CN109079066A - 大型锥形环件的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型锥形环件的制造工艺，所述制造工艺包括根据大型锥形环件的锥形截面特点设计合理的环锻件截面尺寸，并根据环锻件的轧制成型特点设计合理的环件坯料，然后设计相应的模具工装和胎膜，以及整体环件制造工艺。通过上述方式，本发明大型锥形环件的制造工艺实现大型锥形环件生产制造的优化工艺，具有明显的成本低、效率高，易于在现有普通压机和辗环设备中推广应用，适于各类大型锥形环件产品生产。

Description

大型锥形环件的制造工艺

技术领域

本发明涉及锥形环件制造技术领域，特别是涉及一种大型锥形环件的制造工艺。

背景技术

锥形或类锥形环件由于用料少、金属流线分布合理、整体结构强度好等优点，常用于机械装备（如航空航天和大型石化压力容器）的结构支撑件。

目前对于直径1米和1米以内小型锥形环件的塑性加工成形比较普遍，一般采用自由锻、辗环、胎膜胀形或挤压成形方式。对于1米以上的锥形环件采用胎膜或挤压成形需要大吨位的锻压设备，往往在实际生产中难以实现。自由锻生产大型锥形环时往往余量大、生产效率低、质量不易控制。采用辗环工艺生产锥形环是目前比较常用生产方式，辗环工艺的变形具有连续小变形特点，有效降低了材料瞬时变形抗力，通过连续累计变形实现大变形。

采用辗环工艺生产锥形环件一般采用异形环件设计，环形锻件的截面形状按锥形环件截面加适当余量得到：

目前对于1米左右的小型锥形环设计，如图2，截面中L所示双点划线为成品形状，实线D为设计环形锻件，考虑辗环轧制的变形特点，一般大端M处设计为大于环件锥度的角度，采用该工艺方案可以满足小型锥形环件的生产。

但是对于2米以上甚至更大的锥形环件采用该设计方案往往不能稳定轧制成形，而且即使采用异形环轧制，对于辗环所需坯料的制备仍然需要大型锻压机械完成。因此在实际生产中为降低辗环成形风险，对于大锥形环一般设计为包容体矩形环轧制成形，见图2中虚线J所示形状，这导致材料成本大幅增加。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种大型锥形环件的制造工艺，成本低、效率高，能够在现有普通压机和辗环设备中推广应用，适于各类大型锥形环件产品生产。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种大型锥形环件的制造工艺，包括如下步骤：

a、根据大型锥形环件的小端尺寸和锥度设计环锻件的截面尺寸，并根据环锻件的截面尺寸设计矩形环件坯料的尺寸，然后设计相应的模具工装和胎膜；

b、切料，根据原材料的冶炼方式和锭型对原材料进行开坯锻造，得到原始坯料；

c、锻造开坯：原始坯料先经过开坯锻造，然后根据环件坯料的形状和尺寸再进行预制矩形环件坯料的生产；

d、预制矩形环坯：按照通用的辗环方式制备矩形环件坯料；

e、胎膜制环坯，辗环成形：然后将矩形环件坯料放入胎膜中，反复胀形挤压和旋转，最终得到设计的锥形环件坯料；

f、辗环成形：将锥形环件坯料放入辗环机的模具工装中进行辗环轧制成形。

在本发明一个较佳实施例中，步骤a的具体设计步骤如下：

一）设计大型锥形环件的环锻件的截面形状和尺寸：

环件的小头端外径为OD，锥度为θ，环锻件的厚度为δ，高度为H，根据工艺质量和设备精度设计环锻件的截面尺寸：

其中设计环锻件小头端的内径余量、外径余量和高度余量分别为a、b、c，可根据JB/T10478-2004 表2查表取得；

在环锻件大头端设计余量凸台B，根据金属材料的塑性流动特点及辗环坯料的轧制稳定性要求结合实际生产经验可设计为h和k决定的余量凸台B，凸台的设计公式：h= tg(θ)*k， k=T₁*（1+tg(θ)），其中θ的为锥角，T₁的取值范围为60~120；

在锥形环的上部设计为一段竖直余量块，其高度为v1，在锥形环内径的上下两端设计一段竖直凸台，其高度为v2，设计v1=v2= T₂*k，T₂取值范围为0.8～1.2；

二）设计大型锥形环件的环件坯料的形状和尺寸：

在完成锥形环锻件截面尺寸设计后，根据该环锻件截面尺寸计算辗环所需的矩形环件坯料的尺寸，计算方法为：环锻件大头端的体积Va2和环锻件小头端的体积Va1应该与环件坯料大头端的体积Vb2和环件坯料小头端的体积Vb1近似相等，且环件坯料小头端内径IDb1=800～1600mm，根据设备能力结合ODa1值越大取大值；

三）模具工装设计：

设计环件坯料的成型工装，包括辗环主辊和辗环芯辊的设计，其中辗环主辊和辗环芯辊的形状与环锻件截面的外部形状和内部形状相互配合，辗环主辊的尺寸和辗环芯辊的尺寸与锻件截面的外径尺寸和内径尺寸相互配合；

四）胎膜设计：

根据环锻件的形状以及环件坯料的尺寸设计环件坯料的胎膜，包括凸模和下胎膜的设计，凸模位于下胎膜的上方，其中下胎膜的形状和尺寸与环锻件的形状和尺寸相适配，凸模的形状和尺寸与下胎膜的形状和尺寸互补，凸模和下胎膜结合在一起与环件坯料的形状和尺寸相适配。

在本发明一个较佳实施例中，环锻件大头端的体积Va2的计算公式为：Va2=（ODa2²-IDa2²）*Ha2*π/4，环锻件小头端的体积Va2的计算公式为：Va1=（ODa1²-IDa1²）*Ha1*π/4，其中ODa2为环锻件大头端的外径，IDa2为环锻件大头端的内径，Ha2为环锻件大头端的高度，ODa1为环锻件小头端的外径，IDa1为环锻件小头端的内径，Ha1为环锻件小头端的高度。

在本发明一个较佳实施例中，环件坯料大头端的体积Vb2的计算公式为：Vb2=（ODb2²-IDb2²）*Hb2*π/4，环件坯料小头端的体积Vb1的计算公式为：Vb1=（ODb1²-IDb1²）*Hb1*π/4，其中ODb2为环件坯料大头端的外径，IDb2为环件坯料大头端的内径，Hb2为环件坯料大头端的高度，ODb1为环件坯料小头端的外径，IDb1为环件坯料小头端的内径，Hb1为环件坯料小头端的高度。

在本发明一个较佳实施例中，步骤e中环件坯料放入胎膜中，其中凸模沿着Z向运动一定行程挤压矩形坯料内径，凸模回复后下胎模沿M圆周方向转动一个角度，然后凸模再进行挤压，如此反复胀形挤压和旋转，最终得到设计的锥形环件。

在本发明一个较佳实施例中，步骤f）中锥形环坯坯料放入辗环机的主辊和芯辊模具之间，随着芯辊向主辊方向运动，坯料随着模具形状变形并逐渐减薄，同时直径变大最终得到所需锥形环件。

本发明的有益效果是：本发明大型锥形环件的制造工艺成本低、效率高，易于在现有普通压机和辗环设备中推广应用，适于各类大型锥形环件产品生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的大型锥形环件一较佳实施例的结构示意图；

图2是现有小型锥形环锻件截面设计结构示意图；

图3是本发明的大型锥形环锻件截面设计结构示意图；

图4a是本发明的环锻件设计结构示意图；

图4b是本发明的环件坯料设计结构示意图；

图5是本发明中辗环模具设计结构示意图；

图6a是本发明的预制矩形环坯用胎膜的结构示意图；

图6b是图6a的俯视图；

图7是本发明的大型锥形环件生产工序流程图；

附图中各部件的标记如下： 1、凸模，2、下胎膜，3、辗环主辊，4、辗环芯辊，5、坯料。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图7，本发明实施例包括：

一种大型锥形环件的制造工艺，包括如下步骤：

a、根据大型锥形环件的小端尺寸和锥度设计环锻件的截面尺寸，并根据环锻件的截面尺寸设计矩形环件坯料的尺寸，然后设计相应的模具工装和胎膜；

步骤a的具体设计步骤如下：

一）设计大型锥形环件的环锻件的截面形状和尺寸：

环件的小头端外径为OD，锥度为θ，环锻件的厚度为δ，高度为H，根据工艺质量和设备精度设计环锻件的截面尺寸：

其中设计环锻件小头端的内径余量、外径余量和高度余量分别为a、b、c，可根据JB/T10478-2004 表2查表取得。

在环锻件大头端设计余量凸台B，根据金属材料的塑性流动特点及辗环坯料的轧制稳定性要求结合实际生产经验可设计为h和k决定的余量凸台B，凸台的设计公式：h= tg(θ)*k， k=T₁*（1+tg(θ)），其中θ的为锥角，T₁的取值范围为60~120；

在锥形环的上部设计为一段竖直余量块，其高度为v1，在锥形环内径的上下两端设计一段竖直凸台，其高度为v2，设计v1=v2= T₂*k，T₂取值范围为0.8～1.2；

二）设计大型锥形环件的环件坯料的形状和尺寸：

如图4所示，图4a为环锻件，图4b为环件坯料，在完成锥形环锻件截面尺寸设计后，根据该环锻件截面尺寸计算辗环所需的矩形环件坯料的尺寸，计算方法为：环锻件大头端的体积Va2和环锻件小头端的体积Va1应该与环件坯料大头端的体积Vb2和环件坯料小头端的体积Vb1近似相等，且环件坯料小头端内径IDb1=800～1600mm，根据设备能力结合ODa1值越大取大值。

具体地，环锻件大头端的体积Va2的计算公式为：Va2=（ODa2²-IDa2²）*Ha2*π/4，环锻件小头端的体积Va2的计算公式为：Va1=（ODa1²-IDa1²）*Ha1*π/4，

其中ODa2为环锻件大头端的外径，IDa2为环锻件大头端的内径，Ha2为环锻件大头端的高度，ODa1为环锻件小头端的外径，IDa1为环锻件小头端的内径，Ha1为环锻件小头端的高度。

环件坯料大头端的体积Vb2的计算公式为：Vb2=（ODb2²-IDb2²）*Hb2*π/4，环件坯料小头端的体积Vb1的计算公式为：Vb1=（ODb1²-IDb1²）*Hb1*π/4，

其中ODb2为环件坯料大头端的外径，IDb2为环件坯料大头端的内径，Hb2为环件坯料大头端的高度，ODb1为环件坯料小头端的外径，IDb1为环件坯料小头端的内径，Hb1为环件坯料小头端的高度。

三）模具工装设计：

设计环件坯料的成型工装，包括辗环主辊和辗环芯辊的设计，其中辗环主辊和辗环芯辊的形状与环锻件截面的外部形状和内部形状相互配合，辗环主辊的尺寸和辗环芯辊的尺寸与锻件截面的外径尺寸和内径尺寸相互配合。

其中辗环主辊和芯辊型面尺寸由设计好的环锻件尺寸及环件坯料尺寸加放材料的锻造温度膨胀量得到，即模具工装尺寸=设计环锻件（环件坯料）尺寸*（1+α），其中α为材料在结束锻造时温度下的膨胀系数。

四）胎膜设计：

根据环锻件的形状以及环件坯料的尺寸设计环件坯料的胎膜，包括凸模和下胎膜的设计，凸模位于下胎膜的上方，其中下胎膜的形状和尺寸与环锻件的形状和尺寸相适配，凸模的形状和尺寸与下胎膜的形状和尺寸互补，凸模和下胎膜结合在一起与环件坯料的形状和尺寸相适配。

b、切料，根据原材料的冶炼方式和锭型对原材料进行开坯锻造，得到原始坯料。

c、锻造开坯：原始坯料先经过开坯锻造，然后根据环件坯料的形状和尺寸再进行预制矩形环件坯料的生产。

d、预制矩形环坯：按照通用的辗环方式制备矩形环件坯料。

e、胎膜制环坯，辗环成形：然后将矩形环件坯料放入胎膜中，其中凸模沿着Z向运动一定行程后挤压矩形坯料内径，凸模回复后下胎模沿M圆周方向转动一个角度，然后凸模再进行挤压，如此反复胀形挤压和旋转，最终得到设计的锥形环件。

f、辗环成形：将锥形环件坯料放入辗环机的模具工装中进行辗环轧制成形：具体地，锥形环坯坯料放入辗环机的主辊和芯辊模具之间，随着芯辊向主辊方向运动，坯料随着模具形状变形并逐渐减薄，同时直径变大最终得到所需锥形环件。

下面结合一项产品设计案例详细说明本发明的设计和制造工艺，产品尺寸需求：OD=3433mm，θ=26°，δ=100mm，H=620mm，材料为铝合金。

根据产品结构尺寸设计锥形环锻件的截面尺寸，根据JB/T 10478-2004 表2查得环锻件内径余量、外径余量和高度余量a、b、c参数值为：a=b=c=53mm：

在环锻件大头端设计余量凸台B，宽度为h、高度为k，其中h和k的经验取值公式为：h=tg(θ)*k， k=T₁*（1+tgθ），其中θ为锥角，T₁的取值范围为60~120，环件直径越大取值越大：

取T₁=100，根据计算得k= T₁*（1+tgθ）=100 *（1+tg26°）=150，h= tg(26)*k=0.49*150=74；

然后在锥形环的上部设计为一段竖直余量块，其高度为v1，在锥形环内径的上下两端设计一段竖直凸台，其高度为v2，设计v1=v2= T₂*k，T₂取值范围为0.8～1.2：

取T₂=0.8 ，根据计算得v1=v2= T₃*k=0.8*150=120；

在完成锥形环锻件截面尺寸设计后，设计辗环所需的矩形环件坯料的尺寸，如图4所示，图4a为环锻件，其中IDa1=3093mm，ODa1=3550mm，Ha1=120mm，IDa2=3316mm， ODa2=4091mm，Ha2=150mm，其中ODa2为环锻件大头端的外径，IDa2为环锻件大头端的内径，Ha2为环锻件大头端的高度，ODa1为环锻件小头端的外径，IDa1为环锻件小头端的内径，Ha1为环锻件小头端的高度：

环锻件大头端的体积Va2的计算公式为：Va2=（ODa2²-IDa2²）*Ha2*π/4=（4091²-3316²）*150*π/4，

环锻件小头端的体积Va2的计算公式为：Va1=（ODa1²-IDa1²）*Ha1*π/4=（3550²-3093²）*120*π/4；

环件坯料图4b为环件坯料：取值IDb1=1300mm，取值Hb2=Ha2=150mm，取值Hb1=Ha1=120mm，其中ODb2为环件坯料大头端的外径，IDb2为环件坯料大头端的内径，Hb2为环件坯料大头端的高度，ODb1为环件坯料小头端的外径，IDb1为环件坯料小头端的内径，Hb1为环件坯料小头端的高度；

环件坯料大头端的体积Vb2的计算公式为：Vb2=（ODb2²-IDb2²）*Hb2*π/4，

环件坯料小头端的体积Vb1的计算公式为：Vb1=（ODb1²-IDb1²）*Hb1*π/4，

环锻件大头端的体积Va2和环锻件小头端的体积Va1应该与环件坯料大头端的体积Vb2和环件坯料小头端的体积Vb1近似相等，即Va2≈Vb2，Va1≈Vb1：

根据上述计算环件沿轴向的材料体积分布并经过休整，设计环件坯料的尺寸为：

ODb1=2150mm，IDb2=1520mm，ODb2=2820mm，同时采用大圆角过渡大、小头及之间斜面，环坯斜面锥度与环锻件相等。

完成锥形环锻件及锥形环坯料设计后，可按锥形环锻件图和辗环坯料尺寸设计辗环模具和胎模，同时再根据辗环坯料小头端内、外径设计预制矩形环坯的尺寸，Φ2150×Φ1300×800。

实际生产时，先根据原材料冶炼方式和锭型对原材料进行开坯锻造，再按通用辗环工艺制备矩形环坯，然后将矩形环坯放入图6a所示胎模中，如图6a所示双点划线区域，凸模1沿Z向运动一定行程挤压矩形坯料内径；

凸模1回复后，如图6b所示，下胎模2沿M圆周方向转动一个角度，然后凸模1再进行挤压，如此反复胀形挤压+旋转，最终得到设计的锥形环坯，凸模挤压过程中应将凸模1和下胎模2进行充分润滑，并应注意每次压下量不宜过大，防止坯料粘模。

完成锥形环坯生产后，将坯料放入辗环机的辗环主辊和辗环芯辊之间，如图5中所示双点划线区域，在轧制过程中，随着辗环芯辊4向辗环主辊3方向运动，坯料5随着模具形状变形并逐渐减薄，同时直径变大最终得到所需锥形环件。

辗环生产中在开始轧制阶段应注意轧制速度和进给量，确保稳定轧制后再适当加大变形量，该坯料在实际生产中一次轧制成形。

本发明大型锥形环件的制造工艺的有益效果是：

优化现有锥形环锻件设计，突破传统大吨位压机制坯能力限制，优化传统制坯工艺，有效降低了制备大型辗环坯料的锻压设备吨位要求，实现大型锥形环件在辗环机的稳定轧制及优质生产；

1、采用此工艺方案，较自由锻方案和矩形辗环方案节省材料约40～50%以上，且锥形环锥度越大、高度越高节约效果越明显；

2、采用此工艺方案，较自由锻方案更具操作性，产品质量稳定、生产效率高且工艺风险小；

3、采用此工艺方案，在胎模制备锥形环坯料时只需要传统整体胎模制坯所需设备压力的1/3～1/4，有效降低了设备投资和生产成本。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种大型锥形环件的制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：

a、根据大型锥形环件的小端尺寸和锥度设计环锻件的截面尺寸，并根据环锻件的截面尺寸设计矩形环件坯料的尺寸，然后设计相应的模具工装和胎膜；

b、切料，根据原材料的冶炼方式和锭型对原材料进行开坯锻造，得到原始坯料；

c、锻造开坯：原始坯料先经过开坯锻造，然后根据环件坯料的形状和尺寸再进行预制矩形环件坯料的生产；

d、预制矩形环坯：按照通用的辗环方式制备矩形环件坯料；

e、胎膜制环坯，辗环成形：然后将矩形环件坯料放入胎膜中，反复胀形挤压和旋转，最终得到设计的锥形环件坯料；

f、辗环成形：将锥形环件坯料放入辗环机的模具工装中进行辗环轧制成形。

2.根据权利要求1所述的大型锥形环件的制造工艺，其特征在于，步骤a的具体设计步骤如下：

一）设计大型锥形环件的环锻件的截面形状和尺寸：

环件的小头端外径为OD，锥度为θ，环锻件的厚度为δ，高度为H，根据工艺质量和设备精度设计环锻件的截面尺寸：

其中设计环锻件小头端的内径余量、外径余量和高度余量分别为a、b、c，可根据JB/T10478-2004 表2查表取得；

在环锻件大头端设计余量凸台B，根据金属材料的塑性流动特点及辗环坯料的轧制稳定性要求结合实际生产经验可设计为h和k决定的余量凸台B，凸台的设计公式：h= tg(θ)*k， k=T₁*（1+tg(θ)），其中θ的为锥角，T₁的取值范围为60~120；

在锥形环的上部设计为一段竖直余量块，其高度为v1，在锥形环内径的上下两端设计一段竖直凸台，其高度为v2，设计v1=v2= T₂*k，T₂取值范围为0.8～1.2；

二）设计大型锥形环件的环件坯料的形状和尺寸：

在完成锥形环锻件截面尺寸设计后，根据该环锻件截面尺寸计算辗环所需的矩形环件坯料的尺寸，计算方法为：环锻件大头端的体积Va2和环锻件小头端的体积Va1应该与环件坯料大头端的体积Vb2和环件坯料小头端的体积Vb1近似相等，且环件坯料小头端内径IDb1=800～1600mm，根据设备能力结合ODa1值越大取大值；

三）模具工装设计：

设计环件坯料的成型工装，包括辗环主辊和辗环芯辊的设计，其中辗环主辊和辗环芯辊的形状与环锻件截面的外部形状和内部形状相互配合，辗环主辊的尺寸和辗环芯辊的尺寸与锻件截面的外径尺寸和内径尺寸相互配合；

四）胎膜设计：

根据环锻件的形状以及环件坯料的尺寸设计环件坯料的胎膜，包括凸模和下胎膜的设计，凸模位于下胎膜的上方，其中下胎膜的形状和尺寸与环锻件的形状和尺寸相适配，凸模的形状和尺寸与下胎膜的形状和尺寸互补，凸模和下胎膜结合在一起与环件坯料的形状和尺寸相适配。

3.根据权利要求2所述的大型锥形环件的制造工艺，其特征在于，环锻件大头端的体积Va2的计算公式为：Va2=（ODa2²-IDa2²）*Ha2*π/4，环锻件小头端的体积Va2的计算公式为：Va1=（ODa1²-IDa1²）*Ha1*π/4，其中ODa2为环锻件大头端的外径，IDa2为环锻件大头端的内径，Ha2为环锻件大头端的高度，ODa1为环锻件小头端的外径，IDa1为环锻件小头端的内径，Ha1为环锻件小头端的高度。

4.根据权利要求2所述的大型锥形环件的制造工艺，其特征在于，环件坯料大头端的体积Vb2的计算公式为：Vb2=（ODb2²-IDb2²）*Hb2*π/4，环件坯料小头端的体积Vb1的计算公式为：Vb1=（ODb1²-IDb1²）*Hb1*π/4，其中ODb2为环件坯料大头端的外径，IDb2为环件坯料大头端的内径，Hb2为环件坯料大头端的高度，ODb1为环件坯料小头端的外径，IDb1为环件坯料小头端的内径，Hb1为环件坯料小头端的高度。

5.根据权利要求1所述的大型锥形环件的制造工艺，其特征在于，步骤e中环件坯料放入胎膜中，其中凸模沿着Z向运动一定行程挤压矩形坯料内径，凸模回复后下胎模沿M圆周方向转动一个角度，然后凸模再进行挤压，如此反复胀形挤压和旋转，最终得到设计的锥形环件。

6.根据权利要求1所述的大型锥形环件的制造工艺，其特征在于，步骤f）中锥形环坯坯料放入辗环机的主辊和芯辊模具之间，随着芯辊向主辊方向运动，坯料随着模具形状变形并逐渐减薄，同时直径变大最终得到所需锥形环件。