CN110479922B - 大型薄壁外t形环状构件约束轧制成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法，包括以下步骤：S1、组装大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形装置，其包括驱动盘、约束模、进给轧辊和脱模顶杆；S2、轧制开始，驱动盘驱动约束模和预制环坯绕约束模轴线做圆周运动，进给轧辊绕自身轴线转动；S3、进给轧辊停止径向进给运动后，进给系统驱动进给轧辊沿着轴向向下进给；在进给轧辊和约束模的共同作用下；S4、轧制成形结束后，脱模顶杆顶出已成形的构件。本发明约束轧制方法属于连续局部塑性成形，成形力小、能耗低，可以实现大型薄壁外T形环状构件近净成形，并且材料利用率高、效率高、污染少，符合绿色制造的要求。

Description

大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法

技术领域

本发明涉及大型环件成形制造领域，更具体地说，涉及一种大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法。

背景技术

大型薄壁外T形环状构件在航空、航天、舰船、武器装备、风电、石油化工等领域具有十分广泛的应用，其制造技术是国际高端装备制造技术研究的前沿。大型薄壁外T形环状构件的主要特点是直径大、轴向高度大、壁厚小、截面形状复杂。对于该类复杂构件，主要加工方法有机械加工和焊接加工等。机械加工方法是将大型矩形截面环件通过车削或铣削加工出外T形环状构件。机械加工材料利用率低、效率低、成本高，且机械加工不能细化晶粒、切断金属流线，难以满足高性能外T形环状构件制造要求。焊接加工方法是将大型薄壁外T形环状构件分解成多个部件独立加工再进行焊接，严重地削弱了外T形环状构件强度和承载能力。因此，现有的加工方法都很难实现大型薄壁外T形环状构件高性能、高效率、低成本制造。

约束轧制是指环状构件在约束模型腔中轧制成形，该方法通过约束模型腔约束金属的流动，成形精度高，且容易成形带有复杂特征的薄壁环状构件。约束轧制属于连续局部塑性成形，成形力小、能耗低。同时，进给轧辊与约束模完全分离，进给轧辊尺寸远小于大型构件尺寸，可以实现小模具成形大型构件。因此，约束轧制是大型薄壁复杂环状构件高性能、高效率、低成本先进制造技术。目前，国内外还没有关于约束轧制成形技术的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法，有效地解决了大型薄壁复杂环状构件高性能、高效率、低成本制造难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法，包括以下步骤：

S1、组装大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形装置，其包括驱动盘、约束模、进给轧辊和脱模顶杆；约束模放置于驱动盘中，约束模脱模孔和驱动盘脱模孔位置对应；进给轧辊端面与预制环坯外端面相切，进给轧辊位于约束模上方；所述约束模为截面带有凹槽的L形环件，所述预制环坯为截面呈阶梯形的环件，所述预制环坯置于约束模的凹槽内；进给轧辊位于预制环坯外侧；脱模顶杆用于将已成形构件从约束模内部顶出；

S2、轧制开始，驱动盘驱动约束模和预制环坯以转速w₁绕约束模轴线做圆周运动，进给轧辊以转速w₂绕自身轴线转动，其转动方向与预制环坯的转动方向满足啮合转动关系，同时进给轧辊沿径向以速度v₁做进给运动，在进给轧辊和约束模共同作用下，预制环坯金属沿轴向流动，使其轴向高度增加，并在径向产生一定厚度的环形凸台；当预制环坯轴向高度达到构件轴向高度后，进给轧辊停止径向进给运动；

S3、进给轧辊停止径向进给运动后，进给系统驱动进给轧辊沿着轴向以速度v₂向下进给；在进给轧辊和约束模的共同作用下，步骤S2中形成的凸台金属开始沿径向流动，使环形凸台的高度降低，同时凸台直径增大；当凸台高度和直径达到预设尺寸时，进给轧辊开始向约束模外部运动，退出约束模；

S4、轧制成形结束后，脱模顶杆顶出已成形的构件。

上述方案中，所述预制环坯内径与目标构件内径相同，其小端圆环与约束模凹槽完全匹配，大端圆环直径D₃由径向轧比λ确定；

D₁＝d₁ (1)

D₂＝d₂ (2)

D₃＝λ*D₁ (3)

大端圆环轴向高度H₂为：

其中，d₁，d₂分别为外T形环状构件内外直径，d₃为外T形环状构件的最大端直径。h₂为T形环状构件凸台高度，h₁为外T形环状构件置于约束模内部的高度。λ通过计算确定，保证S3中环形凸台压缩不失稳。

上述方案中，所述约束模内壁轴向高度大于目标构件高度，约束模底部直径大于目标构件最大直径。

上述方案中，所述约束模的凹槽底部有多个呈圆周分布的圆形通孔。

上述方案中，约束模转速ω₁与轴向进给轧辊转速ω₂之间的关系为：

其中，r₁为轴向进给轧辊大端半径。

上述方案中，所述进给轧辊为阶梯圆轴，其轴线保持水平，其小端为与夹具相连的连接部分，大端为用于轧制成形的工作部分，其大端直径至少大于目标外T形环状构件轴向高度的1/2，其轴向高度大于目标外T形环状构件凸台径向厚度。进给轧辊与约束模相互完全独立。

实施本发明的大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法，具有以下有益效果：

1、本发明约束轧制方法属于连续局部塑性成形，成形力小、能耗低，可以实现大型薄壁外T形环状构件近净成形，并且材料利用率高、效率高、污染少，符合绿色制造的要求。

2、本发明大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法中进给轧辊尺寸远小于构件尺寸，可以实现小模具成形大型构件。

3、本发明大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法可以细化晶粒，可以形成连续的金属流线，因此可以制造高性能大型薄壁外T形环状构件。

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为大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形装置的结构示意图；

图2为径向进给过程示意图；

图3为轴向进给过程示意图；

图4为目标外T形环状构件纵截面示意图；

图5为梯形预制环坯纵截面示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法包括以下步骤：

S1、通过传统轧制、铸造等方法获得梯形预制环坯1。其内径D₁与目标环件内径d₁相同，其小端圆环恰好放置于约束模2的凹槽中，大端面直径D₃由径向轧比λ确定。

D₁＝d₁ (1)

D₂＝d₂ (2)

D₃＝λ*D₁ (3)

大端圆环轴向高度H₂为：

其中，d₁，d₂分别为外T形环状构件内外直径，d₃为外T形环状构件的最大端半径。h₂为T形凸台高度，h₁为外T形环状构件置于约束模2内部的高度，h为外T形环状构件轴向总高度。

在本发明的一个优选实例中，大型薄壁外T形环状构件的尺寸如下：

d₁＝2980mm，d₂＝3000mm，d₃＝3200mm，h＝400mm，h₁＝200mm，h₂＝20mm，λ＝1.04。因此，梯形预制环坯1的尺寸可以确定为：

D₁＝2980mm，D₂＝3000mm，D₃＝3120mm，H₁＝200mm，H₂＝59.85mm。

S2、约束模2的设计。约束模2是一个截面带有凹槽的L形环件。凹槽尺寸和外T形环状构件下半部分尺寸相同，可以使梯形预制环坯1恰好放置于该凹槽中，凹槽深度为200mm，宽度为10mm。凹槽底部有多个呈圆周分布的圆形通孔,直径为8mm。约束模2轴向高度为500mm，约束模2内径为2500mm，底部直径为3500mm。

S3、脱模顶杆4的设计。脱模顶杆4直径与约束模2底部圆孔直径相同为8mm，长度为100mm。在轧制成形过程中，脱模顶杆4顶端与约束模2凹槽底部保持水平，与约束模2一起转动。在轧制成形结束后，脱模顶杆4向上运动将已成形的环坯顶出约束模2。

S4、进给轧辊3的设计。进给轧辊3是一个绕自身轴线做圆周运动的阶梯圆轴，其轴线保持水平。小端为连接部分，与夹具相连，直径为20mm。大端为工作部分，参与轧制成形。其大端直径为220mm。轴向高度为80mm。

S5、轧制初始位置确定。如图1所示，图1为约束轧制各部分系统结构示意图。约束模2放置于驱动盘5中，约束模2脱模孔和驱动盘5脱模孔位置保持对应。毛坯放置于约束模2内部，毛坯底面与约束模2底面相平。进给轧辊3端面与毛坯外端面相切，进给轧辊3轴线与约束模2下端面保持一定距离，以保证外T型筋的成形效果。

S6、轧制开始后，驱动系统驱动约束模2和环形预制坯以转速ω₁绕约束模2轴线做圆周运动。进给系统驱动进给轧辊3以转速ω₂绕自身轴线转动，同时沿径向以速度v₁做进给运动，在进给轧辊3和约束模2内部的作用下，径向金属往轴向流动，使环件轴向高度升高，并在径向产生一定厚度的环形凸台。当轴向高度达到预设尺寸后，进给轧辊3停止径向进给运动。

S7、进给轧辊3停止径向进给运动后，进给系统驱动进给轧辊3沿着轴向以速度v₂向下进给。在进给轧辊3和约束模2上端面的作用下，方案S6中形成的凸台的轴向金属开始沿径向流动，使环形凸台的高度降低，同时凸台直径增大。当凸台高度和直径达到预设尺寸时，进给轧辊3开始向约束模2外部运动，退出约束模2，驱动系统也停止工作。

本实施例中，ω₁＝1r/min，ω₂＝10r/min，v₁＝5mm/min，v₂＝3mm/min。

S8、轧制成形结束后，由分布在约束模2下端的脱模顶杆4顶出已成形的环件，与约束模2分离，得到外T形环状构件。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、组装大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形装置，其包括驱动盘、约束模、进给轧辊和脱模顶杆；约束模放置于驱动盘中，约束模脱模孔和驱动盘脱模孔位置对应；进给轧辊端面与预制环坯外端面相切，进给轧辊位于约束模上方；所述约束模为截面带有凹槽的L形环件，所述预制环坯为截面呈阶梯形的环件，所述预制环坯置于约束模的凹槽内；所述进给轧辊为阶梯圆轴，其轴线保持水平，其小端为与夹具相连的连接部分，大端为用于轧制成形的工作部分，其大端直径至少大于目标外T形环状构件轴向高度的1/2，其轴向高度大于目标外T形环状构件凸台径向厚度，进给轧辊位于预制环坯外侧，其与约束模相互完全独立；脱模顶杆用于将已成形构件从约束模内部顶出；

S2、轧制开始，驱动盘驱动约束模和预制环坯以转速w₁绕约束模轴线做圆周运动，进给轧辊以转速w₂绕自身轴线转动，其转动方向与预制环坯的转动方向满足啮合转动关系，同时进给轧辊沿径向以速度v₁做进给运动，在进给轧辊和约束模共同作用下，预制环坯金属沿轴向流动，使其轴向高度增加，并在径向产生一定厚度的环形凸台；当预制环坯轴向高度达到构件轴向高度后，进给轧辊停止径向进给运动；

S3、进给轧辊停止径向进给运动后，进给系统驱动进给轧辊沿着轴向以速度v₂向下进给；在进给轧辊和约束模的共同作用下，步骤S2中形成的凸台金属开始沿径向流动，使环形凸台的高度降低，同时凸台直径增大；当凸台高度和直径达到预设尺寸时，进给轧辊开始向约束模外部运动，退出约束模；

S4、轧制成形结束后，脱模顶杆顶出已成形的构件。

2.根据权利要求1所述的大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法，其特征在于，所述预制环坯内径与目标构件内径相同，其小端圆环与约束模凹槽完全匹配，大端圆环直径D₃由径向轧比λ确定；

D₁＝d₁ (1)

D₂＝d₂ (2)

D₃＝λ*D₁ (3)

大端圆环轴向高度H₂为：

其中，d₁，d₂分别为外T形环状构件内外直径，d₃为外T形环状构件的最大端直径，h₂为T形环状构件凸台高度，h₁为外T形环状构件置于约束模内部的高度。

3.根据权利要求1所述的大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法，其特征在于，所述约束模内壁轴向高度大于目标构件高度，约束模底部直径大于目标构件最大直径，约束模的凹槽底部有多个呈圆周分布的圆形通孔。

4.根据权利要求2所述的大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法，其特征在于，约束模转速ω₁与轴向进给轧辊转速ω₂之间的关系为：

其中，r₁为轴向进给轧辊大端半径。

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