CN104504169A - 实现多向大塑性应变棒材轧制的m型新型孔型结构设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现多向大塑性应变棒材轧制的M型新型孔型结构设计，所述M型新型孔型为上下、左右对称的中凸椭圆型结构，包括外倒角圆弧R，外倒角圆弧R两边为与其外切的外倒角圆弧R1，外倒角圆弧R1的另一端经内倒角圆弧过渡至辊缝的槽口平面，外倒角圆弧R1与槽口平面的夹角呈钝角。在满足形状尺寸精确的条件下能够更好的将大塑性应变引入到断面心部；新型孔型M槽在增大宽展量减少轧制道次的同时也有利于防止轧制时“耳子”的产生，保证轧件在孔型中轧制稳定的前提下进行多向均匀大塑性变形加工，心部最大累积应变达到5.0以上得以压实，有利于防止心部缺陷的产生，满足生产超微细晶粒的大塑性变形必要条件。

Description

实现多向大塑性应变棒材轧制的M型新型孔型结构设计

技术领域

本发明属于一种冶金工艺孔型设计领域，特别是涉及超微细晶粒生产的实现多向大塑性应变棒材轧制的M型新型孔型结构设计。

技术背景

孔型设计是型钢生产中的核心环节，它直接关系到金属塑性流动的合理性以及轧后产品的组织性能，并且孔型连轧棒材技术由于其多道次、多方向同时加工等本身具备的大应变特性，也非常适合制造超微细晶。

然而，传统孔型设计受咬入条件、宽展和形状控制等因素的制约，多以获取棒材产品几何尺寸为主要目标，很少涉及材料组织性能；多以经验公式和试错法决定连轧孔型基本参数及系列配置方式，大大制约了生产效率和金属流动性能。导致道次断面收缩率低，材料中心部位应变不高，截面应变梯度分布大、组织性能不均匀，芯部缺陷严重产品性能十分受限。

因此，通过改进或创新孔型设计工艺，将产品几何尺寸与材料组织性能同时考虑到孔型开发过程，从而获得横截面的大应变，实现亚微米级的超微细晶粒棒材轧制仍是摆在工程技术人员面前的重要难题。结合数值模拟的计算机辅助孔型设计，则是今后新孔型、新工艺研发的趋势。

国内外对如何创新孔型设计轧制超微细晶粒棒材的研究已经开展了很多年，其中大应变是制备超微细晶组织的必备条件。多道次、大塑性变形技术在获得超微细晶方面亦有诸多报道，如等通道挤压法、高压旋转法、叠轧等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于生产大应变棒材的M型新型孔型，并建立多向大塑性应变棒材轧制过程的新型孔型系统，消除产品心部缺陷，为超微细晶粒棒材制备提供必要条件，改善材料组织综合性能。

本发明的技术方案构思如下：

本发明主要是进行M型新型孔型参数设计，如M型槽深、孔型线轮廓、孔型填充情况计算，并建立多向大塑性应变棒材轧制过程的新型孔型系统。M型孔型参数选取过程中，主要借助计算机辅助设计与孔型设计基础，在孔型填充程度良好的前提下，将内部质量因素与轧件几何尺寸同时考虑到新型孔型设计的创新过程中，在满足形状尺寸精确的条件下能够更好的将大塑性应变引入到断面心部；新型孔型M槽在增大宽展量减少轧制道次的同时也有利于防止轧制时“耳子”的产生，保证轧件在孔型中轧制稳定的前提下进行多向均匀大塑性变形加工，心部最大累积应变达到5.0以上得以压实，有利于防止心部缺陷的产生，满足生产超微细晶粒的大塑性变形必要条件，以满足精确形状尺寸与获取断面中心大塑性应变为设计准则。并且，M型新型孔型的设计过程中，应严格控制其长、短轴之比小于3:1，和通常意义上的椭圆孔型之比相当，一方面，在于确保各道次间的顺利进入，不至于因为大的孔型宽高比而产生轧件倾倒现象；另一方面，在保证M型新型孔型下一道次孔型填充程度良好的前提下，使M型新型孔型也同时充满，即如图1所示的横筋肩膀部位1，确保轧件在孔型内轧制的稳定性，得到尺寸精确的优质棒材，利于实际的生产过程。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种实现多向大塑性应变棒材轧制的M型新型孔型结构设计，所述M型新型孔型为上下、左右对称的中凸椭圆型结构，包括外倒角圆弧R，外倒角圆弧R两边为与其外切的外倒角圆弧R1，外倒角圆弧R1的另一端经内倒角圆弧过渡至辊缝的槽口平面，外倒角圆弧R1与槽口平面的夹角呈钝角；

所述M型新型孔型道次尺寸参数设计依据为：

①主要外形尺寸：

B＝a+(a-h)β

h＝H-2M

B、H为参考设计孔型椭圆的宽度与高度，h表示M孔型新型内高，M表示相对于椭圆孔型下M孔型中心内凸距离；

β为宽展系数，a为来料宽度；

b为中凸椭圆轧件的宽度，相当于孔型的充满程度；用δ＝b/B表示，一般以

δ＝0.85～0.96；

②孔型倒角：

内倒角r＝(0.08～0.12)B；

外倒角 $R=\frac{{(H-s)}^2+B^2}{4(H-s)};$ 外倒角 $R_1=\sqrt{\mathrm{RM}-{(M/2)}^2};$

③辊缝与宽展系数：

辊缝s＝(0.2～0.3)h；

宽展系数β＝0.3～0.6，为椭圆件进方孔；β＝0.6～2.2，为方件进椭圆孔；

其它道次孔型尺寸参数设计依据：

(1)、方形孔型

主要外形尺寸：

B＝(1.41～1.42)a

H＝(1.4～1.41)a

h＝h-0.828R

b＝b-s

R＝(0.1～0.2)h

r＝(0.1～0.35)h

s＝0.1a；

(2)、圆形孔型

主要外形尺寸：

H＝2R

B＝2R+△，其中，△—展宽留的余量，△可取1～4mm.

孔型扩展角θ＝15°～30°,通常取30°

r＝2～5mm

s＝2～5mm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明将产品几何尺寸与材料组织性能以及心部大应变有效累积同时考虑到孔型创新过程中，相比仅仅以热轧和控制形状为思路的传统孔型，更有利于获取大应变棒材，从而为超微细晶粒制备提供必要条件。

2、由于轧制过程中的翻钢旋转，M型新型孔型的M型槽凹下部分，正是下一个道次轧制时的辊缝方向，这样，不仅保证了孔型的充满程度以及轧件在孔型内轧制的稳定性，新型孔型的M型槽也有利于防止“耳子”的产生，相比传统孔型在增大宽展量的前提下，更有利于运用少的轧制道次向轧件心部引入更大的累积应变；

3、采用M型新型孔型后的连轧系统能够有效累积心部5.0以上的大应变，满足产生超微细晶的必要条件，并且大应变逐渐导入了产品心部，相比传统孔型心部应变小，边角部应变大，更有利于心部压实防止心部缺陷产生；同时新型孔型能够产生累积大应变的同时断面应变梯度变化小，轧件多向变形均匀。

4、M型新型孔型的设计过程中，严格控制其长、短轴之比小于3:1，孔型填充程度良好，和通常意义上的椭圆孔型之比相当，确保了轧件在孔型轧制过程中各道次间的顺利进入，不至于因为大的孔型宽高比以及大的欠充满程度而产生轧件倾倒现象，相比以往的创新孔型，如文中的扁椭圆孔型，更有利于投入实际生产创造效益。

附图说明

图1为M型新型孔型构成，图中用粗实线部分标示，其中①为—肩膀部位；

图2为传统方孔型构成；

图3为传统圆孔型构成；

图4为连轧末道次形状与应变分布情况，其中：(a)八道次菱/方；(b)七道次方/方；(来料及轧制条件与实施例一相同，最终轧制为边长12mm方钢，主要目的是和实施例一的新型孔型系统形成对比)；

图5为M型新型孔型系统各道次形状与等效应变分布情况；其中：(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别是第一、二、三、四、五、六道次。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种实现多向大塑性应变棒材轧制的M型新型孔型结构设计，如图1所示，所述M型新型孔型为上下、左右对称的中凸椭圆型结构，包括外倒角圆弧R，外倒角圆弧R两边为与其外切的外倒角圆弧R1，外倒角圆弧R1的另一端经内倒角圆弧过渡至辊缝的槽口平面，外倒角圆弧R1与槽口平面的夹角呈钝角；

所述M型新型孔型道次尺寸参数设计依据为：

①主要外形尺寸：

B＝a+(a-h)β

h＝H-2M

B、H为参考设计孔型椭圆的宽度与高度；这里的h表示M型孔型内高，M表示相对于椭圆孔型下M孔型中心内凸距离；

β为宽展系数，a为来料宽度；

b为中凸椭圆轧件的宽度，相当与孔型的充满程度；用δ＝b/B表示。一般以

δ＝0.85～0.96。

②孔型倒角：

内倒角r＝(0.08～0.12)B；

外倒角 $R=\frac{{(H-s)}^2+B^2}{4(H-s)};$ 外倒角 $R_1=\sqrt{\mathrm{RM}-{(M/2)}^2}.$

③辊缝与宽展系数：

辊缝s＝(0.2～0.3)h；

宽展系数β＝0.3～0.6，为椭圆件进方孔；β＝0.6～2.2，为方件进椭圆孔。

图2和图3是传统方孔型和圆孔型,其孔型与M型新型孔型一起构成孔型系列。

实施例一：

通过M型新型孔型系统，将边长为24mm，长800mm，倒角半径6mm的方钢六道次轧制为半径为R＝6.5mm的圆棒。各道次孔型尺寸计算如下：

1.第一道次：M型新型孔型，如图1所示；

取H＝22，β＝1.0，M＝5

h＝H-2M＝22-10＝12

B＝a+(a-h)β＝24+(24-12)＝36

s＝(0.2～0.3)h＝3

R＝21.8

r＝(0.08～0.12)B＝4

R₁＝10.14

δ＝b/B＝33.7/36＝0.936

2.第二道次：方孔型，如图2所示；

取a＝17.5

h＝1.41a＝24.68

R＝5；r＝5

h＝24.68-0.83R＝20.53

b＝24.68-2＝22.68

s≈0.1a≈2

3.第三道次：M型新型孔型，如图1所示；

取H＝14，β＝1.2，M＝2

h＝H-2M＝14-4＝10

B＝a+(a-h)β＝17.5+(17.5-10)1.2＝26.5

s＝(0.2～0.3)h＝3

R＝18.7

r＝(0.08～0.12)B＝3

R₁＝6.03

δ＝b/B＝24.2/36＝0.913

4.第四道次：方孔型，如图2所示；

取a＝13.5

h＝1.4a＝19.1

R＝3；r＝3

h＝19.1-0.83R＝16.61

b＝19.1-2＝17.1

s≈0.1a≈2

5.第五道次：M型新型孔型，如图1所示；

取H＝9，β＝1.5，M＝0，此时与传统椭圆孔型相同。

h＝H-2M＝9

B＝a+(a-h)＝13.5+(13.5-9)1.5＝20.25

s＝(0.2～0.3)h＝2

R＝16.4

r＝(0.08～0.12)B＝2

δ＝b/B＝19.5/20.25＝0.963

6.第六道次：圆孔型，如图3所示；

H＝2R＝13

B＝2R+△＝14.5

R＝6.5

S＝2

θ＝30。

图5所示是建立M型新型孔型系统的一个六道次连轧过程，连轧节奏：来料为边长24mm的方钢，经过第一道次M型新型孔型后翻转90°进入第二道次边长为17.5mm的方孔型，然后翻转45°经第三道次M型新型孔型后翻转90°进入第四道次边长为13.5mm的方孔型，随后再翻转45°进入精轧椭圆孔型，最后再翻转90°进入成品圆孔型完成棒材轧制。

Claims (1)

1.一种实现多向大塑性应变棒材轧制的M型新型孔型结构设计，其特征在于：所述M型新型孔型为上下、左右对称的中凸椭圆型结构，包括外倒角圆弧R，外倒角圆弧R两边为与其外切的外倒角圆弧R1，外倒角圆弧R1的另一端经内倒角圆弧过渡至辊缝的槽口平面，外倒角圆弧R1与槽口平面的夹角呈钝角；

所述M型新型孔型道次尺寸参数设计依据为：

①主要外形尺寸：

B＝a+(a-h)β

h＝H-2M

B、H为参考设计孔型椭圆的宽度与高度，h表示M孔型新型内高，M表示相对于椭圆孔型下M孔型中心内凸距离；

β为宽展系数，a为来料宽度；

b为中凸椭圆轧件的宽度，相当于孔型的充满程度；用δ＝b/B表

示，一般以δ＝0.85～0.96；

②孔型倒角：

内倒角r＝(0.08～0.12)B；

外倒角 $R=\frac{{(H-s)}^2+B^2}{4(H-s)};$ 外倒角 $R_1=\sqrt{\mathrm{RM}-{(M/2)}^2};$

③辊缝与宽展系数：

辊缝s＝(0.2～0.3)h；

宽展系数β＝0.3～0.6，为椭圆件进方孔；β＝0.6～2.2，为方件进椭圆孔；

其它道次孔型尺寸参数设计依据：

(1)、方形孔型

主要外形尺寸：

B＝(1.41～1.42)a

H＝(1.4～1.41)a

h＝h-0.828R

b＝b-s

R＝(0.1～0.2)h

r＝(0.1～0.35)h

s＝0.1a；

(2)、圆形孔型

主要外形尺寸：

H＝2R

B＝2R+△，其中，△—展宽留的余量，△可取1～4mm.

孔型扩展角θ＝15°～30°,通常取30°

r＝2～5mm

s＝2～5mm。