CN113084053A - 大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法 - Google Patents

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CN113084053A CN202110321189.4A CN202110321189A CN113084053A CN 113084053 A CN113084053 A CN 113084053A CN 202110321189 A CN202110321189 A CN 202110321189A CN 113084053 A CN113084053 A CN 113084053A
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Abstract

本发明公开了一种大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，包括步骤：S1、将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯；S2、将预轧成形后的环坯放置在挤压模具上，将环坯外表面包络并对环坯内表面进行多道次连续对称径向挤压成形出局部的内台阶，再通过多次挤压成形成形出全部的内台阶，获得异形环坯；S3、将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环件。该方法能耗低，成形效率高，尺寸精度高，材料利用率高，提高了产品综合力学性能。

Description

大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法
技术领域
本发明属于塑性加工技术领域，具体涉及一种大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法。
背景技术
大型内轮廓突变截面环件是指直径1米以上、外表面直壁、内表面带有若干个突变台阶特征的环形构件，该类环件在航空、航天等重大装备关键构件中有重要应用，对产品综合性能有较高要求。环件轧制是一种通过连续局部塑性成形制造高质量无缝环件的先进方法，但是对于这类内轮廓突变截面环件轧制所需的环坯设计和成形较为困难，目前主要通过环件轧制成形出矩形截面环件，再通过切削的方法加工出内表面突变台阶，这种方法不仅造成材料大量浪费、加工效率低，而且破坏金属流线的完整性，削弱了环件的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，该方法能耗低，成形效率高，尺寸精度高，材料利用率高，提高了产品综合力学性能。
本发明所采用的技术方案是：
一种大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，包括步骤：S1、将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯；S2、将预轧成形后的环坯放置在挤压模具上，将环坯外表面包络并对环坯内表面进行多道次连续对称径向挤压成形出局部的内台阶，再通过多次挤压成形成形出全部的内台阶，获得异形环坯；S3、将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环件。
在步骤S1中，进行预轧成形时，在驱动辊和芯辊的共同作用下实现坯料的壁厚减薄、内外直径扩大、高度基本保持不变，待内外径达到设计尺寸时，径向轧制成形完成。
进一步地，根据扩径比和体积不变原则，预轧成形后的环坯尺寸为，
Figure BDA0002992978150000011
其中，D、d、B分别为预轧成形后的环坯外径、内径、高度，Df为目标环形外径，Bfi为目标环件沿轴向第i个内台阶高度，n为目标环件内台阶个数，Kf为扩径比，V为目标环件体积且有
Figure BDA0002992978150000021
其中，dfi、Bfi分为目标环件沿轴向第i个内台阶的内径和高度；
根据当量轧制比，轧制前后环坯的高度及体积不变原则，预轧成形前的环坯尺寸由下式计算，
Figure BDA0002992978150000022
其中，D0、d0、B0分别为预轧成形前的环坯外径、内径、高度，K2为当量轧比。
在步骤S2中，挤压模具包括用于包络环坯外表面的腔体、一对用于对称挤压环坯内表面的瓣模和用于带动瓣膜径向运动和旋转的芯轴，腔体的一端设有可拆卸的环形压块、另一端设有顶出机构，瓣模间设有复位弹簧，芯轴与旋转机构和加压升降机构连接且通过自身的锲形部与瓣模配合；工作时，先将环坯放入腔体并安装环形压块，然后加压升降机构逐渐下压芯轴，芯轴带动瓣膜径向运动，对环坯内表面进行逐渐挤压，多道次连续成形出局部的内台阶，完成第一次挤压成形，然后芯轴向上运动，复位弹簧带动瓣模复位并贴紧芯轴，旋转机构驱动芯轴带动瓣模旋转一定角度后停止，然后进行第二次挤压成形，如此循环直至瓣膜旋转半圈后成形出全部的内台阶，最后顶出机构将环坯顶出。
进一步地，成形后的异形环坯尺寸为，
Figure BDA0002992978150000023
其中，D1为成形后的异形环坯外径，D为预轧成形后的环坯外径，Df为目标环形外径，di为成形后的异形环坯沿轴向第i个内台阶内径，dfi为目标环件沿轴向第i个内台阶内径；
芯轴的下压距离S为，
Figure BDA0002992978150000024
其中，L为瓣模闭合时最大外径处与环坯之间的间隙，di-max为成形后的异形环坯中最大的内台阶内径，β为芯轴的半锥角；
瓣模的旋转角度θ为，
Figure BDA0002992978150000031
其中，Bp为瓣模宽度，δ为重叠角。
进一步地，旋转机构包括伸入腔体的旋转轴、设在旋转轴上的主动齿轮和设在芯轴底端的从动齿轮，从动齿轮始终位于瓣膜下方，芯轴在初始位置上时主动齿轮与从动齿轮啮合。
在步骤S3中，进行径向闭式近净轧制成形时，由异形外表面的芯辊和直壁且两端带有限位凸缘的驱动辊形成闭式轧制孔型，在轧制开始阶段，芯辊低速进给以满足环坯咬入孔型的条件，在主轧制阶段，增加芯辊进给速度，促使环件外径增大、截面轮廓成形，在整圆阶段，芯辊低速进给，进行定径整圆，待尺寸达到设计目标时，停止轧制。
进一步地，芯轴在各阶段的进给量及进给速度确定如下，
初始阶段的进给量为
ΔH1＝(0.1～0.2)ΔH
初始阶段的进给速度为
Figure BDA0002992978150000032
主轧制阶段的进给量为
ΔH2＝(0.7～0.8)ΔH
主轧制阶段的进给速度为
Figure BDA0002992978150000033
整圆阶段的进给量为
ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2
整圆阶段的进给速度为
Figure BDA0002992978150000034
ΔH为芯辊的总进给量，且有
Figure BDA0002992978150000035
其中，D1为成形后的异形环坯外径，Df为目标环形外径，dfi-min为目标环件最厚壁厚处的内台阶内径，di-min为成形的异形环坯最厚壁厚处内台阶内径；
vmax为芯辊最大进给速度，vmin为芯辊最小进给速度，且有
vmax为芯辊最大进给速度，vmin为芯辊最小进给速度，且有
Figure BDA0002992978150000041
Figure BDA0002992978150000042
其中，n1为驱动辊转速，r1为驱动辊半径，r2为芯辊最大凸台半径，β为接触摩擦角。
本发明的有益效果是：
该方法对预轧成形的环坯进行包络对称挤压成形，局部挤压方式成形力能更小，能耗更低，采用对称结构进行挤压，受力更加平衡且成形效率更高，获得的异形环坯通过近净轧制获得流线分布完整、尺寸精度高的环形锻件，提高材料利用率，改善金属流线分布完整性，并提高产品综合力学性能。
附图说明
图1是本发明实施例中大型内轮廓突变截面环件的剖面图。
图2是本发明实施例中大型内轮廓突变截面环件进行轧挤复合近净成形工艺的流程示意图。
图3是本发明实施例中进行预轧成形的示意图，其中(a)为开始时刻，(b)为结束时刻。
图4是本发明实施例中进行挤压成形的示意图一，其中(a)为第一次挤压成形开始时刻；(b)为第一次挤压成形结束时刻。
图5是本发明实施例中瓣模的示意图。
图6是本发明实施例中进行挤压成形的示意图二，其中(a)为第一次挤压成形开始时刻，(b)为第一次挤压成形结束时刻，(c)为第二次挤压成形开始时刻，(d)为最后一次挤压成形结束时刻。
图7是本发明实施例中进行近净轧制成形的示意图，其中(a)为开始时刻，(b)为结束时刻。
图8是本发明实施例中进行近净轧制成形时芯辊的进给速度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，包括步骤：
S1、如图2和图3所示，将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯—进行预轧成形时，在驱动辊和芯辊的共同作用下实现坯料的壁厚减薄、内外直径扩大、高度基本保持不变，待内外径达到设计尺寸时，径向轧制成形完成。
如图3所示，根据扩径比和体积不变原则，预轧成形后的环坯尺寸为，
Figure BDA0002992978150000051
其中，D、d、B分别为预轧成形后的环坯外径、内径、高度，Df为目标环形外径，Bfi为目标环件沿轴向第i个内台阶高度，n为目标环件内台阶个数，Kf为扩径比，通常取1.2～3，V为目标环件体积且有
Figure BDA0002992978150000052
其中，dfi、Bfi分为目标环件沿轴向第i个内台阶的内径和高度；
根据当量轧制比，轧制前后环坯的高度及体积不变原则，预轧成形前的环坯尺寸由下式计算，
Figure BDA0002992978150000053
其中，D0、d0、B0分别为预轧成形前的环坯外径、内径、高度，K2为当量轧比(通常取1.5～4)。
S2、如图2、图4至图6所示，将预轧成形后的环坯放置在挤压模具上，将环坯外表面包络并对环坯内表面进行多道次连续对称径向挤压成形出局部的内台阶，再通过多次挤压成形成形出全部的内台阶，获得异形环坯。
如图4至图6所示，挤压模具包括用于包络环坯外表面的腔体、一对用于对称挤压环坯内表面的瓣模和用于带动瓣膜径向运动和旋转的芯轴，腔体的一端设有可拆卸的环形压块、另一端设有顶出机构，瓣模间设有复位弹簧，芯轴与旋转机构和加压升降机构连接且通过自身的锲形部与瓣模配合；工作时，先将环坯放入腔体并安装环形压块，然后加压升降机构逐渐下压芯轴，芯轴带动瓣膜径向运动，对环坯内表面进行逐渐挤压，多道次连续成形出局部的内台阶，完成第一次挤压成形，然后芯轴向上运动，复位弹簧带动瓣模复位并贴紧芯轴，旋转机构驱动芯轴带动瓣模旋转一定角度后停止，然后进行第二次挤压成形，如此循环直至瓣膜旋转半圈后成形出全部的内台阶，最后顶出机构将环坯顶出。相比整体挤压，局部挤压方式的成形力能更小，能耗更低，相比单个瓣模挤压，采用对称结构进行挤压，受力更加平衡且成形效率更高。
成形后的异形环坯尺寸为，
Figure BDA0002992978150000061
其中，D1为成形后的异形环坯外径，D为预轧成形后的环坯外径，Df为目标环形外径，di为成形后的异形环坯沿轴向第i个内台阶内径，dfi为目标环件沿轴向第i个内台阶内径；
芯轴的下压距离S为，
Figure BDA0002992978150000062
其中，L为瓣模闭合时最大外径处与环坯之间的间隙，di-max为成形后的异形环坯中最大的内台阶内径，β为芯轴的半锥角；
瓣模的旋转角度θ为，
Figure BDA0002992978150000063
其中，Bp为瓣模宽度，δ为重叠角，通常取1～2°。
如图4所示，在本实施例中，旋转机构包括伸入腔体的旋转轴、设在旋转轴上的主动齿轮和设在芯轴底端的从动齿轮，从动齿轮始终位于瓣膜下方，芯轴在初始位置上时主动齿轮与从动齿轮啮合。
S3、如图2、图7和图8所示，将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环件——进行径向闭式近净轧制成形时，由异形外表面的芯辊和直壁且两端带有限位凸缘的驱动辊形成闭式轧制孔型，在轧制开始阶段，芯辊低速进给以满足环坯咬入孔型的条件，在主轧制阶段，增加芯辊进给速度，促使环件外径增大、截面轮廓成形，在整圆阶段，芯辊低速进给，进行定径整圆，待尺寸达到设计目标时，停止轧制。
芯轴在各阶段的进给量及进给速度确定如下，
初始阶段的进给量为
ΔH1＝(0.1～0.2)ΔH
初始阶段的进给速度为
Figure BDA0002992978150000071
主轧制阶段的进给量为
ΔH2＝(0.7～0.8)ΔH
主轧制阶段的进给速度为
Figure BDA0002992978150000072
整圆阶段的进给量为
ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2
整圆阶段的进给速度为
Figure BDA0002992978150000073
ΔH为芯辊的总进给量，且有
Figure BDA0002992978150000074
其中，D1为成形后的异形环坯外径，Df为目标环形外径，dfi-min为目标环件最厚壁厚处的内台阶内径，di-min为成形的异形环坯最厚壁厚处内台阶内径；
vmax为芯辊最大进给速度，vmin为芯辊最小进给速度，且有
Figure BDA0002992978150000075
Figure BDA0002992978150000076
其中，n1为驱动辊转速，r1为驱动辊半径，r2为芯辊最大凸台半径，β为接触摩擦角。
实施例
以图1所示的某一大型内轮廓突变截面环件为例，其尺寸为Df＝3000mm，df1＝2462mm，df2＝2492mm，df3＝2746mm，df4＝2488mm，Bf1＝50mm，Bf2＝170mm，Bf3＝215mm，Bf4＝65mm。
步骤S1—预轧成形前的环坯尺寸为D0＝1548mm，d0＝400mm，B0＝500mm；预轧成形后的的环坯尺寸为D＝2040mm，d＝1388mm，B＝500mm。
步骤S2—成形后的异形环坯尺寸为D1＝2040mm，d1＝1108mm，d2＝1192mm，d3＝1644mm，d4＝1164mm，B1＝50mm，B2＝170mm，B3＝215mm，B4＝65mm；芯轴的下压距离S＝64.5mm，瓣模的旋转角度θ＝60°。
步骤S3—初始轧制阶段进给量ΔH1＝15mm，初始轧制进给速度为v1＝1mm/s；主轧制阶段进给量ΔH2＝78mm，主轧制阶段进给速度v2＝2.5mm/s；整圆阶段进给量ΔH3＝6mm，整圆阶段进给速度v3＝0.5mm/s。
该方法对预轧成形的环坯进行包络对称挤压成形，局部挤压方式成形力能更小，能耗更低，采用对称结构进行挤压，受力更加平衡且成形效率更高，获得的异形环坯通过近净轧制获得流线分布完整、尺寸精度高的环形锻件，提高材料利用率，改善金属流线分布完整性，并提高产品综合力学性能。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：包括步骤，S1、将镦粗冲孔后的坯料通过预轧成形获得壁厚均匀且大直径矩形截面的环坯；S2、将预轧成形后的环坯放置在挤压模具上，将环坯外表面包络并对环坯内表面进行多道次连续对称径向挤压成形出局部的内台阶，再通过多次挤压成形成形出全部的内台阶，获得异形环坯；S3、将异形环坯通过径向闭式近净轧制成形获得目标环件。
2.如权利要求1所示的大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：在步骤S1中，进行预轧成形时，在驱动辊和芯辊的共同作用下实现坯料的壁厚减薄、内外直径扩大、高度基本保持不变，待内外径达到设计尺寸时，径向轧制成形完成。
3.如权利要求2所示的大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：根据扩径比和体积不变原则，预轧成形后的环坯尺寸为，
Figure FDA0002992978140000011
其中，D、d、B分别为预轧成形后的环坯外径、内径、高度，Df为目标环形外径，Bfi为目标环件沿轴向第i个内台阶高度，n为目标环件内台阶个数，Kf为扩径比，V为目标环件体积且有
Figure FDA0002992978140000012
其中，dfi、Bfi分为目标环件沿轴向第i个内台阶的内径和高度；
根据当量轧制比，轧制前后环坯的高度及体积不变原则，预轧成形前的环坯尺寸由下式计算，
Figure FDA0002992978140000013
其中，D0、d0、B0分别为预轧成形前的环坯外径、内径、高度，K2为当量轧比。
4.如权利要求1所示的大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：在步骤S2中，挤压模具包括用于包络环坯外表面的腔体、一对用于对称挤压环坯内表面的瓣模和用于带动瓣膜径向运动和旋转的芯轴，腔体的一端设有可拆卸的环形压块、另一端设有顶出机构，瓣模间设有复位弹簧，芯轴与旋转机构和加压升降机构连接且通过自身的锲形部与瓣模配合；工作时，先将环坯放入腔体并安装环形压块，然后加压升降机构逐渐下压芯轴，芯轴带动瓣膜径向运动，对环坯内表面进行逐渐挤压，多道次连续成形出局部的内台阶，完成第一次挤压成形，然后芯轴向上运动，复位弹簧带动瓣模复位并贴紧芯轴，旋转机构驱动芯轴带动瓣模旋转一定角度后停止，然后进行第二次挤压成形，如此循环直至瓣膜旋转半圈后成形出全部的内台阶，最后顶出机构将环坯顶出。
5.如权利要求4所示的大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：成形后的异形环坯尺寸为，
Figure FDA0002992978140000021
其中，D1为成形后的异形环坯外径，D为预轧成形后的环坯外径，Df为目标环形外径，di为成形后的异形环坯沿轴向第i个内台阶内径，dfi为目标环件沿轴向第i个内台阶内径；
芯轴的下压距离S为，
Figure FDA0002992978140000022
其中，L为瓣模闭合时最大外径处与环坯之间的间隙，di-max为成形后的异形环坯中最大的内台阶内径，β为芯轴的半锥角；
瓣模的旋转角度θ为，
Figure FDA0002992978140000023
其中，Bp为瓣模宽度，δ为重叠角。
6.如权利要求4所示的大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：旋转机构包括伸入腔体的旋转轴、设在旋转轴上的主动齿轮和设在芯轴底端的从动齿轮，从动齿轮始终位于瓣膜下方，芯轴在初始位置上时主动齿轮与从动齿轮啮合。
7.如权利要求1所示的大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：在步骤S3中，进行径向闭式近净轧制成形时，由异形外表面的芯辊和直壁且两端带有限位凸缘的驱动辊形成闭式轧制孔型，在轧制开始阶段，芯辊低速进给以满足环坯咬入孔型的条件，在主轧制阶段，增加芯辊进给速度，促使环件外径增大、截面轮廓成形，在整圆阶段，芯辊低速进给，进行定径整圆，待尺寸达到设计目标时，停止轧制。
8.如权利要求7所示的大型内轮廓突变截面环件轧挤复合近净成形方法，其特征在于：芯轴在各阶段的进给量及进给速度确定如下，
初始阶段的进给量为
ΔH1＝(0.1～0.2)ΔH
初始阶段的进给速度为
Figure FDA0002992978140000031
主轧制阶段的进给量为
ΔH2＝(0.7～0.8)ΔH
主轧制阶段的进给速度为
Figure FDA0002992978140000032
整圆阶段的进给量为
ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2
整圆阶段的进给速度为
Figure FDA0002992978140000033
ΔH为芯辊的总进给量，且有
Figure FDA0002992978140000034
其中，D1为成形后的异形环坯外径，Df为目标环形外径，dfi-min为目标环件最厚壁厚处的内台阶内径，di-min为成形的异形环坯最厚壁厚处内台阶内径；
vmax为芯辊最大进给速度，vmin为芯辊最小进给速度，且有
vmax为芯辊最大进给速度，vmin为芯辊最小进给速度，且有
Figure FDA0002992978140000035
Figure FDA0002992978140000036
其中，n1为驱动辊转速，r1为驱动辊半径，r2为芯辊最大凸台半径，β为接触摩擦角。
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