vf.3 = Q.5vrl ; 其中
Figure CN102688962AC00035
为环件轧制变形所需的最小进给速 度; 预轧制阶段径向进给量AA1 = 0.1ΔΑ ,主轧制阶段径向进给量M2 = 0.8ΔΑ,整形轧制阶段径向进给量Δ~ = 0.1ΔΑ ;预轧制阶段轴向进给量/Wi1 = O,主轧制阶段轴向进给量Ai2 = Lb ,整形轧制阶段轴向进给量Ai3 = O ;轴向进给速度
Figure CN102688962AC00041
为主轧制阶段轴向进给速度,预轧制阶段轴向进给速 度、整形轧制阶段轴向进给速度均为O ;(4)机加工切割:将轧制完成的环件,固定于锯床上,由中间高度处切割成为两个尺寸相同的内台阶环件,切割余量ち。
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