CN113094824A - 大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法 - Google Patents

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CN113094824A CN202110321178.6A CN202110321178A CN113094824A CN 113094824 A CN113094824 A CN 113094824A CN 202110321178 A CN202110321178 A CN 202110321178A CN 113094824 A CN113094824 A CN 113094824A
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    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H1/00—Making articles shaped as bodies of revolution
    • B21H1/06—Making articles shaped as bodies of revolution rings of restricted axial length

Abstract

本发明公开了一种大型环件径‑轴向轧制协调变形设计方法，S1、根据设备径‑轴向力能关系和目标锻件径‑轴向尺寸关系，设计径‑轴向总变形比；S2、基于径‑轴向总变形比设计环坯尺寸，采用S型轧制曲线来控制环坯截面至目标锻件截面的尺寸演变过程，对轧制曲线求导从而得到轧制过程径‑轴向瞬时变形比；S3、基于环件轧制极限变形条件确定环件外径长大范围，分段设计环件外径长大速度曲线，再结合径‑轴向瞬时变形比确定轧制过程径向与轴向变形速度，实现大型环件径‑轴双向轧制协调变形。本方法可实现对轧辊运动的精确控制，使环件产生径‑轴向轧制协调变形，提升轧制过程的稳定性，所得目标锻件尺寸精度较高。

Description

大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法
技术领域
本发明属于轧制技术领域，具体涉及一种大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法。
背景技术
环件径-轴向轧制是一种生产大型无缝环件的主流制造方法，在轧制过程中，环件在由驱动辊与芯辊构成的径向孔型作用下壁厚减薄，在由上、下锥辊构成的轴向孔型作用下高度减小，最终在径向轧制变形和轴向轧制变形的共同作用下截面轮廓减小、直径扩大成形超大尺寸环件。
环件径-轴向轧制过程中，径向与轴向变形匹配关系直接影响环件截面轮廓形状，若匹配关系设计不合理易出现表面凹陷、夹皮等几何缺陷以及各向变形不协调造成的组织性能一致性差等问题，尤其是超大尺寸环件壁厚和高度相对较大，径向与轴向锻透性差，更易出现这类问题。
环件径-轴向轧制过程中，径向与轴向轧制变形关系直接由径向进给速度和轴向进给速度决定，目前关于轧制过程进给速度的调控主要凭借经验，如何进行径向变形与轴向变形的合理匹配是一个亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法，本方法可实现对轧辊运动的精确控制，使环件产生径-轴向轧制协调变形，提升轧制过程的稳定性，所得目标锻件尺寸精度较高。
本发明所采用的技术方案是：
一种大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法，包括步骤：S1、根据设备径-轴向力能关系和目标锻件径-轴向尺寸关系，设计径-轴向总变形比；S2、基于径-轴向总变形比设计环坯尺寸，采用S型轧制曲线来控制环坯截面至目标锻件截面的尺寸演变过程，对轧制曲线求导从而得到轧制过程径-轴向瞬时变形比；S3、基于环件轧制极限变形条件确定环件外径长大范围，分段设计环件外径长大速度曲线，再结合径-轴向瞬时变形比确定轧制过程径向与轴向变形速度，实现大型环件径-轴双向轧制协调变形。
在步骤S1中，以设备轴向力能与径向力能的比值为力能系数Kf，有
Figure RE-GDA0003098431140000011
以目标锻件高度与厚度的比值为形状系数Kg，有
Figure RE-GDA0003098431140000021
径-轴向总变形比K的计算式为
Figure RE-GDA0003098431140000022
其中，ΔH、ΔB分别为径向和轴向变形量，B0、Bf、H0、Hf分别为环坯高度、目标锻件高度、环坯厚度、目标锻件厚度，Fr、Fa分别为设备径向和轴向额定力能。
在步骤S2中，具体步骤为：
S2.1、环坯尺寸设计；
由径-轴向变形比K和轧制比结合体积不变原理求得环坯的高度B0、厚度H0和外半径R0分别为
Figure RE-GDA0003098431140000023
H0＝Hf+K(B0-Bf)
Figure RE-GDA0003098431140000024
其中，Bf、Hf分别为目标锻件的高度和厚度；
S2.2、轧制曲线设计；
轧制曲线采用S型曲线，设计式为
Figure RE-GDA0003098431140000025
其中，B1(H)为logistic函数的变式，
Figure RE-GDA0003098431140000026
分别为边界修正系数，计算式为
Figure RE-GDA0003098431140000027
其中，B、H分别为轧制过程中环件的高度和厚度，n和Kα为曲率系数，设轧制曲线依次分为Ⅲ段、Ⅱ段和I段，n决定了Ⅱ段的总体曲率，n>1且n越大Ⅱ段曲线越直，Kα决定了I段和Ⅲ段的曲率，I段曲率与Kα负相关，Ⅲ段曲率与Kα正相关；
S2.3、径-轴向瞬时变形比；
轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，因此径-轴向瞬时变形比为轧制曲线B(H)的导数B′(H)，即
Figure RE-GDA0003098431140000031
在步骤S3中，具体步骤为：S3.1、环件外径长大速度范围确定；
由体积不变原理和轧制曲线结合咬入与锻透条件可得环件长大速度VD范围为
Figure RE-GDA0003098431140000032
其中，R、R1分别为环件瞬时外半径和驱动辊工作半径，nr为驱动辊转速，Vi由下式给出
Figure RE-GDA0003098431140000033
其中，B0、H0、R0分别为环坯的高度、厚度和外半径，轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，径-轴向瞬时变形比为轧制曲线B(H)的导数B′(H)；
其中，Δhmin和Δhmax分别为满足锻透条件的最小瞬时每转进给量和满足咬入条件的最大瞬时每转进给量，计算式为
Figure RE-GDA0003098431140000034
其中，β为环件与轧辊之间的摩擦角，R2、r分别为芯辊工作半径和环件实时内半径；
S3.2、环件外径长大速度曲线设计；
设计环件长大速度包括两个加速阶段，两个主轧阶段，一个减速及整圆阶段，每个阶段结束时应使环件外径达到相应的尺寸Ri，计算式为
Ri＝R0+βi(Rf-R0)(i＝1,2,3,4,5)，
式中
Figure RE-GDA0003098431140000035
其中，β5对应的R5为进入减速及整圆阶段时的环件外半径，近似等于目标锻件外径，此时芯辊锥辊达到进给量；
第一主轧阶段环件外径长大速度V1、第二主轧阶段环件外径长大速度V2、结束进给时的长大速度V3以及整圆阶段的长大速度V4分别计算为
Figure RE-GDA0003098431140000041
其中，
Figure RE-GDA0003098431140000042
为R0～R2之间所对应的环件长大速度上限中的最小值和环件长大速度下限中的最大值，
Figure RE-GDA0003098431140000043
为R2～R4之间所对应的环件长大速度上限中的最小值和环件长大速度下限中的最大值，
Figure RE-GDA0003098431140000044
为R4～R5之间环件长大速度下限中的最大值；
S3.3、径-轴双向进给速度曲线设计；
由塑性变形体积不变原理求得环件长大速度驱动下芯辊径向进给速度Vf
Figure RE-GDA0003098431140000045
成立的必要条件为轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，即锥辊轴向进给速度Va与芯辊径向进给速度Vf严格按径-轴向瞬时变形比进行协调，即满足关系
Va＝VfB′(H)
即可计算得到轧制过程中芯辊径向进给速度Vf和锥辊轴向进给速度Va曲线。
本发明的有益效果是：
本方法综合考虑设备力能条件和目标锻件尺寸设计合理的径-轴向总变形比，由S型轧制曲线进一步得到了径-轴向瞬时变形比，最终获得芯辊、锥辊的协调进给速度曲线，可实现对轧辊运动的精确控制，使环件产生径-轴向轧制协调变形，提升轧制过程的稳定性，所得目标锻件尺寸精度较高。
附图说明
图1是本发明实例中的目标锻件截面图。
图2是本发明实例中的环坯截面图。
图3是本发明实例中轧制曲线示意图。
图4是本发明实例中环件外径长大速度范围示意图。
图5是本发明实例中环件外径长大速度设计示意图。
图6是本发明具体实例中径-轴向进给速度曲线设计效果图，(a)为芯辊径向进给速度曲线，(b)为锥辊轴向进给速度曲线。
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。
一种大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法，包括步骤：
S1、根据设备径-轴向力能关系和目标锻件径-轴向尺寸关系，设计径-轴向总变形比。
具体的，以设备轴向力能与径向力能的比值为力能系数Kf，有
Figure RE-GDA0003098431140000051
如图1所示，以目标锻件高度与厚度的比值为形状系数Kg，有
Figure RE-GDA0003098431140000052
径-轴向总变形比K的计算式为
Figure RE-GDA0003098431140000053
其中，ΔH、ΔB分别为径向和轴向变形量，B0、Bf、H0、Hf分别为环坯高度、目标锻件高度、环坯厚度、目标锻件厚度，Fr、Fa分别为设备径向和轴向额定力能。
S2、基于径-轴向总变形比设计环坯尺寸，采用S型轧制曲线来控制环坯截面至目标锻件截面的尺寸演变过程，对轧制曲线求导从而得到轧制过程径-轴向瞬时变形比。
具体步骤为：
S2.1、环坯尺寸设计；
如图2所示，由径-轴向变形比K和轧制比结合体积不变原理求得环坯的高度B0、厚度H0和外半径R0分别为
Figure RE-GDA0003098431140000054
H0＝Hf+K(B0-Bf)
Figure RE-GDA0003098431140000055
其中，Bf、Hf分别为目标锻件的高度和厚度；
S2.2、轧制曲线设计；
轧制曲线采用S型曲线，如图3所示，设计式为
B(H)＝(B1(H)-Bα1)Bα2+Bf
其中，B1(H)为logistic函数的变式，
Figure RE-GDA0003098431140000056
分别为边界修正系数，计算式为
Figure RE-GDA0003098431140000061
其中，B、H分别为轧制过程中环件的高度和厚度，n和Kα为曲率系数，设轧制曲线依次分为Ⅲ段、Ⅱ段和I段，n决定了Ⅱ段的总体曲率，n>1且n越大Ⅱ段曲线越直，Kα决定了I段和Ⅲ段的曲率，I段曲率与Kα负相关，Ⅲ段曲率与Kα正相关(特殊地，当Kα＝1 时，I和Ⅲ段曲率关于ΔH中心处对称)；
S2.3、径-轴向瞬时变形比；
轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，因此径-轴向瞬时变形比为轧制曲线B(H)的导数B′(H)，即
Figure RE-GDA0003098431140000062
S3、基于环件轧制极限变形条件确定环件外径长大范围，分段设计环件外径长大速度曲线，再结合径-轴向瞬时变形比确定轧制过程径向与轴向变形速度，实现大型环件径-轴双向轧制协调变形。
具体步骤为：S3.1、环件外径长大速度范围确定；
如图4所示，由体积不变原理和轧制曲线结合咬入与锻透条件可得环件长大速度VD范围为
Figure RE-GDA0003098431140000063
其中，R、R1分别为环件瞬时外半径和驱动辊工作半径，nr为驱动辊转速，Vi由下式给出
Figure RE-GDA0003098431140000064
其中，B0、H0、R0分别为环坯的高度、厚度和外半径，轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，径-轴向瞬时变形比为轧制曲线B(H)的导数B′(H)；
其中，Δhmin和Δhmax分别为满足锻透条件的最小瞬时每转进给量和满足咬入条件的最大瞬时每转进给量，计算式为
Figure RE-GDA0003098431140000071
其中，β为环件与轧辊之间的摩擦角，R2、r分别为芯辊工作半径和环件实时内半径；
S3.2、环件外径长大速度曲线设计；
如图5所示，设计环件长大速度包括两个加速阶段，两个主轧阶段，一个减速及整圆阶段，每个阶段结束时应使环件外径达到相应的尺寸Ri，计算式为
Ri＝R0+βi(Rf-R0)(i＝1,2,3,4,5)，
式中
Figure RE-GDA0003098431140000072
其中，β5对应的R5为进入减速及整圆阶段时的环件外半径，近似等于目标锻件外径，此时芯辊锥辊达到进给量；
第一主轧阶段环件外径长大速度V1、第二主轧阶段环件外径长大速度V2、结束进给时的长大速度V3以及整圆阶段的长大速度V4分别计算为
Figure RE-GDA0003098431140000073
其中，
Figure RE-GDA0003098431140000074
为R0～R2之间所对应的环件长大速度上限中的最小值和环件长大速度下限中的最大值，
Figure RE-GDA0003098431140000075
为R2～R4之间所对应的环件长大速度上限中的最小值和环件长大速度下限中的最大值，
Figure RE-GDA0003098431140000076
为R4～R5之间环件长大速度下限中的最大值；
S3.3、径-轴双向进给速度曲线设计；
由塑性变形体积不变原理求得环件长大速度驱动下芯辊径向进给速度Vf
Figure RE-GDA0003098431140000077
成立的必要条件为轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，即锥辊轴向进给速度Va与芯辊径向进给速度Vf严格按径-轴向瞬时变形比进行协调，即满足关系
Va＝VfB′(H)
即可计算得到轧制过程中芯辊径向进给速度Vf和锥辊轴向进给速度Va曲线。
实施例
目标锻件尺寸Hf＝286mm，Bf＝432mm，Rf＝5060mm，其径-轴双向轧制协调变形设计方法按下列步骤实现：
(1)径-轴向总变形比设计
设备径向力能与轴向力能之比为2：1，为了对环坯尺寸取整便于计算，确定径-轴向总变形比K确定为3.033，轧制比λ为2.396。
(2)径-轴向瞬时变形比设计
根据径-轴向总变形比和轧制比结合体积不变原理确定环坯尺寸R0＝2334.5mm，H0＝565mm，B0＝524mm。
按轧制曲线设计原则，结合设备力能和径-轴向轧制变形特点，式中n取1.035，Kα取 1.02，得到具体曲线如图3所示，其表达式为
Figure RE-GDA0003098431140000081
据此确定径-轴向瞬时变形比
Figure RE-GDA0003098431140000082
(3)径向与轴向变形速度设计
设计β1＝0.05，β2＝0.3，β3＝0.35，β4＝0.85，β5＝1，则R1＝2470.8mm， R2＝3152.2mm，R3＝3288.4mm，R4＝4651.2mm，R5≈5060mm。
如图3所示，图中上部曲线为瞬时最大环件长大速度，下部曲线为瞬时最小环件长大速度，
Figure RE-GDA0003098431140000083
为R0～R2之间所对应的环件长大速度上限中的最小值和环件长大速度下限中的最大值，
Figure RE-GDA0003098431140000084
为R2～R4之间所对应的环件长大速度上限中的最小值和环件长大速度下限中的最大值，
Figure RE-GDA0003098431140000085
为R4～R5之间环件长大速度下限中的最大值。
计算可得
Figure RE-GDA0003098431140000086
Figure RE-GDA0003098431140000087
图4为环件长大速度示意图。
取α1＝0.206，α2＝0.195，确定环件长大速度目标值V1＝10mm/s，V2＝15mm/s，V3＝5mm/s 根据环件长大速度与芯辊径向进给速度的关系，最得到芯辊径向进给速度为
Figure RE-GDA0003098431140000088
由径-轴向瞬时变形比关系得到锥辊进给速度为
Figure RE-GDA0003098431140000089
最终得到芯辊、锥辊进给速度曲线如图6所示。
本方法综合考虑设备力能条件和目标锻件尺寸设计合理的径-轴向总变形比，由S型轧制曲线进一步得到了径-轴向瞬时变形比，最终获得芯辊、锥辊的协调进给速度曲线，可实现对轧辊运动的精确控制，使环件产生径-轴向轧制协调变形，提升轧制过程的稳定性，所得目标锻件尺寸精度较高。
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 (4)

1.一种大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法，其特征在于：包括步骤，S1、根据设备径-轴向力能关系和目标锻件径-轴向尺寸关系，设计径-轴向总变形比；S2、基于径-轴向总变形比设计环坯尺寸，采用S型轧制曲线来控制环坯截面至目标锻件截面的尺寸演变过程，对轧制曲线求导从而得到轧制过程径-轴向瞬时变形比；S3、基于环件轧制极限变形条件确定环件外径长大范围，分段设计环件外径长大速度曲线，再结合径-轴向瞬时变形比确定轧制过程径向与轴向变形速度，实现大型环件径-轴双向轧制协调变形。
2.如权利要求1所述的大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法，其特征在于：在步骤S1中，以设备轴向力能与径向力能的比值为力能系数Kf，有
Figure FDA0002992972740000011
以目标锻件高度与厚度的比值为形状系数Kg，有
Figure FDA0002992972740000012
径-轴向总变形比K的计算式为
Figure FDA0002992972740000013
其中，ΔH、ΔB分别为径向和轴向变形量，B0、Bf、H0、Hf分别为环坯高度、目标锻件高度、环坯厚度、目标锻件厚度，Fr、Fa分别为设备径向和轴向额定力能。
3.如权利要求1所述的大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法，其特征在于：在步骤S2中，具体步骤为：
S2.1、环坯尺寸设计；
由径-轴向变形比K和轧制比结合体积不变原理求得环坯的高度B0、厚度H0和外半径R0分别为
Figure FDA0002992972740000014
H0＝Hf+K(B0-Bf)
Figure FDA0002992972740000015
其中，Bf、Hf分别为目标锻件的高度和厚度；
S2.2、轧制曲线设计；
轧制曲线采用S型曲线，设计式为
Figure FDA0002992972740000016
其中，B1(H)为logistic函数的变式，
Figure FDA0002992972740000021
分别为边界修正系数，计算式为
Figure FDA0002992972740000022
其中，B、H分别为轧制过程中环件的高度和厚度，n和Kα为曲率系数，设轧制曲线依次分为III段、II段和I段，n决定了II段的总体曲率，n＞1且n越大II段曲线越直，Kα决定了I段和III段的曲率，I段曲率与Kα负相关，III段曲率与Kα正相关；
S2.3、径-轴向瞬时变形比；
轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，因此径-轴向瞬时变形比为轧制曲线B(H)的导数B′(H)，即
Figure FDA0002992972740000023
4.如权利要求1所述的大型环件径-轴向轧制协调变形设计方法，其特征在于：在步骤S3中，具体步骤为：S3.1、环件外径长大速度范围确定；
由体积不变原理和轧制曲线结合咬入与锻透条件可得环件长大速度VD范围为
Figure FDA0002992972740000024
其中，R、R1分别为环件瞬时外半径和驱动辊工作半径，nr为驱动辊转速，Vi由下式给出
Figure FDA0002992972740000025
其中，B0、H0、R0分别为环坯的高度、厚度和外半径，轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，径-轴向瞬时变形比为轧制曲线B(H)的导数B′(H)；
其中，△hmin和△hmax分别为满足锻透条件的最小瞬时每转进给量和满足咬入条件的最大瞬时每转进给量，计算式为
Figure FDA0002992972740000031
其中，β为环件与轧辊之间的摩擦角，R2、r分别为芯辊工作半径和环件实时内半径；
S3.2、环件外径长大速度曲线设计；
设计环件长大速度包括两个加速阶段，两个主轧阶段，一个减速及整圆阶段，每个阶段结束时应使环件外径达到相应的尺寸Ri，计算式为
Ri＝R0+βi(Rf-R0)(i＝1，2，3，4，5)，
式中
Figure FDA0002992972740000032
其中，β5对应的R5为进入减速及整圆阶段时的环件外半径，近似等于目标锻件外径，此时芯辊锥辊达到进给量；
第一主轧阶段环件外径长大速度V1、第二主轧阶段环件外径长大速度V2、结束进给时的长大速度V3以及整圆阶段的长大速度V4分别计算为
Figure FDA0002992972740000033
其中，
Figure FDA0002992972740000034
为R0～R2之间所对应的环件长大速度上限中的最小值和环件长大速度下限中的最大值，
Figure FDA0002992972740000035
为R2～R4之间所对应的环件长大速度上限中的最小值和环件长大速度下限中的最大值，
Figure FDA0002992972740000036
为R4～R5之间环件长大速度下限中的最大值；
S3.3、径-轴双向进给速度曲线设计；
由塑性变形体积不变原理求得环件长大速度驱动下芯辊径向进给速度Vf
Figure FDA0002992972740000037
成立的必要条件为轧制过程中环件的高度B和厚度H时刻满足轧制曲线B(H)规定的关系，即锥辊轴向进给速度Va与芯辊径向进给速度Vf严格按径-轴向瞬时变形比进行协调，即满足关系
Va＝VfB′(H)
即可计算得到轧制过程中芯辊径向进给速度Vf和锥辊轴向进给速度Va曲线。
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Assignee: Zhangjiagang Zhonghuan Sea and Land High-end Equipment Co.,Ltd.

Assignor: WUHAN University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022420000045

Denomination of invention: Design method of coordinated deformation for radial axial rolling of large rings

Granted publication date: 20211207

License type: Common License

Record date: 20220525

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