CN102688962B - 一种大型内台阶环件对称轧制成形方法 - Google Patents

一种大型内台阶环件对称轧制成形方法 Download PDF

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Abstract

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

一种大型内台阶环件对称轧制成形方法
技术领域
本发明涉及一种大型内台阶环件对称轧制成形方法。
背景技术
直径1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、风力发电、石油化工等工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、高压等极端工况，对其使用性能有较高的要求。大型内台阶环件的传统制造工艺为自由锻-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工时，而且破坏金属流线分布，削弱环件力学性能。因此，传统的制造工艺存在材料利用率低、效率低、加工质量差等缺点。
环件径轴向轧制工艺（图1所示）是大型环件的一种先进塑性加工工艺，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工艺参数耦合作用下的复杂变形过程，轧制工艺参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，环件在孔型中受力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工艺，生产效率低，成本高，环件性能难以保障。
发明内容
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、孔型和工艺过程参数，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。
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：
（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力机上经镦粗、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                                               按下式计算
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE008
分别为环件内、外半径；
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE010
为环件高度；
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE012
为台阶的高度；
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE014
分别为环件小内径和大内径处的壁厚；
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE016
为切割余量。
环件截面积
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE018
按下式计算
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE020
。
2）确定轧制比
轧制比
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE022
为环件毛坯截面积
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE024
与环件截面积
Figure 810482DEST_PATH_IMAGE018
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，
Figure 727623DEST_PATH_IMAGE022
值取2.5～4较合适。
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
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE026
可按下式确定：
其中，、
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE032
分别为环件轧制径向和轴向进给量，
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE036
为环件毛坯壁厚和高度，
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE038
为修正系数，取值范围为1~2。
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
Figure 276470DEST_PATH_IMAGE026
，可确定环件毛坯壁厚
Figure 153160DEST_PATH_IMAGE034
和高度
Figure 975622DEST_PATH_IMAGE036
为
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE044
5）确定环件毛坯内、外半径
根据毛坯壁厚
Figure 55705DEST_PATH_IMAGE034
、高度和环件体积
Figure 297385DEST_PATH_IMAGE002
，基于塑性变形体积不变原理，可确定环件毛坯外半径
Figure 2012101398676100002DEST_PATH_IMAGE046
、内半径为
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
（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：
1）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
Figure DEST_PATH_IMAGE054
通常取1.1～1.3m/s，根据驱动辊线速度
Figure 353066DEST_PATH_IMAGE054
可确定驱动辊工作面半径
Figure DEST_PATH_IMAGE056
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为驱动辊转速，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为电机转速，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为传动比，轧制设备确定后，即可确定、
Figure 719773DEST_PATH_IMAGE062
，进而确定
Figure DEST_PATH_IMAGE064
。
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 DEST_PATH_IMAGE066
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
分别为芯辊凸台厚度和高度。
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工作面半径应满足如下条件。
Figure DEST_PATH_IMAGE070
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，为芯辊凸台面半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为摩擦角，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为摩擦系数。
根据上述条件可确定芯辊凸台面半径应满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
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
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，从而可确定芯辊工作面半径取值范围为：
Figure DEST_PATH_IMAGE082
4）确定驱动辊和芯辊工作面高度
驱动辊工作面高度
Figure DEST_PATH_IMAGE084
和芯辊工作面高度
Figure DEST_PATH_IMAGE086
可取：
（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，充分利用设备力能，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～100mm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，图中各参数按如下确定：
径向进给速度：
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
，
轴向进给速度：
Figure DEST_PATH_IMAGE096
径向进给量：
Figure DEST_PATH_IMAGE098
，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
轴向进给量：
Figure DEST_PATH_IMAGE104
其中， 
Figure DEST_PATH_IMAGE106
，为环件轧制变形所需的最小进给速度。
（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。
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、材料和工时消耗以及对金属流线的破坏。通过合理设计环件毛坯、轧制孔型和工艺过程参数，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
图1是本发明实施例的环件径轴向轧制原理图；
1-驱动辊，2-导向辊，3-芯棍，4-上锥辊，5-环件，6-下锥辊，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辊工作面结构示意图；
图6是本发明实施例芯辊工作面结构示意图；
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
参见图1～图8，环件5几何尺寸为：外半径
Figure DEST_PATH_IMAGE108
为784mm，内半径
Figure DEST_PATH_IMAGE110
为662mm，宽度
Figure 741693DEST_PATH_IMAGE010
为155mm、大内径处壁厚
Figure DEST_PATH_IMAGE112
为65mm、台阶高度
Figure 171538DEST_PATH_IMAGE012
为102mm，切割余量
Figure 413163DEST_PATH_IMAGE016
为5mm。其径轴向轧制成形工艺按如下步骤实现：
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力机上经镦粗、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
Figure 999871DEST_PATH_IMAGE022
为2.5，
Figure 643342DEST_PATH_IMAGE038
为1，确定环件毛坯尺寸为：外半径
Figure DEST_PATH_IMAGE114
为407mm，内半径
Figure DEST_PATH_IMAGE116
为177mm，宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE118
为373mm。（图3所示）。
2）轧制孔型设计：取轧制线速度
Figure 40825DEST_PATH_IMAGE054
为1.3m/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
Figure 582796DEST_PATH_IMAGE086
为470mm，凸台32高度为111mm，凸台32厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE124
为57mm；驱动辊1工作面半径
Figure 723928DEST_PATH_IMAGE064
为420mm，高度Bd为470mm。
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
Figure DEST_PATH_IMAGE126
为0.91mm/s，径向和轴向进给量
Figure DEST_PATH_IMAGE128
、
Figure DEST_PATH_IMAGE130
分别为16.5mm、0mm；主轧制阶段，径向和轴向进给速度
Figure DEST_PATH_IMAGE132
、
Figure DEST_PATH_IMAGE134
分别为4.55mm/s、1.17mm/s，径向和轴向进给量、
Figure DEST_PATH_IMAGE138
分别为132mm、34mm；整形轧制阶段，径向进给速度
Figure DEST_PATH_IMAGE140
分别为0.455mm/s，径向和轴向进给量
Figure DEST_PATH_IMAGE142
、分别为16.5mm、0mm。当测量辊7所测环件5外径达到预定值时，芯辊3停止进给，轧制过程结束。
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
Figure 408856DEST_PATH_IMAGE016
为5毫米。
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)

1.一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力机上经镦粗、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                                                
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE001
按下式计算
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE002
其中，环件内半径
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE003
，环件外半径
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE004
；环件高度
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE005
；台阶的高度
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE006
；环件小内径处壁厚H 1，环件大内径处壁厚H 2，切割余量
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE007
；
环件截面积
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE008
按下式计算
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE009
；
2）确定轧制比
轧制比
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE010
取2.5～4；
3）确定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
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE011
按下式确定：
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE012
其中，环件轧制径向进给量
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，环件轧制轴向进给量，环件毛坯壁厚
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，环件毛坯高度
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE016
，修正系数取值范围为1~2；
4）确定环件毛坯壁厚和高度
根据轧制比
Figure 203655DEST_PATH_IMAGE010
、径向和轴向进给量比值，确定环件毛坯壁厚和环件毛坯高度为
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 2012101398676100001DEST_PATH_IMAGE020
5）确定环件毛坯内、外半径
根据环件毛坯壁厚
Figure 424629DEST_PATH_IMAGE015
、环件毛坯高度
Figure 247091DEST_PATH_IMAGE016
和环件体积
Figure 514124DEST_PATH_IMAGE001
，确定环件毛坯外半径
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、环件毛坯内半径
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
（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：
1）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
Figure DEST_PATH_IMAGE025
通常取1.1～1.3m/s，根据驱动辊线速度
Figure 775342DEST_PATH_IMAGE025
可确定驱动辊工作面半径
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，其中，电机转速
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，传动比
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，驱动辊转速
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；
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 DEST_PATH_IMAGE030
其中，芯辊凸台厚度H mt , 芯辊凸台高度B mt ；
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
式中，芯辊凸台面半径
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，摩擦角，摩擦系数；
根据上述条件确定芯辊凸台面半径
Figure DEST_PATH_IMAGE035
芯辊凸台面半径还应满足
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，从而确定芯辊工作面半径取值范围为：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
4）确定驱动辊和芯辊工作面高度
驱动辊工作面高度
Figure DEST_PATH_IMAGE038
和芯辊工作面高度
Figure DEST_PATH_IMAGE039
取：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
（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～100mm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时，芯辊停止进给，轧制过程结束，预轧制阶段径向进给速度
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，主轧制阶段径向进给速度
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，整形轧制阶段径向进给速度；
其中，，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
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，主轧制阶段径向进给量
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，整形轧制阶段径向进给量
Figure DEST_PATH_IMAGE047
；预轧制阶段轴向进给量
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，主轧制阶段轴向进给量
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，整形轧制阶段轴向进给量
Figure DEST_PATH_IMAGE050
；
轴向进给速度，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0；
（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
Figure 945685DEST_PATH_IMAGE007
。
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