CN113051676A - 薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，包括以下步骤：S1，将整个约束辗轧分为n个道次，并建立相应的柱坐标系；S2，基于柱坐标系，建立计算第i道次约束辗轧时分流面的数学模型；S3，建立计算第i道次约束辗轧时锥形蒙皮两端处轴向应力的数学模型；S4，将S3建立的模型代入S2建立的模型中，得到第i道次约束辗轧时分流面位置；S5，建立计算第i道次约束辗轧时两端环筋径向高度增加量的数学模型；S6，计算每个道次约束辗轧时两端环筋径向高度，得到薄壁带内环筋锥筒终锻件两端环筋的径向高度。本发明能够快速预测出约束辗轧结束时，薄壁带内环筋锥筒终锻件两端环筋的径向高度，从而获得终锻件两端环筋的成形极限。

Description

薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法

技术领域

本发明涉及薄壁带内环筋锥筒约束辗轧领域，更具体地说，涉及一种薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法。

背景技术

运载火箭、人造卫星等运载装备是国际科技与国防竞争的战略制高点。新型运载装备为了提升运载能力、速度、航程等关键性能指标，其主体结构大量采用薄壁带筋整体构件。薄壁带内环筋锥筒是新型运载装备关键主承载构件，由锥形蒙皮和分布在蒙皮内锥面两端的环筋组成，其特点是蒙皮壁薄、筋高。针对这类结构极端的构件，现有的制造方法为切削加工。然而，切削加工会切断金属流线从而降低构件力学性能，导致其难以满足薄壁带内环筋锥筒高性能制造要求。通过塑性加工，构件能够获得均匀细小的组织和连续的金属流线，其力学性能可大幅提高。约束辗轧可以实现薄壁带内环筋锥筒高性能近净成形制造，但由于材料、结构和工艺复杂性，约束辗轧过程中薄壁带内环筋锥筒受力状态和金属流动模式十分复杂，高筋成形极限难以预测，从而导致环坯、模具和工艺参数难以设计，严重制约了高性能薄壁带内环筋锥筒约束辗轧制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，可以精确高效预测高筋成形极限。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，所述薄壁带内环筋锥筒终锻件由锥形蒙皮和分布在蒙皮内锥面两端的环筋组成，约束辗轧该构件的模具包括约束模、锥形轧辊和轴向挡板；将锥形环坯放置于约束模的锥形型腔，约束模两端均用轴向挡板连接，锥形轧辊与锥形环坯内表面贴合；约束模主动旋转并带动轴向挡板、锥形环坯绕自轴转动，锥形轧辊被动旋转并径向进给挤压锥形环坯内锥面；在约束模、轴向挡板和锥形轧辊的共同作用下，锥形环坯外径和轴向高度保持不变，锥形环坯壁厚不断减小，迫使金属流入由锥形轧辊和约束模组成的型腔，从而在锥形环坯内表面两端形成环筋，最终获得薄壁带内环筋锥筒终锻件，预测方法包括以下步骤：

S1、将约束辗轧过程中的锥形环坯划分为多个变形区，其中，大端环筋为I区，大端过渡段为II区，锥形蒙皮上段为III区，锥形蒙皮下段为IV区，小端过渡段为V区，小端环筋为VI区；III区与IV区的交界处为金属分流面，约束辗轧过程中，III区金属向上流动从而填充大端环筋，IV区金属向下流动从而填充小端环筋；在锥形蒙皮外锥面上选取一条母线，延长该母线使其与锥形蒙皮中心线相交于点O，以O点为原点建立柱坐标系，柱坐标系Z轴与锥形蒙皮中心线重合；将整个约束辗轧分成n个道次，每道次锥形轧辊的进给量相等；

S2、在S1建立的柱坐标系下，基于主应力法建立计算第i道次约束辗轧时锥形蒙皮处分流面的数学模型，如式(1)所示：

式中，Z_ki为第i道次约束辗轧时分流面对应的Z轴坐标值，Z_b为II区下端对应的Z轴坐标值，Z_s为V区上端对应的Z轴坐标值，t_i为第i道次约束辗轧前锥形蒙皮沿其径向的壁厚，m为坯料与模具之间的摩擦系数，β为锥形蒙皮锥角，f_bi为第i道次约束辗轧前II区下端处的轴向应力，f_si为第i道次约束辗轧前V区上端处的轴向应力，K为材料强度参数(K＝σ_s/2,σ_s为材料屈服强度)；

S3，基于上限功率法，依次计算第i道次约束辗轧前II区下端处的轴向应力、V区上端处的轴向应力，如式(2)-(7)所示：

式中，η为折算系数，

为第i道次约束辗轧前II区左端处的径向应力，

为第i道次约束辗轧前V区左端处的径向应力，h₁为大端环筋的轴向宽度，h₂为小端环筋的轴向宽度；

S4，在S1建立的柱坐标系下，基于主应力法建立计算第i道次约束辗轧前I区右端处的径向应力

VI区右端处的径向应力

的数学模型；S4中

分别等于第i道次约束辗轧前I区右端处的径向应力、VI区右端处的径向应力，如式(8)-(9)所示：

式中，w_bi为第i道次约束辗轧前大端环筋的径向高度，w_si为第i道次约束辗轧前小端环筋的径向高度，a为约束辗轧成形过程中约束模旋转1周时锥形轧辊的径向进给量，r_b为锥形轧辊大端半径，r_s为锥形轧辊小端半径；

S5，将S4中

代入到S4建立的公式中，得到f_bi,f_si；将f_bi,f_si代入到S3建立的公式中，得到第i道次约束辗轧时分流面对应的Z轴坐标Z_ki；根据分流面位置和体积守恒原则，建立计算第i道次约束辗轧结束时大端环筋内径相对上一道次的减小量Δr_i的数学模型，如式(10)所示；建立计算第i道次约束辗轧结束时小端环筋内径相对上一道次的减小量ΔR_i的数学模型，如式(11)所示；根据Δr_i和ΔR_i，计算第i道次约束辗轧结束时大端环筋径向高度w_b(i+1)和小端环筋径向高度w_s(i+1)的数学模型，如式(12)所示；

式(10)-(12)中，t₀为锥形环坯沿其径向的壁厚，Δt为每道次约束辗轧时锥形轧辊的径向进给量，A_i为第i道次约束辗轧时分配给大端环筋的金属体积的

倍，B_i为第i道次约束辗轧前大端环筋的内径，C_i为第i道次约束辗轧时分配给小端环筋的金属体积的

倍，D_i为第i道次约束辗轧前小端环筋的内径；

S6，按照步骤S2-S5，编写计算第i道次约束辗轧结束时两端环筋径向高度的程序，并按照式(13)对参数w_b1,w_s1进行赋值；最终得到第n道次约束辗轧结束时终锻件两端环筋径向高度的预测值，如式(14)所示，从而确定终锻件两端环筋的成形极限；

上述方案中，为保证锥形轧辊能顺利脱模且不与环筋发生干涉，锥形轧辊尺寸应满足公式(15)要求：

式中，Φ₅为锥形轧辊圆锥面大端直径，Φ₆为锥形轧辊圆柱面直径，Φ₁为终锻件大端外径，Φ₂为终锻件大端环筋内径，t_e为终锻件锥形蒙皮沿其径向的壁厚。

上述方案中，所述锥形环坯的轴向高度等于薄壁带内筋锥筒终锻件的轴向高度，其内外锥面锥角等于终锻件锥形蒙皮内外锥角，其大端外径等于终锻件大端外径。

上述方案中，所述锥形轧辊为异形棒，其大端为圆锥体，用于辗轧锥形环坯内锥面，其小端为圆柱体，用于连接辗轧机。

上述方案中，所述锥形轧辊圆锥面的轴向高度等于终锻件两端环筋之间的距离，其锥角等于终锻件锥形蒙皮内外锥角。

实施本发明的薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，具有以下有益效果：

1、本发明可以精确预测高筋成形极限，进而指导高性能薄壁带内环筋锥筒约束辗轧环坯、模具和工艺参数设计。

2、本发明一种薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法高效，能够有效缩短工艺设计及产品研制周期。

3、利用本发明一种薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，可以对约束辗轧工艺进行优化。

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为薄壁带内环筋锥筒终锻件示意图；

图2为锥形环坯示意图；

图3为锥形轧辊示意图；

图4为薄壁带内环筋锥筒终锻件约束辗轧原理图；

图5为薄壁带内环筋锥筒终锻件小端环筋充填不满模拟结果；

图6为薄壁带内环筋锥筒终锻件约束辗轧几何建模；

图7为计算薄壁带内环筋锥筒终锻件两端环筋径向高度的流程图；

图8为薄壁带内环筋锥筒终锻件约束辗轧模拟结果；

图9为薄壁带内环筋锥筒终锻件约束辗轧时两端环筋增长规律示意图。

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。

如图1所示，实例中的薄壁带内环筋锥筒终锻件1是由锥形蒙皮和分布在蒙皮内锥面两端的环筋组成。图4描述了薄壁带内环筋锥筒终锻件1约束辗轧原理，约束辗轧该构件的模具包括约束模4、锥形轧辊3、轴向挡板1和轴向挡板5。将锥形环坯2放置于约束模4的锥形型腔，约束模4大端连接轴向挡板1，约束模4小端连接轴向挡板5，锥形轧辊3与锥形环坯2内表面贴合。约束模4主动旋转并带动轴向挡板1、轴向挡板5、锥形环坯2绕自轴转动，锥形轧辊3被动旋转并径向进给挤压锥形环坯2内锥面。在约束模4、轴向挡板1、轴向挡板5和锥形轧辊3的共同作用下，锥形环坯2外径和轴向高度保持不变，锥形环坯壁厚不断减小，迫使金属流入由锥形轧辊3和约束模4组成的型腔，从而在锥形环坯2内表面两端形成环筋，最终获得薄壁带内环筋锥筒终锻件6。由于边界条件复杂，约束辗轧过程中位于锥形蒙皮处的分流面时刻都在变化，两端环筋增长相互竞争和制约，容易出现如图5所示的环筋充填不满缺陷。

实施本发明薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，包括以下步骤：

S1，将约束辗轧过程中的锥形环坯7划分为6个变形区，如图6所示。大端环筋为I区，大端过渡段为II区，锥形蒙皮上段为III区，锥形蒙皮下段为IV区，小端过渡段为V区，小端环筋为VI区。III区与IV区的交界处为金属分流面8，约束辗轧成形过程中，III区金属向上流动从而填充大端环筋，IV区金属向下流动从而填充小端环筋。在锥形蒙皮外锥面上选取一条母线，延长该母线使其与锥形蒙皮中心线相交于点O，以O点为原点建立柱坐标系，柱坐标系Z轴与锥形蒙皮中心线重合。将整个约束辗轧分成n个道次，每道次锥形轧辊3的进给量相等。

S2，在S1建立的柱坐标系下，基于主应力法建立计算第i道次约束辗轧时锥形蒙皮处分流面8的数学模型，如式(1)所示：

式中，Z_ki为第i道次约束辗轧时分流面8对应的Z轴坐标值，Z_b为II区下端对应的Z轴坐标值，Z_s为V区上端对应的Z轴坐标值，t_i为第i道次约束辗轧前锥形蒙皮沿其径向的壁厚，m为坯料与模具之间的摩擦系数，β为锥形蒙皮锥角，f_bi为第i道次约束辗轧前II区下端处的轴向应力，f_si为第i道次约束辗轧前V区上端处的轴向应力，K为材料强度参数(K＝σ_s/2)。

S3，基于上限功率法，依次计算第i道次约束辗轧前II区下端处的轴向应力、V区上端处的轴向应力，如式(2)-(7)所示：

式中，η为折算系数(经验值为0.5)，

为第i道次约束辗轧前II区左端处的径向应力，

为第i道次约束辗轧前V区左端处的径向应力，h₁为大端环筋的轴向宽度，h₂为小端环筋的轴向宽度。

S5，在S1建立的柱坐标系下，基于主应力法建立计算第i道次约束辗轧前I区右端处的径向应力

VI区右端处的径向应力

的数学模型。S4中

分别等于第i道次约束辗轧前I区右端处的径向应力、VI区右端处的径向应力，如式(8)-(9)所示：

式中，w_bi为第i道次约束辗轧前大端环筋的径向高度，w_si为第i道次约束辗轧前小端环筋的径向高度，a为约束辗轧成形过程中约束模旋转1周时锥形轧辊的径向进给量，r_b为锥形轧辊大端半径，r_s为锥形轧辊小端半径。

S5，将S4中

代入到S3建立的公式中，得到f_bi,f_si。将f_bi,f_si代入到S2建立的公式中，得到第i道次约束辗轧时分流面8对应的Z轴坐标Z_ki。根据分流面位置和体积守恒原则，建立计算第i道次约束辗轧结束时大端环筋内径相对上一道次的减小量Δr_i的数学模型，如式(10)所示；建立计算第i道次约束辗轧结束时小端环筋内径相对上一道次的减小量ΔR_i的数学模型，如式(11)所示。根据Δr_i和ΔR_i，计算第i道次约束辗轧结束时大端环筋径向高度w_b(i+1)和小端环筋径向高度w_s(i+1)的数学模型，如式(12)所示。

式(10)-(12)中，t₀为锥形环坯2沿其径向的壁厚，Δt为每道次约束辗轧时锥形轧辊3的径向进给量，A_i为第i道次约束辗轧时分配给大端环筋的金属体积的

倍，B_i为第i道次约束辗轧前大端环筋的内径，C_i为第i道次约束辗轧时分配给小端环筋的金属体积的

倍，D_i为第i道次约束辗轧前小端环筋的内径。

S6，按照步骤S2-S5，编写计算第i道次约束辗轧结束时两端环筋径向高度的程序，并按照式(13)对参数w_b1,w_s1进行赋值，计算流程如图7所示。最终，得到第n道次约束辗轧结束时终锻件6两端环筋径向高度的预测值，如式(14)所示，从而确定终锻件两端环筋的成形极限。

如图2所示，S1中锥形环坯2的轴向高度等于薄壁带内筋锥筒终锻件6的轴向高度，其内外锥面锥角等于终锻件6锥形蒙皮内外锥角，其大端外径等于终锻件6大端外径。锥形环坯2沿水平方向的壁厚通过力学模型确定，保证约束辗轧时筋部不发生失稳、折叠等缺陷。如图3所示，S1中锥形轧辊3为异形棒，其大端为圆锥体，用于辗轧锥形环坯2内锥面，其小端为圆柱体，用于连接辗轧设备。锥形轧辊3圆锥面的轴向高度等于终锻件6两端环筋之间的距离，其锥角等于终锻件6锥形蒙皮内外锥角。为保证锥形轧辊6能顺利脱模且不与环筋发生干涉，锥形轧辊6的尺寸应满足公式(14)要求：

式中，Φ₅为锥形轧辊3圆锥面大端直径，Φ₆为锥形轧辊32圆柱面直径，Φ₁为终锻件6大端外径，Φ₂为终锻件6大端环筋内径，t_e为终锻件6锥形蒙皮沿其径向的壁厚。

为了验证本发明薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限预测方法的可行性，对薄壁带内环筋锥筒约束辗轧进行了有限元模拟，有限元模拟与理论分析采用的模型及参数完全相同。锥形环坯2尺寸如表1所示，锥形轧辊3尺寸如表2所示，约束辗轧工艺参数如表3所示。通过对比图8中的有限元模拟与理论预测结果，得到了两端环筋的径向高度随锥形轧辊3进给量变化的曲线，如图9所示。由图9可知，有限元结果与理论预测结果误差小于10％，充分证明本发明的薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限预测方法可行。

表1.本实例中锥形环坯及终端件尺寸

表2.本实例中锥形轧辊尺寸

表3.实施本实例的工艺参数

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 (5)

1.一种薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，所述薄壁带内环筋锥筒终锻件由锥形蒙皮和分布在蒙皮内锥面两端的环筋组成，约束辗轧该构件的模具包括约束模、锥形轧辊和轴向挡板；将锥形环坯放置于约束模的锥形型腔，约束模两端均用轴向挡板连接，锥形轧辊与锥形环坯内表面贴合；约束模主动旋转并带动轴向挡板、锥形环坯绕自轴转动，锥形轧辊被动旋转并径向进给挤压锥形环坯内锥面；在约束模、轴向挡板和锥形轧辊的共同作用下，锥形环坯外径和轴向高度保持不变，锥形环坯壁厚不断减小，迫使金属流入由锥形轧辊和约束模组成的型腔，从而在锥形环坯内表面两端形成环筋，最终获得薄壁带内环筋锥筒终锻件，其特征在于，预测方法包括以下步骤：

S1、将约束辗轧过程中的锥形环坯划分为多个变形区，其中，大端环筋为I区，大端过渡段为II区，锥形蒙皮上段为III区，锥形蒙皮下段为IV区，小端过渡段为V区，小端环筋为VI区；III区与IV区的交界处为金属分流面，约束辗轧过程中，III区金属向上流动从而填充大端环筋，IV区金属向下流动从而填充小端环筋；在锥形蒙皮外锥面上选取一条母线，延长该母线使其与锥形蒙皮中心线相交于点O，以O点为原点建立柱坐标系，柱坐标系Z轴与锥形蒙皮中心线重合；将整个约束辗轧分成n个道次，每道次锥形轧辊的进给量相等；

S2、在S1建立的柱坐标系下，基于主应力法建立计算第i道次约束辗轧时锥形蒙皮处分流面的数学模型，如式(1)所示：

式中，Z_ki为第i道次约束辗轧时分流面对应的Z轴坐标值，Z_b为II区下端对应的Z轴坐标值，Z_s为V区上端对应的Z轴坐标值，t_i为第i道次约束辗轧前锥形蒙皮沿其径向的壁厚，m为坯料与模具之间的摩擦系数，β为锥形蒙皮锥角，f_bi为第i道次约束辗轧前II区下端处的轴向应力，f_si为第i道次约束辗轧前V区上端处的轴向应力，K为材料强度参数(K＝σ_s/2,σ_s为材料屈服强度)；

S3，基于上限功率法，依次计算第i道次约束辗轧前II区下端处的轴向应力、V区上端处的轴向应力，如式(2)-(7)所示：

式中，η为折算系数，

为第i道次约束辗轧前II区左端处的径向应力，

为第i道次约束辗轧前V区左端处的径向应力，h₁为大端环筋的轴向宽度，h₂为小端环筋的轴向宽度；

S4，在S1建立的柱坐标系下，基于主应力法建立计算第i道次约束辗轧前I区右端处的径向应力

VI区右端处的径向应力

的数学模型；S4中

分别等于第i道次约束辗轧前I区右端处的径向应力、VI区右端处的径向应力，如式(8)-(9)所示：

式中，w_bi为第i道次约束辗轧前大端环筋的径向高度，w_si为第i道次约束辗轧前小端环筋的径向高度，a为约束辗轧成形过程中约束模旋转1周时锥形轧辊的径向进给量，r_b为锥形轧辊大端半径，r_s为锥形轧辊小端半径；

S5，将S4中

代入到S4建立的公式中，得到f_bi,f_si；将f_bi,f_si代入到S3建立的公式中，得到第i道次约束辗轧时分流面对应的Z轴坐标Z_ki；根据分流面位置和体积守恒原则，建立计算第i道次约束辗轧结束时大端环筋内径相对上一道次的减小量Δr_i的数学模型，如式(10)所示；建立计算第i道次约束辗轧结束时小端环筋内径相对上一道次的减小量ΔR_i的数学模型，如式(11)所示；根据Δr_i和ΔR_i，计算第i道次约束辗轧结束时大端环筋径向高度w_b(i+1)和小端环筋径向高度w_s(i+1)的数学模型，如式(12)所示；

式(10)-(12)中，t₀为锥形环坯沿其径向的壁厚，Δt为每道次约束辗轧时锥形轧辊的径向进给量，A_i为第i道次约束辗轧时分配给大端环筋的金属体积的

倍，B_i为第i道次约束辗轧前大端环筋的内径，C_i为第i道次约束辗轧时分配给小端环筋的金属体积的

倍，D_i为第i道次约束辗轧前小端环筋的内径；

S6，按照步骤S2-S5，编写计算第i道次约束辗轧结束时两端环筋径向高度的程序，并按照式(13)对参数w_b1,w_s1进行赋值；最终得到第n道次约束辗轧结束时终锻件两端环筋径向高度的预测值，如式(14)所示，从而确定终锻件两端环筋的成形极限；

2.根据权利要求1所述的薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，其特征在于，为保证锥形轧辊能顺利脱模且不与环筋发生干涉，锥形轧辊尺寸应满足公式(15)要求：

式中，Φ₅为锥形轧辊圆锥面大端直径，Φ₆为锥形轧辊圆柱面直径，Φ₁为终锻件大端外径，Φ₂为终锻件大端环筋内径，t_e为终锻件锥形蒙皮沿其径向的壁厚。

3.根据权利要求1所述的薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，其特征在于，所述锥形环坯的轴向高度等于薄壁带内筋锥筒终锻件的轴向高度，其内外锥面锥角等于终锻件锥形蒙皮内外锥角，其大端外径等于终锻件大端外径。

4.根据权利要求1所述的薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，其特征在于，所述锥形轧辊为异形棒，其大端为圆锥体，用于辗轧锥形环坯内锥面，其小端为圆柱体，用于连接辗轧机。

5.根据权利要求1所述的薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，其特征在于，所述锥形轧辊圆锥面的轴向高度等于终锻件两端环筋之间的距离，其锥角等于终锻件锥形蒙皮内外锥角。

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