CN109711085B - 大型厚壁环筒形件轧制锻透条件和最小进给量的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型厚壁环筒形件轧制锻透条件和最小进给量的确定方法，属于环筒形件轧制成形技术领域，解决大型厚壁环筒形件轧制锻透性问题，解决方案为：S1、获得应变穿透环筒形件壁厚时刻的内外壁接触位置处的弧长以及壁厚变形区内的应变分布图；S2、确定等效壁厚中心与等效壁厚h_q；S3、根据滑移线理论，确定厚壁环筒形件锻透条件为：

S4、根据等效壁厚h_q以及厚壁环筒形件锻透条件，确定等效壁厚对应的最小等效接触弧长L_qmin；S5、根据厚壁环筒形件锻透条件确定环筒形件轧制的芯辊最小每转进给量为：

本发明计算精度高，使厚壁筒形件在轧制过程中获得更好的锻透性和变形均匀性，为厚壁环筒形件轧制的工艺参数设计提供了科学依据。

Description

大型厚壁环筒形件轧制锻透条件和最小进给量的确定方法

技术领域

本发明属于环筒形件轧制成形技术领域，具体涉及的是大型厚壁环筒形件轧制(辗扩)锻透条件和最小进给量的确定方法。

背景技术

大型厚壁环筒形件一般是指在高温高压或复杂应力状态等环境下工作的大直径厚壁的空心件，是核电、石化和电力等能源领域重大技术装备的核心零件之一，其成形制造技术是集材料、冶炼、成形、热处理和检测为一体的综合技术，产品质量直接影响重大技术装备的运行可靠性。大型厚壁环筒形件的传统成形工艺流程包括冶炼—钢锭凝固—钢锭开坯—镦粗—冲孔—芯轴拔长—芯轴扩孔—平整等工序，属于多火次、多工序的热加工工艺，工艺过程冗长，材料利用率低，能耗高，锻造变形不均匀，热裂倾向严重。随着空心钢锭制造技术的提高，以及大型环轧机的发展，使得采用空心钢锭直接进行轧制成形生产大型环筒形件成为可能。特别是电渣重熔空心钢锭可以避免实心钢锭中心各种冶金缺陷的产生，且钢质纯净、基本无偏析、结晶组织均匀致密、化学成分均匀，可为生产优质大型厚壁环筒形件提供高质量的空心钢锭。随后采用准稳态局部加载连续塑性变形的轧制工艺控制成形，变形均匀，避免了操作复杂的芯轴拔长和芯轴扩孔的多火次锻造工序，以及变形不均匀，开裂严重等问题，而且环筒形件的轧制成形过程自动化和可控化程度高，生产效率高，是一种高效、节能、节材的先进的大型环筒形件制造工艺。

鉴于大型厚壁环筒形件的壁厚较厚，轧制变形的锻透性问题是影响轧制过程顺利进行，以及避免产生变形不均匀和端部“鱼尾”缺陷的关键。环件锻透是指塑性变形区穿透环件壁厚。随着轧制过程的进行，环件的内外径扩大而壁厚减小，塑性区穿透壁厚小的环件所要求的最小每转进给量减小，所以只要在环件轧制开始时塑性区能够穿透环件壁厚，则在其他条件不变时整个轧制过程中塑性区都会穿透环件壁厚，即环件锻透条件得到满足。现有环件轧制塑性区穿透环件壁厚的力学模型如图1所示。该模型是建立在环件锻透相当于有限高度块料拔长(如图2所示)的理论基础之上的。根据滑移线理论，现有环件锻透条件为：

式中，L为接触弧长，h_α为环件轧制变形区的平均壁厚。

相应地，锻透所需的最小压下量公式为

式中，η₀＝8.74，R₁为驱动辊半径，R₂为芯辊半径，R和r分别为环筒形件的外壁半径和内壁半径。

以上现有的环件轧制锻透条件和最小进给量计算公式是在假设内外接触弧长相等的条件下获得的。但是对于大型厚壁环筒形件轧制，其内外接触弧长往往不等，内接触弧长有时甚至能达到外接触弧长的2～3倍。如果沿用现有的环件轧制锻透条件，计算出的芯辊最小进给量很难满足大型厚壁环筒形件轧制锻透性的要求，从而容易使环筒形件轧制变形不均匀，产生“鱼尾”等缺陷。

发明内容

本发明目的是针对大型厚壁环筒形件轧制(辗扩)锻透性问题，在现有环件轧制锻透条件的理论基础之上，考虑内外接触弧长对环筒形件轧制锻透性的影响，提出一种大型厚壁环筒形件轧制锻透条件和最小进给量的确定方法。

本发明通过以下技术方案予以实现。

大型厚壁环筒形件轧制锻透条件和最小进给量的确定方法，所述大型厚壁环筒形件一般指的是在高温高压或复杂应力状态等环境下工作的大直径厚壁的环筒形件。大型厚壁环筒形件的壁厚范围应满足1≤h/L≤8.74(其中h表示壁厚，单位为mm，L表示轧制接触弧长，单位为mm)，确定方法包括以下步骤：

S1、根据已知的环筒形件轧制辊系尺寸、环筒形件尺寸、轧制工艺参数和环筒形件材料热力学参数，采用数值模拟方法建立其有限元模型，计算芯辊进给加载过程，直至应变区穿透环筒形件壁厚，获得应变穿透环筒形件壁厚时刻内外壁的接触弧长以及壁厚变形区内的应变分布图；

S2、根据步骤S1中获得的应变分布图，确定驱动辊与芯辊分别作用在壁厚变形区内应变场的接触处为等效壁厚中心位置，等效壁厚中心与环筒形件外壁之间距离的2倍为等效壁厚h_q；

S3、根据滑移线理论，确定厚壁环筒形件锻透条件为：

式中：L_q表示等效弧长，单位为mm；h_q表示等效壁厚，单位为mm；

S4、根据步骤S2中确定的等效壁厚h_q以及步骤S3中的厚壁环筒形件锻透条件，确定等效壁厚对应的最小等效接触弧长L_qmin；

S5、根据步骤S3中确定的厚壁环筒形件锻透条件，环筒形件轧制的芯辊最小每转进给量为：

式中：

Δh_min为满足环筒形件锻透条件的最小每转进给量，单位为mm；

R为筒形件外壁的半径，单位为mm；

r为筒形件内壁的半径，单位为mm；

R₁为驱动辊半径，单位为mm；

R₂为芯辊半径，单位为mm；

h_q为等效壁厚，单位为mm。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

本发明和目前已有的环筒形件轧制锻透条件和最小压下量公式相比，本发明建立的环筒件轧制锻透条件考虑了接触弧长的影响，对环筒形件轧制锻透的描述更加精确，应用范围也更广；本发明提供的大型厚壁环筒形件轧制最小进给量的确定方法，计算精度高，能够使厚壁环筒形件在轧制过程中获得更好的锻透性和变形均匀性，不仅有利于轧制过程的顺利实现，而且可以获得变形均匀的高质量环筒形件。

附图说明

图1为现有技术中环件轧制塑性区穿透环件壁厚的轧制锻透条件模型图。

图2为现有技术中窄砧压缩有限高坯料拔长锻透条件模型图。

图3为实施例一中应变穿透环筒形件壁厚时刻的内外壁接触弧长模型图。

图4为实施例一中应变穿透环筒形件壁厚时刻的应变分布模型图。

图5为实施例二中应变穿透环筒形件壁厚时刻的内外壁接触弧长模型图。

图6为实施例二中应变穿透环筒形件壁厚时刻的应变分布模型图。

图7为实施例三中应变穿透环筒形件壁厚时刻的内外壁接触弧长模型图。

图8为实施例三中应变穿透环筒形件壁厚时刻的应变分布模型图。

图中，1为驱动辊，2为外壁接触弧，3为筒形件，4为内壁接触弧，5为芯辊。

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详细描述。

实施例一

如图1至图4所示的现有技术采用模型图和改进后的模型图。

给定的辊系尺寸为：驱动辊半径500mm，芯辊半径145mm；环筒形件尺寸为：φ712mm/308mm×902mm，轧制工艺参数为：芯辊进给速度1.5mm/s，环筒形件材料模型为：驱动辊及芯辊采用热作模具钢AISI-D3，环筒形件材料采用Mn18Cr18N。确定基本参数后，采用DEFORM数值模拟方法建立有限元数值模拟模型，模拟计算芯辊进给加载过程，直至应变穿透筒形件壁厚。获得应变穿透筒形件壁厚时刻的内外壁接触弧长(如图3所示)和壁厚变形区内的应变分布(如图4所示)。

根据图3所示，确定内接触弧长为102.6mm，外接触弧长约33.2mm，内外接触弧长之比约为3.1，明显不满足现有环件锻透条件中假设的内外接触弧长相等的条件，不能采用现有技术建立的锻透条件以及相应的芯辊最小进给量计算公式。

而根据本发明提供的技术方案，使用提出的等效壁厚和等效接触弧长建立锻透条件，完全可以计算芯辊最小进给量，具体如下：

根据图4所示，计算获得等效壁厚h_q为315.32mm，将h_q的值代入本发明中厚壁环筒形件锻透条件中：

可以获得最小等效接触弧长L_qmin为36.08mm，即获得满足该厚壁筒形件轧制的锻透条件对应的等效壁厚的最小等效弧长L_qmin。

将获得的等效壁厚h_q＝315.32mm和最小等效接触弧长L_qmin＝36.08mm代入筒形件轧制的芯辊最小每转进给量确定公式中：

计算获得芯辊最小每转进给量Δh_min为3.39mm。该值比采用传统锻透条件计算的芯辊最小每转进给量1.39mm和图2模拟得出的芯辊每转最小进给量3.0mm更加精确，锻造后无“鱼尾”现象产生。

实施例二

如图5至图6所示轧制工艺改进后采用的模型图。

给定的辊系尺寸为：驱动辊半径500mm，芯辊半径140mm；环筒形件尺寸为：φ712mm/308mm×902mm，轧制工艺参数与实施例一相同。确定基本参数后，采用DEFORM数值模拟方法建立有限元数值模拟模型，模拟计算芯辊进给加载过程，直至应变穿透筒形件壁厚。获得应变穿透筒形件壁厚时刻的内外接触弧长(如图5所示)和壁厚变形区内的应变分布(如图6所示)。

根据图5所示，确定内接触弧长为99.6mm，外接触弧长约33.2mm，内外接触弧长之比约为3，明显不满足现有环件锻透条件中假设的内外接触弧长相等的条件，不能采用现有技术中建立的锻透条件模型计算芯辊最小进给量。

而根据本发明提供的技术方案，使用提出的等效壁厚和等效接触弧长建立锻透条件，完全可以计算芯辊最小进给量，具体如下：

根据图4所示，计算获得等效壁厚h_q为273.62mm，将h_q的值代入提出的厚壁环筒形件锻透条件中：

所以获得最小等效接触弧长L_qmin为31.31mm，即获得满足该厚壁筒形件轧制的锻透条件对应的等效壁厚的最小等效弧长L_qmin。

将获得的等效壁厚h_q＝273.62mm和最小等效接触弧长L_qmin＝31.31mm代入筒形件轧制的芯辊最小每转进给量确定公式中：

计算获得芯辊最小每转进给量Δh_min为2.75mm。该值比采用传统锻透条件计算的芯辊最小每转进给量1.46mm与图2模拟得出的芯辊每转最小进给量2.4mm更加精确，锻造后变形均匀，无“鱼尾”现象产生。

实施例三

如图7至图8所示轧制工艺改进后的采用模型图。

给定的辊系尺寸为：驱动辊半径500mm，芯辊半径130mm；环筒形件尺寸为：φ712mm/328mm×902mm，轧制工艺参数与实施例一相同。确定基本参数后，采用DEFORM数值模拟方法建立有限元数值模拟模型，模拟计算芯辊进给加载过程，直至应变穿透筒形件壁厚。获得应变穿透筒形件壁厚时刻的内外接触弧长(如图7所示)和壁厚变形区内的应变分布(如图8所示)。

根据图7所示，确定内接触弧长为90.75mm，外接触弧长约33.2mm，内外接触弧长之比约为2.73，明显不满足现有环件锻透条件中假设的内外接触弧长相等的条件，不能采用现有技术中建立的锻透条件模型计算芯辊最小进给量。

而根据本发明提供的技术方案，使用提出的等效壁厚和等效接触弧长建立锻透条件，完全可以计算芯辊最小进给量，具体如下：

根据图7所示，计算获得等效壁厚h_q为272.97mm，将h_q的值代入提出的厚壁环筒形件锻透条件中：

获得最小等效接触弧长L_qmin为31.23mm，即获得满足该厚壁筒形件轧制的锻透条件对应的等效壁厚的最小等效弧长L_qmin。

将获得的等效壁厚h_q＝272.97mm和最小等效接触弧长L_qmin＝31.23mm代入筒形件轧制的芯辊最小每转进给量确定公式中：

计算获得芯辊最小每转进给量Δh_min为2.74mm。该值比采用传统锻透条件计算的芯辊最小每转进给量1.35mm与图2模拟得出的芯辊每转最小进给量2.4mm更加精确，锻造后无“鱼尾”现象产生。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.大型厚壁环筒形件轧制锻透条件和最小进给量的确定方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、根据已知的环筒形件轧制辊系尺寸、环筒形件尺寸、轧制工艺参数和环筒形件材料热力学参数，采用数值模拟方法建立其有限元分析模型，计算芯辊进给加载过程，直至应变区穿透环筒形件壁厚，分别获得应变穿透环筒形件壁厚时刻的内外壁接触位置处的弧长以及壁厚变形区内的应变分布图；

S2、根据步骤S1中获得的应变分布图，确定驱动辊与芯辊分别作用在壁厚变形区内应变场的接触处为等效壁厚中心位置，等效壁厚中心与环筒形件外壁之间距离的2倍为等效壁厚h_q；

S3、根据滑移线理论，确定厚壁环筒形件锻透条件为：

式中：L_q表示等效弧长，单位为mm；h_q表示等效壁厚，单位为mm；

S4、根据步骤S2中确定的等效壁厚h_q以及步骤S3中的厚壁环筒形件锻透条件，确定等效壁厚对应的最小等效接触弧长L_qmin；

S5、根据步骤S3中确定的厚壁环筒形件锻透条件，环筒形件轧制的芯辊最小每转进给量为：

式中：

Δh_min为满足环筒形件锻透条件的最小每转进给量，单位为mm；

R为筒形件外壁的半径，单位为mm；

r为筒形件内壁的半径，单位为mm；

R₁为驱动辊半径，单位为mm；

R₂为芯辊半径，单位为mm；

h_q为等效壁厚，单位为mm。

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