CN107931495A - 一种筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置及方法，该装置包括可旋转的驱动辊、外表面与所述驱动辊外表面接触的环形套模、布置在所述环形套模外侧的导向辊以及设置在所述环形套模内的工字型的芯辊，所述环形套模的高度等于筒形件的高度，所述环形套模的内径等于筒形件的外径，所述芯辊包括竖辊和分别设置在所述竖辊上下两端的上横辊和下横辊，所述竖辊的高度等于筒形件的高度，所述上横辊的外径小于筒形件环坯的内径，所述芯辊朝着驱动辊的方向做直线进给运动。本发明具有成形精度高、各向变形程度和变形均匀性易调控、生产效率高、可加工范围大等优点。

Description

一种筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置及方法

技术领域

本发明属于塑性加工技术领域，具体涉及一种筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置及方法。

背景技术

筒形件是能源、航空、航天等装备的关键构件，如加氢反应罐筒体、运载火箭舱体、导弹壳体等，都是典型的筒形件。筒形件通常壁薄、高厚比大，而且需要通过塑性加工提升组织性能来保障服役可靠性和寿命，其结构特点和高性能要求给塑性加工带来了很大难度。

传统的筒形件塑性加工工艺为自由锻，通过芯轴拔长成形，工艺虽然简单，但是过程通常需多次加热锻造，存在能耗高、效率低、成形精度低、加工余量大、材料利用率低、技术经济性差等缺陷。目前较为先进的筒形件加工工艺有旋压和轧制。旋压工艺加工能耗低、效率高、精度高、成形质量好，但是旋压设备十分昂贵，而且受工艺和设备限制，目前只能实现直径1米以下的中小型筒形件成形。轧制是通过环件轧制方法成形筒形件，同样具有低能耗、高效率、高精度等优点，而且相比旋压，轧制成形尺寸范围大，可成形直径10米以上超大型筒形件。但是轧制是以径向压缩(径向轧制)或径向和轴向同时压缩(径-轴向轧制)、周向伸长变形为特点，难以实现轴向伸长变形，因此筒形件轧制时仍然需要通过自由锻拔长制坯，这样就会影响生产效率和技术经济性。除此之外，无论是传统的自由锻拔长，还是较为先进的旋压和轧制工艺，其变形都具有明显的方向性，如，拔长和旋压以轴向变形为主、轧制以径向和周向变形为主，从而会导致锻件产生明显的各向异性，而对于一些特殊筒形件，通常需要较好的各向性能一致性，这也给筒形件性能调控带来了的困难。因此，发明新的塑性成形工艺，不仅能够提高生产效率、降低生产成本、扩大成形范围，而且可以控制变形带来的各向异性问题，对于高性能筒形件低耗高效制造具有显著的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置及方法，它基于传统的径向轧制方式，通过创新的模具结构设计，可实现轧制过程轴向伸长变形；通过合理的毛坯设计，可以有效调控各向变形程度以满足锻件性能需求，解决了传统轧制工艺的制坯消耗大、各向异性显著等问题，提高了生产效率、降低了生产成本，并有利于改善产品性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，包括可旋转的驱动辊、外表面与所述驱动辊外表面接触的环形套模、布置在所述环形套模外侧的导向辊以及设置在所述环形套模内的工字型的芯辊，所述环形套模的高度等于筒形件的高度，所述环形套模的内径等于筒形件的外径，所述芯辊包括竖辊和分别设置在所述竖辊上下两端的上横辊和下横辊，所述竖辊的高度等于筒形件的高度，所述上横辊的外径小于筒形件环坯的内径，所述芯辊朝着驱动辊的方向做直线进给运动。

按上述技术方案，所述环形套模的外径D₁满足(A-2S_max,2H_min+D₂)_max＜D₁＜A-2S_min，其中，A＝D_d+D_i-D+d+D₂，D为筒形件的外径，d为筒形件的内径，D₂为环形套模的内径，H_min为保证环形套模轧制过程中刚度的最小壁厚，S_min和S_max分别表示装置最小闭合距离和装置最大闭合距离，D_d为驱动辊的直径，D_i为芯辊的竖辊直径。

按上述技术方案，所述上横辊和下横辊相对的表面均为圆台形，且两个圆台形表面的小径端均与竖辊的直径相等，两个圆台形表面的斜度均为3°。

按上述技术方案，所述上横辊与竖辊的半径差b_i＝(D-d)/2-(3～5)mm，其中，D为筒形件的外径。

按上述技术方案，所述下横辊与竖辊的半径差B_i＝(D₀-d₀)/2，其中，D₀和d₀分别为筒形件环坯的外径和内径。

按上述技术方案，所述竖辊的直径D_i＝d₀-2b_i-(40～120)mm。

按上述技术方案，该装置还包括设置在所述下横辊两侧且用于限制其做直线运动的挡板。

相应的，本发明还提供一种基于上述筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的成形方法，该装置配合卧式轧环机使用，包括以下步骤：

S301、环形套模定位：将预热至一定温度的环形套模放置在轧环机托板上，然后驱动芯辊做进给运动，推动环形套模移动，使其表面与驱动辊的外表面接触；

S302、上料：将芯辊退回初始位置，将加热至预定温度的筒形件环坯套入芯辊内，然后驱动芯辊做进给运动，推动筒形件环坯移动，使其外表面与环形套模内表面接触；

S303、轧制：待环形套模和筒形件环坯放好后，启动轧环机，驱动辊旋转，芯辊进给，筒形件环坯在环形套模内产生连续变形，当芯辊进给位移达到预定行程时停止进给并复位，轧制过程结束，完成筒形件的轧制。

按上述技术方案，还包括步骤S304、取料：将环形套模连同筒形件一起取出，置于一压力机工作台的垫环上，通过控制压力机的滑块下行进而带动顶料杆下行，从而将筒形件从环形套模内顶出。

按上述技术方案，该方法还包括轧制成形前的筒形件环坯设计，包括以下步骤：

S101、三向轧制比设计：K₁、K₂、K₃分布表示筒形件环坯在轧制中的径向、轴向和周向轧制比：

a)、筒形件环坯的径向轧制比K₁：0.3≤K₁≤0.6，当筒形件需要较高的性能要求时，K₁取大值，当筒形件有较好的各向性能一致性要求时，K₁取小值；

b)筒形件环坯的轴向轧制比筒形件环坯的周向轧制比其中，a为K₂和K₃的比值，当筒形件的周向性能要求较高时，a取0～0.7，当筒形件的周向与轴向性能要求相当时，a取0.7～1.4，当筒形件的轴向性能要求较高时，a取1.4～a_max，

S102、筒形件环坯尺寸设计：

筒形件环坯的外径

筒形件环坯的内径

筒形件环坯的高度

其中，D、d和H分别表示筒形件的外径、内径和高度。

本发明产生的有益效果是：针对传统轧制成形方法存在的弊端，本发明设计新的轧制装置，通过增加一个环形套模，用来约束轧制过程中环坯的周向伸长变形，实现其轴向伸长变形，具体原理为：环形套模套在环坯外表面，在驱动辊和芯辊的作用下，环形套模内的环坯产生连续的径向压缩、周向伸长变形，使整体壁厚减薄、直径扩大，当环坯外表面扩大至与套模内表面贴合后，其周向变形受环形套模约束，从而产生连续的径向压缩、轴向伸长变形，使整体壁厚减薄、高度增加，而环坯直径在环形套模限制下则保持不变；通过设计工字型芯辊，来限制环形套模内环坯的轴向变形程度，控制其轴向尺寸，而且可以抑制因金属轴向流动不均匀而产生的毛坯端面不平整度。本发明通过环形套模配合工字型芯辊，使筒形件环坯在周向约束情况下产生轴向伸长变形而使高度增加，并且使环坯在三向封闭的型腔中产生变形，各向变形可控，能够精确的控制成形工件直径、壁厚和高度尺寸，提高成形精度。

本发明还通过合理地设计毛坯三向轧制比，能够控制毛坯径向、轴向和周向的变形程度和变形均匀性，以满足工件单向性能和各向性能一致性需求。本发明可以显著简化制坯过程，避免传统轧制需要自由锻拔长制坯造成的大量能源、材料和时间消耗，而且能够改善塑性变形产生的各向异性，提高筒形件的各向性能一致性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中筒形件环坯的结构示意图；

图2为本发明实施例中筒形件的结构示意图；

图3为本发明实施例中环形套模的结构示意图；

图4为本发明实施例中芯辊的结构示意图；

图5a为筒形件轧制开始阶段筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的主视图；

图5b为筒形件轧制开始阶段筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的俯视图；

图6a为筒形件轧制过程中筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的主视图；

图6b为筒形件轧制过程中筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的俯视图；

图7a为筒形件轧制结束阶段筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的主视图；

图7b为筒形件轧制结束阶段筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的俯视图；

图8为筒形件脱模示意图。

图中：1-驱动辊，2-环形套模，3-筒形件环坯，4-芯辊，401-竖辊，402-上横辊，403-下横辊，5-导向辊，6-挡板，7-顶料杆，8-垫环，9-筒形件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图5a-7b所示，一种筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，包括可旋转的驱动辊1、外表面与驱动辊1外表面接触的环形套模2、布置在环形套模2外侧的导向辊5以及设置在环形套模2内的工字型的芯辊4，环形套模2的高度等于筒形件的高度，环形套模2的内径等于筒形件的外径，芯辊4包括竖辊401和分别设置在竖辊401上下两端的上横辊402和下横辊403，竖辊401的高度等于筒形件的高度，上横辊402的外径小于筒形件环坯3的内径，芯辊4朝着驱动辊1的方向做直线进给运动。

在本发明的优选实施例中，如图2、图3所示，环形套模的外径D₁满足(A-2S_max,2H_min+D₂)_max＜D₁＜A-2S_min，其中，A＝D_d+D_i-D+d+D₂，D为筒形件的外径，d为筒形件的内径，D₂为环形套模的内径，H_min为保证环形套模轧制过程中刚度的最小壁厚，S_min和S_max分别表示装置最小闭合距离和装置最大闭合距离，D_d为驱动辊的直径，D_i为芯辊的竖辊直径。

在本发明的优选实施例中，如图4所示，上横辊402和下横辊403相对的表面均为圆台形，且两个圆台形表面的小径端均与竖辊401的直径相等，两个圆台形表面的斜度β均为3°。

在本发明的优选实施例中，如图4所示，上横辊402与竖辊401的半径差

b_i＝(D-d)/2-(3～5)mm，其中，D为筒形件的外径。

在本发明的优选实施例中，如图4所示，下横辊403与竖辊401的半径差B_i＝(D₀-d₀)/2，其中，D₀和d₀分别为筒形件环坯的外径和内径。

在本发明的优选实施例中，如图4所示，竖辊401的直径D_i＝d₀-2b_i-(40～120)mm。

在本发明的优选实施例中，如图5a-图5b所示，该装置还包括设置在下横辊403两侧且用于限制其做直线运动的挡板6。

相应的，本发明还提供一种基于上述筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的成形方法，该装置配合卧式轧环机使用，如图5a-图7b所示，包括以下步骤：

S301、环形套模定位：将预热至一定温度的环形套模放置在轧环机托板上，然后驱动芯辊做进给运动，推动环形套模移动，使其表面与驱动辊的外表面接触；

S302、上料：将芯辊退回初始位置，将加热至预定温度的筒形件环坯套入芯辊内，然后驱动芯辊做进给运动，推动筒形件环坯移动，使其外表面与环形套模内表面接触；

S303、轧制：待环形套模和筒形件环坯放好后，启动轧环机，驱动辊旋转，芯辊进给，筒形件环坯在环形套模内产生连续变形，当芯辊进给位移达到预定行程时停止进给并复位，轧制过程结束，完成筒形件的轧制。

在本发明的优选实施例中，如图8所示，还包括步骤S304、取料：将环形套模2连同筒形件9一起取出，置于一压力机工作台的垫环8上，通过控制压力机的滑块下行进而带动顶料杆7下行，从而将筒形件从环形套模内顶出。

在本发明的优选实施例中，如图1、图2所示，该方法还包括轧制成形前的筒形件环坯设计，包括以下步骤：

S101、三向轧制比设计：K₁、K₂、K₃分布表示筒形件环坯在轧制中的径向、轴向和周向轧制比：

a)、筒形件环坯的径向轧制比K₁：0.3≤K₁≤0.6，当筒形件需要较高的性能要求时，K₁取大值，当筒形件有较好的各向性能一致性要求时，K₁取小值；

b)筒形件环坯的轴向轧制比筒形件环坯的周向轧制比其中，a为K₂和K₃的比值，当筒形件的周向性能要求较高时，a取0～0.7，当筒形件的周向与轴向性能要求相当时，a取0.7～1.4，当筒形件的轴向性能要求较高时，a取1.4～a_max，

S102、筒形件环坯尺寸设计：

筒形件环坯的外径

筒形件环坯的内径

筒形件环坯的高度

其中，D、d和H分别表示筒形件的外径、内径和高度。

本发明在具体应用时，筒形件材料选择2A14铝合金，以外径尺寸D为600mm，内径尺寸d为570mm，高度H为500mm的筒形件为例，其变形可控轧制成形方法主要包括以下步骤。

1.环形套模和芯辊设计

环形套模，如图3所示，其工作尺寸可按下述进行设计：套模工作面高度H_T＝H＝500mm，套模内径尺寸D₂＝D＝600mm，套模外径D₁＝760mm；

工字型芯辊，如图4所示，其工作尺寸可按如下进行设计：芯辊下端侧壁宽度B_i＝30mm，芯辊上端侧壁宽度b_i＝12mm，一般圆台形表面的斜度(侧壁斜度)β＝3°，芯辊工作面直径D_i＝250mm，芯辊工作面高度H_i＝500mm。

2.毛坯设计

在本发明的环形套模和工字型芯辊结构作用下，毛坯在轧制过程中产生受限制的径向压缩、周向伸长和轴向伸长变形，因此可以通过不同的毛坯设计来实现对三向变形程度的调控。

(1)K₁、K₂、K₃反映了毛坯壁厚、高度和直径三个尺寸的变化程度，同时也反映了其在径向、轴向和周向三个方向的变形程度，因此，合理地设计K₁、K₂、K₃值，则可以实现对毛坯三向变形程度的调控。

首先设计径向轧制比K₁，因为其不仅反映了径向变形程度，而且决定着整体变形程度和变形均匀性。K₁过小，变形程度小，毛坯无法通过充分塑性变形来改善组织、提升性能；K₁值过大，不均匀变形程度大，无法有效控制毛坯各向异性。对于筒形件轧制，通常可取0.3≤K₁≤0.6，当筒形件需要较高的性能要求时，K₁可取大值；当筒形件有较好的各向性能一致性要求时，K₁可取小值。本实施例中，取径向变形量K₁＝0.5。

K₁确定后，其次再确定轴向轧制比K₂和周向轧制比K₃比值a。a值反映了毛坯轴向和周向的变形程度差异。可根据筒形件不同的性能要求，来选择a值。本实施例中以控制筒形件的周向与轴向性能相当为需求，取轴向与周向变形量比例系数a＝1，最后可以确定筒形环件轴向变形量K₂＝0.414，周向变形量K₃＝0.414。

(2)毛坯尺寸设计

依据确定的K₁、K₂可以确定如图1所示筒形环坯外径D₀＝443.66mm，内径d₀＝383.66mm，轴向高度H₀＝353.56mm。

3.轧制成形

按照上述装置和毛坯设计方法，设计加工装置和毛坯，在卧式轧环机上轧制成形。轧制过程可按如下步骤实施。

(1)环形套模定位：用机械手将预热至一定温度的环形套模放在轧环机托板上，然后进给芯辊推动环形套模，使其表面与驱动辊外表面贴合；

(2)上料：将芯辊退回初始位置，用机械手将加热至预定温度的毛坯套入芯辊内，然后进给芯辊推动环坯外表面与环形套模内表面贴合；

(3)轧制：待环形套模和毛坯放好后，启动轧环机，驱动辊旋转，芯辊进给，毛坯在套模内产生连续变形，当芯辊进给位移达到预定行程时停止进给并复位，轧制过程结束；

(4)取料：用机械手将环形套模连同工件一起取出，将其置于压力机工作台的垫环上，通过控制压机滑块下行，带动顶料杆下行将工件从环形套模内顶出。

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 (10)

1.一种筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，其特征在于，包括可旋转的驱动辊、外表面与所述驱动辊外表面接触的环形套模、布置在所述环形套模外侧的导向辊以及设置在所述环形套模内的工字型的芯辊，所述环形套模的高度等于筒形件的高度，所述环形套模的内径等于筒形件的外径，所述芯辊包括竖辊和分别设置在所述竖辊上下两端的上横辊和下横辊，所述竖辊的高度等于筒形件的高度，所述上横辊的外径小于筒形件环坯的内径，所述芯辊朝着驱动辊的方向做直线进给运动。

2.根据权利要求1所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，其特征在于，所述环形套模的外径D₁满足(A-2S_max,2H_min+D₂)_max＜D₁＜A-2S_min，其中，A＝D_d+D_i-D+d+D₂，D为筒形件的外径，d为筒形件的内径，D₂为环形套模的内径，H_min为保证环形套模轧制过程中刚度的最小壁厚，S_min和S_max分别表示装置最小闭合距离和装置最大闭合距离，D_d为驱动辊的直径，D_i为芯辊的竖辊直径。

3.根据权利要求1所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，其特征在于，所述上横辊和下横辊相对的表面均为圆台形，且两个圆台形表面的小径端均与竖辊的直径相等，两个圆台形表面的斜度均为3°。

4.根据权利要求1所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，其特征在于，所述上横辊与竖辊的半径差b_i＝(D-d)/2-(3～5)mm，其中，D为筒形件的外径。

5.根据权利要求1所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，其特征在于，所述下横辊与竖辊的半径差B_i＝(D₀-d₀)/2，其中，D₀和d₀分别为筒形件环坯的外径和内径。

6.根据权利要求4所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，其特征在于，所述竖辊的直径D_i＝d₀-2b_i-(40～120)mm。

7.根据权利要求1所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置，其特征在于，该装置还包括设置在所述下横辊两侧且用于限制其做直线运动的挡板。

8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形装置的成形方法，其特征在于，该装置配合卧式轧环机使用，包括以下步骤：

S301、环形套模定位：将预热至一定温度的环形套模放置在轧环机托板上，然后驱动芯辊做进给运动，推动环形套模移动，使其表面与驱动辊的外表面接触；

S302、上料：将芯辊退回初始位置，将加热至预定温度的筒形件环坯套入芯辊内，然后驱动芯辊做进给运动，推动筒形件环坯移动，使其外表面与环形套模内表面接触；

S303、轧制：待环形套模和筒形件环坯放好后，启动轧环机，驱动辊旋转，芯辊进给，筒形件环坯在环形套模内产生连续变形，当芯辊进给位移达到预定行程时停止进给并复位，轧制过程结束，完成筒形件的轧制。

9.根据权利要求8所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形方法，其特征在于，还包括步骤S304、取料：将环形套模连同筒形件一起取出，置于一压力机工作台的垫环上，通过控制压力机的滑块下行进而带动顶料杆下行，从而将筒形件从环形套模内顶出。

10.根据权利要求8所述的筒形件的各向变形可控闭式轧制成形方法，其特征在于，该方法还包括轧制成形前的筒形件环坯设计，包括以下步骤：

S101、三向轧制比设计：K₁、K₂、K₃分布表示筒形件环坯在轧制中的径向、轴向和周向轧制比：

a)、筒形件环坯的径向轧制比K₁：0.3≤K₁≤0.6，当筒形件需要较高的性能要求时，K₁取大值，当筒形件有较好的各向性能一致性要求时，K₁取小值；

b)筒形件环坯的轴向轧制比筒形件环坯的周向轧制比其中，a为K₂和K₃的比值，当筒形件的周向性能要求较高时，a取0～0.7，当筒形件的周向与轴向性能要求相当时，a取0.7～1.4，当筒形件的轴向性能要求较高时，a取1.4～a_max，

S102、筒形件环坯尺寸设计：

筒形件环坯的外径

筒形件环坯的内径

筒形件环坯的高度

其中，D、d和H分别表示筒形件的外径、内径和高度。