CN106825339A - 一种高温合金f型截面环件的异形坯料设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法，包括：按照F型环件的体积分布特征曲线设计坯料，根据环件轧制过程中的金属轴向流动的特性，设定理想坯料总高度与环件总高度相等，两台阶高度由环件相应台阶高度确定。根据选取的轧制比和体积守恒定律建立数学模型，确定理想坯料的径向尺寸。根据体积分割互补原则，简化理想坯料尺寸。根据有限元模拟得到的截面填充情况优化坯料中圆角的大小，最终确定实际坯料的形状和尺寸。本发明通过上述方法，可以有效解决F型环件轧制过程中填充不满的缺陷，在提高材料利用率的情况下，节约了生产成本，同时避免了机加工对锻件内部流线的破坏。

Description

一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法

技术领域

本发明涉及环件轧制成形加工技术领域，特别是涉及一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法。

背景技术

环件轧制又称环件辗扩或扩孔，它是借助环件轧制设备-轧环机(又称辗扩机或扩孔机)使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。在国内，矩形截面环件生产技术已经成熟，但是异形截面的环件生产仍然存在各式各样的问题，最常见的问题就是充不满，因此在实际生产中常常采用较大的加工余量以保证最终零件尺寸的完整性，然后经过机加工得到规定的零件尺寸，从而造成大量的材料浪费。

对于高温合金F型截面环件，若采用简单的矩形截面环坯，F型环件两个台阶处的体积分布明显不够，经常会出现环件只有周向的长大但是充不满的情况，因此需要设计较大的加工余量，使得后续机加工量大，材料利用率非常低，成本较高，同时会破坏环件内部的流线。若采用多道次轧制，需要设计多套模具，大大提高了生产成本。

因此，目前缺少一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法，使得F型环件在轧制过程中能够填充完全，在提高材料利用率的情况下保留锻件本身的流线。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，使F型环件轧制过程中能够填充完全，在提高材料利用率的情况下也保留锻件本身的流线，同时减少加工成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法，包括，

步骤一，根据环件台阶高度确定理想坯料台阶处圆弧半径；

R₁₁＝0.75B₁+0.5R₀₀

R₀₀＝R₀

其中，R₀表示环件的圆角半径，R₀₀表示理想坯料的圆角半径，R₁₁为理想坯料台阶处的圆弧半径，B₁表示F型环件的台阶高度；

步骤二，按照F型环件的体积分布特征曲线确定F型环件的坯料形状，根据环件轧制过程中的金属轴向流动的特性，设定理想坯料总高度与环件总高度相等，不同部位的轴向尺寸B₁₁、B₂₂、B₃₃、B₄由以下公式确定

B₁₁＝1.5B₁+R₀₀

B₂₂＝B₂-R₁₁+R₀₀

B₃₃＝B₃+R₁₁-R₀₀

B₄₄＝(0.98-1.0)B₄

其中，B₂、B₃、B₄分别表示F型环件不同部位的轴向尺寸；R₀₀、R₁₁分别表示理想坯料的圆角半径和台阶处的圆弧半径。

步骤三，根据选取的轧制比λ和体积守恒定律V_B＝V_R建立数学模型，确定理想坯料的内圆和外圆直径

式中

式中，D₁₁、D₂₂分别为理想坯料的内、外圆直径；D₁、D₂分别为环件的内、外圆直径；R₀、R₀₀分别为环件、理想坯料的圆角半径；R₁₁为理想坯料台阶处的圆弧半径；α表示理想坯料台阶处圆弧与圆角切点与圆心连线和竖直方向的夹角，并且

步骤四，沿轴线方向切割两台阶处的圆弧，使切下的两台阶圆弧体积(分别记为V_A、V_C，且V_A＝V_C)与两台阶中间空余部分的体积V_B满足：

V_A+V_C＝0.8V_B，即V_A＝0.4V_B

式中

θ表示分割后直线与圆弧交点和圆心的连线与竖直方向的夹角解得θ的值，则：

D₃₃₃＝D₂₂₂+2R₁₁Sinθ

B₁₁₁＝B₂₂+R₀₀+2R₁₁Cosθ

式中D₃₃₃表示实际坯料外台阶的直径，B₁₁₁表示实际坯料中分割线和上台阶的上交点与下台阶底部之间的距离。

步骤五，由有限元模拟得到的截面填充情况优化坯料中圆角的大小。

本发明相对于现有技术，产生了以下技术效果：

本发明依据体积分布特征曲线，合理的设计了F型环件的坯料形状，依据轧制比额体积不变准则计算坯料的具体尺寸，可以有效解决F型环件轧制过程中填充不满的缺陷，在提高材料利用率的情况下，也保留了锻件本身的流线，提高了锻件的力学性能，相对于多道次轧制，本发明减少了轧制道次，节约了时间和能耗，经有限元模拟，可以得到完整的F型环件轮廓。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法的流程图；

图2为本发明实施例中F型环件结构示意图；

图3为本发明实施例中F型环件理想坯料结构示意图；

图4为本发明实施例中体积分割补偿法计算示意图；

图5为本发明实施例中F型环件实际坯料结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法，以解决现有技术存在的问题，使F型环件轧制过程中能够填充完全，在提高材料利用率的情况下也保留锻件本身的流线，提高锻件的力学性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1-5，本发明提供一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法，

在此，首先需引入一个新的函数来表示环件体积在轴向的分布趋势，我们定义这个函数为体积分布特征曲线(简称VDCC)，用如下函数表达式表示：

x＝f(y)

其中，x表示单层体积与总体积的百分比，y为环件的轴向方向。在进行坯料设计时，我们首先将坯料沿周线方向进行等分，假设沿轴向将环件等分为n层，每一层的厚度用Δy表示，则：

n＝(y_max-y_min)/Δy

我们将环件内外轮廓的曲线用函数的形式表达出来，如下：

W＝W(y)

N＝N(y)

其中，W表示环件外径曲线轮廓的表达式，N表示环件内径曲线轮廓的表达式。则环件各层的体积为：

V_i＝π*(W_y ²-N_y ²)*Δy

环件的总体积为

则各层的体积分数为x_i＝v_i/v

将所得到的体积分数值值进行线性插值最终得到环件体积分布的特征曲线。

该方法的特点：环件整体划分的片层数越多，越细密，得到的最终的体积分布越准确。

在F型环件中，最为典型的形状为图2所示形状:其中各个圆弧处的圆角大小均相等，环件凸出部位的台阶长度也相等，在进行该环件坯料设计时，遵循如下的步骤：

步骤一，根据环件的台阶高度确定理想坯料台阶处的圆弧半径；

R₁₁＝0.75B₁+0.5R₀₀

R₀₀＝R₀

式中，R₀表示环件的圆角半径，R₀₀表示理想坯料的圆角半径，R₁₁为台阶处圆弧半径，B₁表示F型环件的台阶高度(参见附图2)；

步骤二，按照F型环件的体积分布特征曲线确定F型环件的坯料形状(参见附图3)，根据环件轧制过程中的金属轴向流动的特性，设定理想坯料总高度与环件总高度相等，由以下公式确定理想坯料的不同部位的轴向尺寸B₁₁、B₂₂、B₃₃、B₄₄。

B₁₁＝1.5B₁+R₀₀

B₂₂＝B₂-R₁₁+R₀₀

B₃₃＝B₃+R₁₁-R₀₀

B₄₄＝(0.98-1.0)B₄

其中，B₂、B₃、B₄分别表示F型环件的不同部位的轴向尺寸；R₀₀、R₁₁分别表示理想坯料的圆角半径和台阶处的圆弧半径。

步骤三，根据选取的轧制比λ和体积守恒定律V_B＝V_R建立数学模型，确定理想坯料的内圆和外圆直径

式中

式中，D₁₁、D₂₂分别为理想坯料的内、外圆直径；D₁、D₂分别为环件的内、外圆直径；R₀、R₀₀分别为环件、理想坯料的圆角半径；R₁₁为理想坯料台阶处的圆弧半径；α表示理想坯料台阶处圆弧与圆角切点与圆心连线和竖直方向的夹角，并且

步骤四，沿轴线方向切割两台阶处的圆弧，使切下的两台阶圆弧体积(分别记为V_A、V_C，且V_A＝V_C)与两台阶中间空余部分的体积V_B满足：

V_A+V_C＝0.8V_B，即V_A＝0.4V_B

式中

θ表示分割后直线与圆弧交点和圆心的连线与竖直方向的夹角(参见附图4所示)。

解得θ的值，则：

D₃₃₃＝D₂₂₂+2R₁₁Sinθ

B₁₁₁＝B₂₂+R₀₀+2R₁₁Cosθ

式中D₃₃₃表示实际坯料外台阶的直径，B₁₁₁表示实际坯料中分割线和上台阶的上交点与下台阶底部之间的距离。

步骤五，由有限元模拟得到的截面填充情况优化坯料中圆角的大小。参见附图5为实际坯料形状和尺寸。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种高温合金F型截面环件的异形坯料设计方法，其特征在于，包括：

步骤一，按照F型环件的体积分布特征曲线确定F型环件的坯料形状，根据环件台阶高度确定理想坯料台阶处圆弧半径；

R₁₁＝0.75B₁+0.5R₀₀

R₀₀＝R₀

式中，R₀表示环件的圆角半径，R₀₀表示理想坯料的圆角半径，R₁₁表示理想坯料台阶处圆弧半径，B₁表示F型环件的台阶高度；

步骤二，根据环件轧制过程中的金属轴向流动的特性，设定理想坯料总高度与环件总高度相等，不同部位的轴向尺寸B₁₁、B₂₂、B₃₃、B₄由以下公式确定

B₁₁＝1.5B₁+R₀₀

B₂₂＝B₂-R₁₁+R₀₀

B₃₃＝B₃+R₁₁-R₀₀

B₄₄＝(0.98-1.0)B₄

其中，B₁、B₂、B₃、B₄分别表示F型环件不同部位的轴向尺寸；R₀₀、R₁₁分别表示理想坯料的圆角半径和台阶处的圆弧半径；

步骤三，根据选取的轧制比λ和体积守恒定律V_B＝V_R建立数学模型，确定理想坯料的内圆和外圆直径

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\λ}=\frac{S_B}{S_R}\\ V_B=V_R\end{array}\right.$

式中

$S_R=(D_2-D_1)\×B_4+2(D_5-D_2)\×(B_3-B_2)-4({R_{00}}^2-\frac{1}{4}{{\mathrm{\πR}}_{00}}^2)$

$\begin{array}{c}{V}_B=\[\mathrm{\π}{\left(\frac{D_{22}}{2}\right)}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{D_{11}}{2}\right)}^2\]\×B_{44}-{\∫}_{-R_{00}}^0\mathrm{\π}{\left(\frac{D_{22}}{2}\right)}^2-\mathrm{\π}{\[(\frac{D_{22}}{2}+\sqrt{{R_{00}}^2-X^2}-R_{00})\]}^{2}dx\\ +2({\∫}_{-R_{11\cos \mathrm{\α}}}^{R_{11\cos \mathrm{\α}}}\mathrm{\π}{(\sqrt{{R_{11}}^2-x^2}+\frac{D_{22}}{2})}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{D_{22}}{2}\right)}^{2}dx\\ +4{\∫}_0^{R_{00}Cos\mathrm{\α}}\mathrm{\π}{(\frac{D_{22}}{2}+R_{00}-\sqrt{{R_{00}}^2-x^2})}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{D_{22}}{2}\right)}^{2}dx)\end{array}$

$\begin{array}{c}{V}_R=\[\mathrm{\π}{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2\]\×B_4-{\∫}_{-R_0}^0\mathrm{\π}{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2-\mathrm{\π}{\[(\frac{D_2}{2}+\sqrt{{R_0}^2-X^2}-R_0)\]}^{2}dx+2\mathrm{\π}\[{\left(\frac{D_4}{2}\right)}^2-\\ {\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2\](B_3-B_2)+3({\∫}_0^{R_0}\mathrm{\π}{\[\left(\frac{D_3}{2}-\sqrt{{R_0}^2-x^2}\right)\]}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^{2}dx)+4({\∫}_{-R_0}^0\mathrm{\π}{\[(\frac{D_4}{2}+\sqrt{{R_0}^2-X^2})\]}^2-\\ \mathrm{\π}{\left(\frac{D_4}{2}\right)}^{2}dx+{\∫}_0^{\frac{R_3-R_2}{2}-R_0}\mathrm{\π}{\left(\frac{D_5}{2}\right)}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{D_4}{2}\right)}^{2}dx)\end{array}$

式中，D₁₁、D₂₂分别为理想坯料的内、外圆直径；D₁、D₂分别为环件的内、外圆直径；R₀、R₀₀分别为环件、理想坯料的圆角半径；R₁₁为理想坯料台阶处的圆弧半径；α表示理想坯料台阶处圆弧与圆角切点与圆心连线和竖直方向的夹角，并且

步骤四，沿轴线方向切割两台阶处的圆弧，使切下的两台阶圆弧体积(分别记为V_A、V_C，且V_A＝V_C)与两台阶中间空余部分的体积V_B满足：

V_A+V_C＝0.8V_B，即V_A＝0.4V_B

式中

$\begin{array}{c}{V}_B=2({\∫}_0^{\frac{B_{22}-B_{11}}{2}}\mathrm{\π}\[{(\frac{D_{22}}{2}+R_{11}Sin\mathrm{\θ})}^2-{\left(\frac{D_{22}}{2}\right)}^2\]dx+{\∫}_{-R_{00}}^0\mathrm{\π}\[{(\frac{D_{22}}{2}+R_{11}Sin\mathrm{\θ})}^2-(\frac{D_{22}}{2}+R_{00}-\\ \sqrt{{R_{00}}^2-x^2}{)}^2\]dx)\end{array}$

θ表示分割后直线与圆弧交点和圆心的连线与竖直方向的夹角

解得θ的值，则：

D₃₃₃＝D₂₂₂+2R₁₁Sinθ

B₁₁₁＝B₂₂+R₀₀+2R₁₁Cosθ

式中D₃₃₃表示实际坯料外台阶的直径，B₁₁₁表示实际坯料中分割线和上台阶的上交点与下台阶底部之间的距离；

步骤五，由有限元模拟得到的截面填充情况优化坯料中圆角的大小。