CN108435998A - 一种环件复合制坯热轧成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种环件复合制坯热轧成形方法，首先以较小直径的圆铸坯为原材料，经轴向镦粗变形和表面机加工得到较大直径的坯料单元；然后将多个坯料单元表面清理、轴向堆垛、点焊固定、真空封焊得到所需尺寸的焊接料段；再进行高温变形和扩散连接，实现坯料单元各接触面的焊合，获得整体坯料；然后进行多向锻造和冲孔获得所需尺寸的环坯；最后进行径轴向热轧成形，获得所需尺寸与性能的重型环件。本发明以多个小规格圆铸坯锻焊成形大规格坯料、多向锻造成形环坯、径轴向热轧成形环件，可实现核电、航天等重型环锻件成形。

Description

一种环件复合制坯热轧成形方法

技术领域

本发明属于塑性加工的技术领域，尤其涉及一种环件复合制坯热轧成形方法。

背景技术

环形零件是机械装备、风电核电装备、航天运载装备等重大装备中的关键基础零部件，随着装备尺寸大型化发展需求，所需环件尺寸越来越大，相应环锻件重量也越来越重。例如，长征9号重型运载火箭燃料贮箱过渡环直径达8m以上，相应矩形铝合金环锻件重量达8吨以上；四代核电不锈钢支承环直径达15m，相应矩形不锈钢环锻件重量达100吨以上。随着环锻件重量的增加，不仅环锻件轧制难度加大，而且对环坯制造难度和原材料质量规格提出更高的要求。环锻件重量越大，环坯重量也越大，所需原材料也越重。由于镦粗高径比一般不超过3，所以制备超重环坯通常需要大直径铸锭，而铸锭直径越大，铸锭的内部质量越差，且受技术制约目前所能生产的铸锭直径有限，重量也有限。因此，开发超重型环锻件的首要问题是解决环坯和原材料的制备。大直径超重优质铸锭的制备目前仍属于国际难题，需要更先进的铸造工艺和装备以及更严格的过程控制技术，短时间内难以有较大突破；同样，高径比大于3的铸锭镦粗也是一项重大难题，专利CN201710205539.4公开了一种大高径比镦粗方法，但是针对不同尺寸环坯，需配备专用模具，工序繁多。因此，迫切需要研发重型环锻件制坯和轧制技术，以满足核电、航天等重型装备发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环件复合制坯热轧成形方法，通过锻焊复合成形，实现由小规格圆铸坯制备大规格环坯，进而热轧成形获得所需尺寸的重型环件。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种环件复合制坯热轧成形方法，其特征在于，它包括如下具体步骤：

1)坯料单元制备，将圆铸坯通过锯床下料至设计高度，得到多个坯料段，然后将坯料段放入加热炉中加热至始锻温度并保温，取出坯料段放到压力机工作台上进行镦粗、滚圆、平端面，得到锻造料段，待锻造料段冷却后再将其表面进行机加工，得到所需尺寸的坯料单元，保证其上下端面足够平整光滑；

2)焊接料段制备，用酒精或丙酮有机溶剂清洁坯料单元表面油污，保证其表面足够干净，然后将多个坯料单元沿轴向进行堆垛形成所需尺寸的预焊接料段，将预焊接料段各贴合面沿圆周方向进行点焊固定，再将该料段放入真空室中，抽真空后采用激光或电子束对各贴合面沿周向进行真空封焊，保证焊缝的气密性好，防止界面在后续加热过程中产生氧化，取出焊接料段后对焊缝处进行机加工，保证表面光滑；

3)坯料高温变形及扩散连接，将所制备的焊接料段放入加热炉中加热保温，取出焊接料段放到压力机工作台上进行轴向镦粗，合理控制压下量和压下速度，实现各个坯料单元间的高温变形连接，变形结束后，将变形坯料放回加热炉中加热保温，进行高温扩散连接，进一步提升结合面的强度以及成分均匀化，最终得到一块无缝的整体坯料；

4)环坯锻造成形，将整体坯料从加热炉中取出放置压力机工作台上进行多向锻造，首先沿轴向进行镦粗至设计高度，然后沿轴向拔长成方块，再沿轴向镦粗，接着沿另外两个垂直方向进行拔长和镦粗，最后再一次沿轴向进行拔长和镦粗，并倒棱、滚圆、平端面得到所需尺寸的圆柱形坯料，然后对圆柱形坯料进行冲孔、平端面得到所需尺寸的环坯；

5)环件热轧成形，将成形的环坯回炉加热至始锻温度并保温，然后取出环坯放置轧环机上进行径轴向热轧成形，轧制过程中，合理匹配径向与轴向进给速度，保证环件平稳长大，待环件外径和高度达到设计尺寸后停止轧制，轧制过程还需监控环件温度，若低于材料终锻温度还需回炉加热后再轧制。

按上述方案，所述坯料单元的直径D₂可通过下式确定：

V＝ρπ(D²-d²)B/4

m_x＝ρπd_x ²B_x/4

其中，V为环件体积，D、d、B分别为环件外径、内径、高度，ρ为材料密度，m_x为芯料重量，d_x为冲头直径，B_x为冲孔连皮厚度，k_s为烧损系数，通常可取1～8％，一般环坯重量越重，烧损系数越大；k_l为所需制备的焊接料段高径比，通常取1.5～3，(D₁为焊接料段直径，L₁为焊接料段高度)。

坯料单元的高度L₂可通过下式确定

其中N为坯料单元的个数，N越大，所需坯料单元个数越多，坯料单元直径越小；

圆铸坯直径D₃可通过下式确定：

其中，k_b为表面加工系数，一般取1～3％；k_i为圆铸坯高径比，通常取1.5～2.5；

圆铸坯高度L₃可通过下式确定：L₃＝k_iD₃，

圆铸坯经镦粗、滚圆、平端面后得到的锻造料段高度L₄可根据下式确定：

L₄＝L₂+(5:10)mm，

锻造料段直径D₄可通过下式确定：

按上述方案，所述焊接料段的直径D₁与坯料单元的直径D₂相等，预焊接料段各贴合面沿圆周方向均布焊点，焊点个数为6～12。

按上述方案，所述整体坯料的高度L₅＝(0.6～0.9)L₁，整体坯料的直径所述焊接料段的压下速度为1～10mm/s，高温扩散连接的温度为始锻温度的0.9～1倍，加热保温时间为3～8小时。

按上述方案，所述整体坯料首次镦粗后的高度L₆＝(0.3～0.6)L₁，直径然后沿三个垂直方向三次拔长三次镦粗，拔长时的长度伸长量控制在1.4～1.6倍的原长度，镦粗时的高度压缩量控制在0.4～0.6倍的原高度，再镦粗、倒棱、滚圆、平端面后得到圆柱形坯料的高度L₇＝(1～1.1)B₀，外径最后冲孔、平端面得到重型环坯，环坯尺寸可通过下式确定

其中η为轴向与径向变形量比值，通常取0.4～0.6，D₀、d₀、B₀、H₀分别为环坯外径、内径、高度、壁厚，H为环件壁厚，H＝(D-d)/2。

按上述方案，所述环件热轧成形过程中设计芯辊径向进给速度v_r时，需保证环件咬入和锻透条件，并且满足设备力能要求，即

其中，n_m为主辊转速，R_m为主辊半径，R_i为芯辊半径，β为摩擦角，n为材料系数，一般取3～6，材料强度越高，n越大，σ_s0为环坯初轧温度下的屈服强度，σ_s1为环件终轧温度下的屈服强度，R₀、R分别为环坯和环件半径，F_r为设备最大径向轧制力。

上锥辊的轴向进给速度需要与径向进给速度匹配，可按下式确定：

V_a＝ηv_r。

本发明的有益效果是：不同于采用大规格整体铸坯先锻造制坯再热轧成形制造重型环件的“以大制大”传统思路，本发明采用“以小制大”的新思路，即用小直径圆铸坯先制备大直径坯料单元，再将多个坯料单元锻焊成形大直径整体坯料，然后通过多向锻造成形环坯以及热轧成形环件，可实现大直径重型坯料的制备，从而成形重型环坯和环件，该方法无需制造大规格整体铸坯，克服了原材料难以制备的问题；小直径圆铸坯制备容易且内部质量更好，通过不同直径和镦粗比的组合可制备不同规格的坯料单元，更具柔性化；通过选择合适的坯料单元进行组合可制备高径比不超过3的大型料段，从而解决了重型铸坯在满足重量条件下高径比过大难以镦粗的问题；通过采用真空封焊、高温变形与扩散等手段，保证焊合面的连接质量；通过多向锻造，保证坯料的组织与性能均匀化；通过合理设计环坯尺寸和控制轧制速度，保证轧制过程顺利进行，从而获得所需尺寸与性能的重型环件，本发明对核电、航天等重型环锻件制备具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一个实施例的坯料单元制备流程图。

图2为本发明一个实施例的焊接料段高温变形连接流程图。

图3为本发明一个实施例的环坯锻造成形流程图。

其中，1-坯料段，2-坯料单元，3-焊接料段，4-整体坯料，5-圆柱形坯料，6-环坯。

具体实施方式

一种表面带筋复杂筒形件复合成形方法，它包括如下步骤：

步骤一：坯料单元制备。选择较小直径D₃的圆铸坯，通过锯床下料至设计高度L₃，得到多个较小规格(D₃×L₃)的坯料段；然后将坯料段放入加热炉中加热至始锻温度并保温一段时间，取出坯料段放到压力机工作台上进行镦粗、滚圆、平端面，得到较大直径的锻造料段(D₄×L₄)，待锻造料段冷却后再将其表面进行机加工，得到所需尺寸的坯料单元(D₂×L₂)，保证其上下端面足够平整光滑。

步骤二：焊接料段制备。用酒精或丙酮等有机溶剂清理步骤一所得到的坯料单元表面油污，保证其表面足够干净；然后将N个坯料单元沿轴向进行堆垛形成所需尺寸的焊接料段(D₁×L₁)，将焊接料段各贴合面沿圆周方向进行点焊固定，再将该焊接料段放入真空室中，抽真空后采用激光或电子束对各贴合面沿周向进行真空封焊，保证焊缝的气密性好，防止界面在后续加热过程中产生氧化；取出焊接料段后对焊缝处进行机加工，保证表面光滑。为减少坯料单元表面氧化，步骤二应在步骤一完成后立即进行。

步骤三：坯料高温变形及扩散连接。将步骤二所制备的焊接料段放入加热炉中加热保温一段时间，取出焊接料段放到压力机工作台上进行轴向镦粗至D₅×L₅，合理控制压下量和压下速度，实现坯料单元间的高温变形连接；变形结束后，将变形坯料放回加热炉中加热保温一段时间，进行高温扩散连接，进一步提升结合面的强度以及成分均匀化，最终得到一块无缝整体坯料。

步骤四：环坯锻造成形。将步骤三得到的整体坯料从加热炉中取出放置压力机工作台上进行多向锻造(五镦四拔)，首先沿轴向进行镦粗至设计高度L₆，然后沿轴向拔长成方块，再沿轴向镦粗，接着沿另外两个垂直方向进行拔长和镦粗，最后再一次沿轴向进行拔长和镦粗，并倒棱、滚圆、平端面得到所需尺寸的圆柱形坯料(D₇×L₇)；然后对圆柱形坯料进行冲孔、平端面得到所需尺寸的环坯(D₀×d₀×B₀)。

步骤五：环件热轧成形。将步骤四成形的环坯回炉加热至始锻温度并保温一段时间，然后取出环坯放置轧环机上进行径轴向热轧成形，轧制过程中，合理匹配径向与轴向进给速度，保证环件平稳长大，待环件外径和高度达到设计尺寸后停止轧制。轧制过程还需监控环件温度，若低于材料终锻温度还需回炉加热后再轧制。

坯料单元的直径D₂可通过下式确定：

V＝ρπ(D²-d²)B/4

m_x＝ρπd_x ²B_x/4

其中，V为环件体积，D、d、B分别为环件外径、内径、高度，ρ为材料密度，m_x为芯料重量，d_x为冲头直径，B_x为冲孔连皮厚度，k_s为烧损系数，通常可取1～8％，一般环坯重量越重，烧损系数越大；k_l为所需制备的焊接料段高径比，通常取1.5～3，(D₁为焊接料段直径，L₁为焊接料段高度)。

坯料单元的高度L₂可通过下式确定

其中N为坯料单元的个数，N越大，所需坯料单元个数越多，坯料单元直径越小；

圆铸坯直径D₃可通过下式确定：

其中，k_b为表面加工系数，一般取1～3％；k_i为圆铸坯高径比，通常取1.5～2.5；

圆铸坯高度L₃可通过下式确定：L₃＝k_iD₃，

圆铸坯经镦粗、滚圆、平端面后得到的锻造料段高度L₄可根据下式确定：

L₄＝L₂+(5:10)mm，

锻造料段直径D₄可通过下式确定：

焊接料段的直径D₁与坯料单元的直径D₂相等，预焊接料段各贴合面沿圆周方向均布焊点，焊点个数为6～12。

整体坯料的高度L₅＝(0.6～0.9)L₁，整体坯料的直径所述焊接料段的压下速度为1～10mm/s，高温扩散连接的温度为始锻温度的0.9～1倍，加热保温时间为3～8小时。

整体坯料首次镦粗后的高度L₆＝(0.3～0.6)L₁，直径然后沿三个垂直方向三次拔长三次镦粗，拔长时的长度伸长量控制在1.4～1.6倍的原长度，镦粗时的高度压缩量控制在0.4～0.6倍的原高度，再镦粗、倒棱、滚圆、平端面后得到圆柱形坯料的高度

L₇＝(1～1.1)B₀，外径最后冲孔、平端面得到重型环坯，环坯尺寸可通过下式确定

其中η为轴向与径向变形量比值，通常取0.4～0.6，D₀、d₀、B₀、H₀分别为环坯外径、内径、高度、壁厚，H为环件壁厚，H＝(D-d)/2。

环件热轧成形过程中设计芯辊径向进给速度v_r时，需保证环件咬入和锻透条件，并且满足设备力能要求，即

其中，n_m为主辊转速，R_m为主辊半径，R_i为芯辊半径，β为摩擦角，n为材料系数，一般取3～6，材料强度越高，n越大，σ_s0为环坯初轧温度下的屈服强度，σ_s1为环件终轧温度下的屈服强度，R₀、R分别为环坯和环件半径，F_r为设备最大径向轧制力。

上锥辊的轴向进给速度需要与径向进给速度匹配，可按下式确定：

V_a＝ηv_r。

实施例一

本实施例的目标环锻件外径15000mm，内径14100mm，高度700mm，材料316不锈钢，重量达113吨。

步骤一：坯料单元制备。选择直径1000mm的圆铸坯，通过锯床下料2500mm，加工9个Φ1000×2500mm的坯料段；然后将坯料段放入加热炉中加热至1200℃并保温8h，取出坯料段放到压力机工作台上进行镦粗、滚圆、平端面，得到Φ2263×488mm的锻造料段；待锻造料段冷却后再将其表面进行机加工，得到Φ2151×478mm的坯料单元，保证其上下端面足够平整光滑。

步骤二：焊接料段制备。用酒精或丙酮等有机溶剂清理步骤一所得到的坯料单元表面油污，保证其表面足够干净；然后将9个坯料单元沿轴向进行堆垛形成所Φ2151×4302mm的焊接料段，将焊接料段各贴合面沿圆周方向进行点焊固定，焊点沿贴合面周向均布12个；再将该焊接料段放入真空室中，抽真空后采用电子束对各贴合面沿周向进行真空封焊，保证焊缝的气密性好，防止界面在后续加热过程中产生氧化；取出焊接料段后对焊缝处进行机加工，保证表面光滑。为减少坯料单元表面氧化，步骤二应在步骤一完成后立即进行。

步骤三：坯料高温变形及扩散连接。将步骤二所制备的焊接料段放入加热炉中加热至1200℃并保温24h，取出焊接料段放到压力机工作台上进行轴向镦粗至Φ2777×2581mm，压下速度约5mm/s，实现坯料单元间的高温变形连接；变形结束后，将变形坯料放回加热炉中加热至1200℃并保温5h，进行高温扩散连接，进一步提升结合面的强度以及成分均匀化，最终得到一块无缝整体坯料。

步骤四：环坯锻造成形。将步骤三得到的整体坯料从加热炉中取出放置压力机工作台上进行多向锻造(五镦四拔)，首先沿轴向进行镦粗至Φ3927×1290mm，然后沿轴向拔长成方块，再沿轴向镦粗，接着沿另外两个垂直方向进行拔长和镦粗，每次拔长时的长度伸长量控制在1.6倍的原长度，镦粗时的高度压缩量控制在0.4倍的原高度，最后再一次沿轴向进行拔长和镦粗，并倒棱、滚圆、平端面得到Φ3869×1329mm的圆柱形坯料，然后对圆柱形坯料进行冲孔、平端面得到Φ4060×Φ1000×1200mm的环坯。

步骤五：环件热轧成形。将步骤四成形的环坯回炉加热至1200℃并保温12h，然后取出环坯放置轧环机上进行径轴向热轧成形，轧制过程中，径向进给速度控制在0.6～1.2mm/s，轴向进给速度控制在0.27～0.55mm/s，分两火轧制，第一火轧至Φ6000×Φ4190×1000mm。

上述实例仅是对本发明有效性和可行性的实例论证，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的工作原理所实施例任何具体的简单变更、等同变化和修饰，均仍属于本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种环件复合制坯热轧成形方法，其特征在于，它包括如下具体步骤：

1)坯料单元制备，将圆铸坯通过锯床下料至设计高度，得到多个坯料段，然后将坯料段放入加热炉中加热至始锻温度并保温，取出坯料段放到压力机工作台上进行镦粗、滚圆、平端面，得到锻造料段，待锻造料段冷却后再将其表面进行机加工，得到所需尺寸的坯料单元，保证其上下端面足够平整光滑；

2)焊接料段制备，用酒精或丙酮有机溶剂清洁坯料单元表面油污，保证其表面足够干净，然后将多个坯料单元沿轴向进行堆垛形成所需尺寸的预焊接料段，将预焊接料段各贴合面沿圆周方向进行点焊固定，再将该料段放入真空室中，抽真空后采用激光或电子束对各贴合面沿周向进行真空封焊，保证焊缝的气密性好，防止界面在后续加热过程中产生氧化，取出焊接料段后对焊缝处进行机加工，保证表面光滑；

3)坯料高温变形及扩散连接，将所制备的焊接料段放入加热炉中加热保温，取出焊接料段放到压力机工作台上进行轴向镦粗，合理控制压下量和压下速度，实现各个坯料单元间的高温变形连接，变形结束后，将变形坯料放回加热炉中加热保温，进行高温扩散连接，进一步提升结合面的强度以及成分均匀化，最终得到一块无缝的整体坯料；

4)环坯锻造成形，将整体坯料从加热炉中取出放置压力机工作台上进行多向锻造，首先沿轴向进行镦粗至设计高度，然后沿轴向拔长成方块，再沿轴向镦粗，接着沿另外两个垂直方向进行拔长和镦粗，最后再一次沿轴向进行拔长和镦粗，并倒棱、滚圆、平端面得到所需尺寸的圆柱形坯料，然后对圆柱形坯料进行冲孔、平端面得到所需尺寸的环坯；

5)环件热轧成形，将成形的环坯回炉加热至始锻温度并保温，然后取出环坯放置轧环机上进行径轴向热轧成形，轧制过程中，合理匹配径向与轴向进给速度，保证环件平稳长大，待环件外径和高度达到设计尺寸后停止轧制，轧制过程还需监控环件温度，若低于材料终锻温度还需回炉加热后再轧制。

2.根据上述权利要求1所述的一种环件复合制坯热轧成形方法，其特征在于，所述坯料单元的直径D₂可通过下式确定：

V＝ρπ(D²-d²)B/4

m_x＝ρπd_x ²B_x/4

其中，V为环件体积，D、d、B分别为环件外径、内径、高度，ρ为材料密度，m_x为芯料重量，d_x为冲头直径，B_x为冲孔连皮厚度，k_s为烧损系数，通常可取1～8％，一般环坯重量越重，烧损系数越大；k_l为所需制备的焊接料段高径比，通常取1.5～3，(D₁为焊接料段直径，L₁为焊接料段高度)。

坯料单元的高度L₂可通过下式确定

其中N为坯料单元的个数，N越大，所需坯料单元个数越多，坯料单元直径越小；

圆铸坯直径D₃可通过下式确定：

其中，k_b为表面加工系数，一般取1～3％；k_i为圆铸坯高径比，通常取1.5～2.5；

圆铸坯高度L₃可通过下式确定：L₃＝k_iD₃，

圆铸坯经镦粗、滚圆、平端面后得到的锻造料段高度L₄可根据下式确定：

L₄＝L₂+(5:10)mm，

锻造料段直径D₄可通过下式确定：

3.根据上述权利要求2所述的一种环件复合制坯热轧成形方法，其特征在于，所述焊接料段的直径D₁与坯料单元的直径D₂相等，预焊接料段各贴合面沿圆周方向均布焊点，焊点个数为6～12。

4.根据上述权利要求3所述的一种环件复合制坯热轧成形方法，其特征在于，所述整体坯料的高度L₅＝(0.6～0.9)L₁，整体坯料的直径所述焊接料段的压下速度为1～10mm/s，高温扩散连接的温度为始锻温度的0.9～1倍，加热保温时间为3～8小时。

5.根据上述权利要求4所述的一种环件复合制坯热轧成形方法，其特征在于，所述整体坯料首次镦粗后的高度L₆＝(0.3～0.6)L₁，直径然后沿三个垂直方向三次拔长三次镦粗，拔长时的长度伸长量控制在1.4～1.6倍的原长度，镦粗时的高度压缩量控制在0.4～0.6倍的原高度，再镦粗、倒棱、滚圆、平端面后得到圆柱形坯料的高度L₇＝(1～1.1)B₀，外径最后冲孔、平端面得到重型环坯，环坯尺寸可通过下式确定：

其中η为轴向与径向变形量比值，通常取0.4～0.6，D₀、d₀、B₀、H₀分别为环坯外径、内径、高度、壁厚，H为环件壁厚，H＝(D-d)/2。

6.根据上述权利要求5所述的一种环件复合制坯热轧成形方法，其特征在于，所述环件热轧成形过程中设计芯辊径向进给速度v_r时，需保证环件咬入和锻透条件，并且满足设备力能要求，即

其中，n_m为主辊转速，R_m为主辊半径，R_i为芯辊半径，β为摩擦角，n为材料系数，一般取3～6，材料强度越高，n越大，σ_s0为环坯初轧温度下的屈服强度，σ_s1为环件终轧温度下的屈服强度，R₀、R分别为环坯和环件半径，F_r为设备最大径向轧制力。

上锥辊的轴向进给速度需要与径向进给速度匹配，可按下式确定：

V_a＝ηv_r。