CN105108016B - 应变分布可控的环件径向轧制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应变分布可控的环件径向轧制方法，该方法通过驱动辊和主动旋转的芯辊对环件进行径向轧制，该方法包括如下步骤：A.根据环件产品尺寸及预期应变量，确定环件轧制比，从而得到环件毛坯尺寸；B.根据驱动辊转速和轧制进给速度确定芯辊转速曲线；C.按照设定的驱动辊转速和轧制进给速度以及芯辊转速曲线上相应的芯辊转速进行轧制。该方法能够形成有益于塑性变形均匀性的受力状态，从而大幅度提高轧制环件的内部组织均匀性，适用于稳定地大批量生产性能优异、寿命长的环形零件。

Description

应变分布可控的环件径向轧制方法

技术领域

本发明涉及一种环件径向轧制方法，具体涉及一种应变分布可控的环件径向轧制方法，该方法能大幅度提高轧制环件的内部组织均匀性，适用于稳定地大批量生产性能优异、寿命长的环形零件。

背景技术

在我国大量使用的轧环机结构简单，主要通过电动机和减速箱带动驱动辊匀速旋转运动，通过液压或气压推动驱动辊直线进给运动，芯辊随动。当驱动辊带动环件毛坯连续通过驱动辊和芯辊构成的孔型时，环件毛坯产生厚度变小、直径长大的变形。这种轧环机结构简单、制造容易、价格便宜，相应的环件轧制工艺控制参数较少。

目前，由于芯辊在轧制过程中是随动的，即芯辊的转动是因为与环件内表面的摩擦产生的，可能会因驱动辊的进给量和旋转速度的不同组合，造成芯辊不同的随动状态和旋转速度，因此其旋转速度具有较大的随意性而不可控。这种状况使环件毛坯变形区受力处于不稳定的状态，轧制成形的环件产品表层和厚度中间层的应变相差2-3倍甚至以上，因此造成环件产品形状虽然满足要求，但是环件产品的内部组织因为应变分布严重不均，引起的内部晶粒和硬质相的不均匀分布，从而使环件产品的质量保持性差、寿命短。因此急需通过改进环件轧制设备和工艺，增强对环件轧制设备和工艺过程的匹配和控制，提供更稳定的塑性变形方法，使材料基体原生晶粒更加细小致密、次生硬质相更加均匀弥散、晶界与晶粒成分更加均匀一致，这是得到轴承圈合理晶粒流线，达到基体综合强韧性要求，从而填补从高纯度材料制备到高精度机械加工之间缺失的重要工艺环节的唯一途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种应变分布可控的环件径向轧制方法，该方法采用主动旋转驱动的芯辊，通过匹配驱动辊和芯辊的转速控制环件的应变分布，形成有益于塑性变形均匀性的受力状态，从而大幅度提高轧制环件的内部组织均匀性，适用于稳定地大批量生产性能优异、寿命长的环形零件。

本发明所采用的技术方案是：

一种应变分布可控的环件径向轧制方法，该方法通过驱动辊和主动旋转的芯辊对环件进行径向轧制，该方法包括如下步骤：A.根据环件产品尺寸及预期应变量，确定环件轧制比，从而得到环件毛坯尺寸；B.根据驱动辊转速和轧制进给速度确定芯辊转速曲线；C.按照设定的驱动辊转速和轧制进给速度以及芯辊转速曲线上相应的芯辊转速进行轧制。

进一步地，所述毛坯尺寸的计算方法是：

A.首先根据材料的塑性变形能力选取轧制比λ，对于热态轧制加工材料λ选取1.5-3，对于冷态轧制加工材料λ选取1.3-1.6；

B.根据环件锻件尺寸，通过下式确定环件毛坯的尺寸，

式中，D，d为环件锻件的外径和内径，D₀，d₀为环件毛坯的外径和内径。

进一步地，所述的确定芯辊转速曲线的计算方法是：

A.采用给定设备条件下，环件轧制的每转进给量计算如下，

式中，Δh_p为每转进给量，P为轧制设备的轧制力，σ_s为轧制温度下环件材料的屈服强度，b为环件轴向高度，D，d为环件锻件的外径和内径，D₁，D₂分别为驱动辊和芯辊的工作外径，n为系数，其值为3-6；

B.根据环件毛坯尺寸和每转进给量确定轧制进给速度，

式中，n₁为驱动辊转速，D₀为环件毛坯的外径；

C.根据轧制进给速度和驱动辊转速，确定与之匹配的芯辊转动速度计算如下，

式中，t是轧制时间变量，ξ为速度系数。

进一步地，所述ξ的优选范围为0.1-0.4。

进一步地，当ξ≥1时，采用本方法轧制的环件内外表面比中间部位的应变大100％-240％；当ξ＝0.1时，采用本方法轧制的环件应变分布的径向不均匀度小于20％，轴向不均匀度小于10％；当ξ＝0.4时，采用本方法轧制的环件应变分布的径向不均匀度小于50％，轴向不均匀度小于20％。

本发明的有益效果是：

该方法通过驱动辊和主动旋转的芯辊对环件进行径向轧制，环件在驱动辊转矩T₁和芯辊转矩T₂≠0的共同作用下，连续转动并产生塑性变形，环件的内外表面分别受到芯辊转矩T₂和驱动辊转矩T₁的作用，环件的内外表面受力相反变形区被“拉长”，形成有益于塑性变形均匀性的受力状态，因驱动辊和芯辊与环件接触表面线速度不相等(n₂＜n₁)，如图1和图2所示，轧制时驱动辊侧的中性点(A2)移动到靠近变形区出口处(A1)，而芯辊因与驱动辊的速度差，使得芯辊侧的中性点(B3)向变形区入口侧(B4)移动，两侧中性点之间的区域(A2B2B3A3)因两侧接触界面摩擦力反向被称为搓轧区，靠近出口处的区域(A1B1B2A2)因两侧接触界面质点运动速度比驱动辊和芯辊大被称为前滑区，靠近入口处的区域(A3B3B4A4)因两侧接触界面质点运动速度比驱动辊和芯辊小被称为后滑区，这样就形成了由前滑区、搓轧区和后滑区组成的变形区，搓轧区面积的变大(拉长)改变了环件变形区的变形条件，通过匹配控制驱动辊和芯辊的转速，可以控制变形区的受力情况(应力分布)，使之均匀受力从而均匀的变形；芯辊转速曲线由驱动辊转速和轧制进给速度确定得到，确定了驱动辊转速和轧制进给速度即可通过芯辊转速曲线得到与之相匹配的芯辊转速，从而实现了环件径向轧制时的应变分布控制。

附图说明

图1是环件在芯辊主动旋转驱动轧制时变形区金属质点的受力分析图。

图2是图1中A处的放大图。

图3是采用本方法轧制的环件在不同速度系数下上端面的径向应变分布图。

图4是采用本方法轧制的环件在不同速度系数下中部的径向应变分布图。

图5是采用本方法轧制的环件在不同速度系数下下端面的径向应变分布图。

图中：1-前滑区；2-搓轧区；3-后滑区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种应变分布可控的环件径向轧制方法，该方法通过驱动辊和主动旋转的芯辊对环件进行径向轧制，该方法包括如下步骤：A.根据环件产品尺寸及预期应变量，确定环件轧制比，从而得到环件毛坯尺寸；B.根据驱动辊转速和轧制进给速度确定芯辊转速曲线；C.按照设定的驱动辊转速和轧制进给速度以及芯辊转速曲线上相应的芯辊转速进行轧制。

所述毛坯尺寸的计算方法是：

A.首先根据材料的塑性变形能力选取轧制比λ，对于热态轧制加工材料λ选取1.5-3，对于冷态轧制加工材料λ选取1.3-1.6；

B.根据环件锻件尺寸，通过下式确定环件毛坯的尺寸，

式中，D，d为环件锻件的外径和内径，D₀，d₀为环件毛坯的外径和内径。

所述的确定芯辊转速曲线的计算方法是：

A.采用给定设备条件下，环件轧制的每转进给量计算如下，

式中，Δh_p为每转进给量，P为轧制设备的轧制力，σ_s为轧制温度下环件材料的屈服强度，b为环件轴向高度，D₁，D₂分别为驱动辊和芯辊的工作外径，n为系数，其值为3-6；

B.根据环件毛坯尺寸和每转进给量确定轧制进给速度，

式中，n₁为驱动辊转速；

C.根据轧制进给速度和驱动辊转速，确定与之匹配的芯辊转动速度计算如下，

式中，t是轧制时间变量，ξ为速度系数。

如果采用随动芯辊进行轧制，在轧制过程中，驱动辊保持恒定转速n₁，因环件轧制壁厚减薄，随动芯辊的转速会不断变化(不可控)且旋转方向与驱动辊相反，此时，芯辊提供给环件的转矩为T₂＝0。如图1和图2所示，按照式(4)给定的曲线控制芯辊转速n₂，环件在驱动辊转矩T₁和芯辊转矩T₂≠0的共同作用下，连续转动并产生塑性变形，环件的内外表面分别受到芯辊转矩T₂和驱动辊转矩T₁的作用，环件的内外表面受力相反变形区被“拉长”，形成有益于塑性变形均匀性的受力状态，因驱动辊和芯辊与环件接触表面线速度不相等(n₂＜n₁)，如图1和图2所示，轧制时驱动辊侧的中性点(A2)移动到靠近变形区出口处(A1)，而芯辊因与驱动辊的速度差，使得芯辊侧的中性点(B3)向变形区入口侧(B4)移动，两侧中性点之间的区域(A2B2B3A3)因两侧接触界面摩擦力反向被称为搓轧区2，靠近出口处的区域(A1B1B2A2)因两侧接触界面质点运动速度比驱动辊和芯辊大被称为前滑区1，靠近入口处的区域(A3B3B4A4)因两侧接触界面质点运动速度比驱动辊和芯辊小被称为后滑区3，这样就形成了由前滑区1、搓轧区2和后滑区3组成的变形区，搓轧区2面积的变大(拉长)改变了环件变形区的变形条件，通过匹配控制驱动辊和芯辊的转速，可以控制变形区的受力情况(应力分布)，使之均匀受力从而均匀的变形；芯辊转速曲线由驱动辊转速和轧制进给速度确定得到，确定了驱动辊转速和轧制进给速度即可通过芯辊转速曲线得到与之相匹配的芯辊转速，从而实现了环件径向轧制时的应变分布控制。

如图3至图5所示，分别为采用本方法轧制的环件在不同速度系数下上端面、中部和下端面的径向应变分布图。由图可知，当ξ≥1时，采用本方法轧制的环件内外表面比中间部位的应变大100％-240％；当ξ＝0.1时，采用本方法轧制的环件应变分布的径向不均匀度小于20％，轴向不均匀度小于10％；当ξ＝0.4时，采用本方法轧制的环件应变分布的径向不均匀度小于50％，轴向不均匀度小于20％。由此可见，通过驱动辊和主动旋转的芯辊对环件进行径向轧制的方法确实能实现均匀性的提高，不过，为了保证轧制出内部组织均匀性较好的环件，ξ的优选范围为0.1-0.4；通过试验可以统计得到环件在不同ξ下轧制后的应力分布，通过控制ξ，即可控制得到不同应力分布的环件。

综上所述，该方法适用于稳定地大批量生产性能优异、寿命长的环形零件。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种应变分布可控的环件径向轧制方法，其特征在于：该方法通过驱动辊和主动旋转的芯辊对环件进行径向轧制，该方法包括如下步骤：A.根据环件产品尺寸及预期应变量，确定环件轧制比，从而得到环件毛坯尺寸；B.根据驱动辊转速和轧制进给速度确定芯辊转速曲线；C.按照设定的驱动辊转速和轧制进给速度以及芯辊转速曲线上相应的芯辊转速进行轧制；

所述毛坯尺寸的计算方法是，

A.首先根据材料的塑性变形能力选取轧制比λ，对于热态轧制加工材料λ选取1.5-3，对于冷态轧制加工材料λ选取1.3-1.6；

B.根据环件锻件尺寸，通过下式确定环件毛坯的尺寸，

$\left\{\begin{array}{c}D=\frac{1}{2}\[\mathrm{\λ}(D_0+d_0)-\frac{(D_0-d_0)}{\mathrm{\λ}}\]\\ d=\frac{1}{2}\[\mathrm{\λ}(D_0+d_0)-\frac{(D_0-d_0)}{\mathrm{\λ}}\]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，D,d为环件锻件的外径和内径，D₀,d₀为环件毛坯的外径和内径；

所述的确定芯辊转速曲线的计算方法是,

A.采用给定设备条件下，环件轧制的每转进给量计算如下，

${\mathrm{\Δh}}_p={\left(\frac{P}{{\mathrm{n\σ}}_{s}b}\right)}^2(\frac{1}{D_1}+\frac{1}{D_2}+\frac{1}{D}-\frac{1}{d})---\left(2\right)$

式中，Δh_p为每转进给量，P为轧制设备的轧制力，σ_s为轧制温度下环件材料的屈服强度，b为环件轴向高度，D₁,D₂分别为驱动辊和芯辊的工作外径，n为系数，其值为3-6；

B.根据环件毛坯尺寸和每转进给量确定轧制进给速度，

$v=\frac{2n_1{D}_1{\mathrm{\Δh}}_p}{D_0+D}---\left(3\right)$

式中，n₁为驱动辊转速；

C.根据轧制进给速度和驱动辊转速，确定与之匹配的芯辊转动速度计算如下，

$n_2=\mathrm{\ξ}\frac{2D_1(b-vt)\[-b+vt+\frac{-\frac{d_0^2}{4}+\frac{D_0^2}{4}+{(b-vt)}^2}{2(b-vt)}\]}{\[-\frac{d_0^2}{4}+\frac{D_0^2}{4}+(b-vt)\]D_2}{n}_1---\left(4\right)$

式中，t是轧制时间变量，ξ为速度系数。

2.如权利要求1所述的应变分布可控的环件径向轧制方法，其特征在于：所述ξ的取值范围为0.1-0.4。

3.如权利要求1所述的应变分布可控的环件径向轧制方法，其特征在于：当ξ≥1时，采用本方法轧制的环件内外表面比中间部位的应变大100％-240％；当ξ＝0.1时，采用本方法轧制的环件应变分布的径向不均匀度小于20％，轴向不均匀度小于10％；当ξ＝0.4时，采用本方法轧制的环件应变分布的径向不均匀度小于50％，轴向不均匀度小于20％。