CN113305245B - 一种航空矩形环件反u型多段线芯辊的轧制进给曲线控制及校核方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线控制及校核方法，包括进给曲线规划、速度规划、时间占比规划、轧制时间计算、生成反U型多段线芯辊进给曲线、生成环件外径—时间曲线、环件外径长大速度—时间曲线、构建轧制参数体系步骤。本发明方法应用于航空材料矩形环轧制生产中，满足了实际轧制过程中初始轧制咬入阶段对轧制进给速度、航空材料环件主轧制阶段轧制速度、环件精轧阶段对椭圆度轧制生产的环件轧制速度的需求，轧制操作工人在手动轧制操作时也有了依据，从而提高了环件批量稳定轧制，甚至反U型多段线芯辊进给曲线可以满足环件自动轧制生产对轧制曲线的需要。
Description
技术领域
本发明属于航空环形锻件环轧成形技术领域，尤其涉及一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线控制及校核方法。
背景技术
航空环形锻件经常采用环轧工艺方法进行轧制生产，在环轧工艺设计过程中，主要对每火次轧制变形总量进行设计及控制，也即规定每火次坯料尺寸及轧制完成的尺寸，个别难成形航空材料环形锻件的轧制过程需要控制每火次轧制过程中的最大环件外径长大速率，但却没有对每火次轧制过程进行详细规定。
在航空环形锻件轧制实际生产过程中，轧制操作工人考虑环件坯料初始状态、以及环件轧制完成后的椭圆度等尺寸要求，手动控制每火次轧制过程的每个阶段适宜的轧制速度，从而确保环件初始轧制阶段顺利咬入，确保环件主轧制阶段的环件外径长大速度不能过大，确保环件整形阶段的环件椭圆度符合要求，但由于轧制工艺并未规定每火次轧制过程中各轧制阶段的详细规定，致使轧制操作工人只能凭借积累的轧制生产经验进行经验控制，导致批量轧制各件的轧制时长、轧制过程均存在极大波动，不利于航空环件轧制生产批量质量控制。
关于环件轧制有一些文献报道，例如：专利申请CN201911105667.7，公开了一种确保轧制过程具有较大壁厚差的大型环件稳定轧制的方法，包括以下步骤：1)制造大型环件的环坯，确保环坯初始外径、环坯初始内径和环坯初始壁厚；2)通过稳定成形的芯辊进给曲线控制芯辊进给速度，进一步控制环件长大速度，恒定的环件长大速度有利于环件轧制过程稳定性，从而稳定大型环件在轧制过程中的壁厚差。该发明的方法能避免大型环件轧制过程的不稳定，解决了现有技术中环件出现偏心和失稳的问题。但是该发明未考虑环件轧制生产实际情况以及航空材料轧制成形规律，设定的恒定环件长大速度不能用于环形锻件实际生产过程中环件轧制控制。
因此，需要研制出一种满足轧制生产实际情况的非恒定环件长大速度的轧制进给控制方法。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线控制及校核方法。本发明实现了对每火次轧制过程的详细规定，为轧制操作工人手动控制提供了依据，满足了实际轧制过程中各轧制阶段对轧制进给速度的不同需要。
为了能够达到上述所述目的，本发明采用以下技术方案：
一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线控制方法，包括以下步骤：
(1)每火次轧制芯辊进给曲线规划
按照航空环形锻件实际轧制生产要求，将每火次轧制的芯辊进给曲线按照图1规划成5段折线的反U型进给曲线，并依次划分为咬入阶段、增速阶段、主轧制阶段、降速阶段、整形阶段；
轧制前矩形环坯外径为D0、内径为d0，轧制后矩形环坯外径为D1、内径为d1，总轧制时间为T，芯辊径向进给速度为V，芯辊径向总位移为△H，各阶段的轧制时间分别为△t1、△t2、△t3、△t4、△t5，各轧制阶段的初始进给速度V1、V2、V3、V4、V5；
(2)每火次轧制过程各轧制阶段速度规划
根据航空材料环件轧制成形特性，各轧制阶段芯辊初始进给速度经验数据详见以下表1；
表1航空环件各轧制阶段芯辊初始进给速度经验数据
| 序号 | 各轧制阶段初始轧制速度 | 航空材料环件径向轧制参考速度 |
| 1 | V<sub>1</sub> | 0.3～0.5mm/s |
| 2 | V<sub>2</sub> | 0.4～0.7mm/s |
| 3 | V<sub>3</sub> | 0.4～0.9mm/s |
| 4 | V<sub>4</sub> | 0.2～0.6mm/s |
| 5 | V<sub>5</sub> | 0.1～0.3mm/s |
(3)每火次轧制过程各轧制阶段时间占比规划
根据航空环件坯料状态及环件轧制尺寸精度要求，各轧制阶段轧制时间占比经验数据见表2；
表2航空环件各轧制阶段轧制时间占比经验数据
(4)每火次轧制时长及各阶段轧制时间计算
芯辊径向总位移△H为：
芯辊径向总位移△H，即矩形环件壁厚减薄量，则
根据以上表1、表2，可知
V1＝0.3～0.5 ③
V2＝0.4～0.7 ④
V3＝0.4～0.9 ⑤
V4＝0.2～0.6 ⑥
V5＝0.1～0.3 ⑦
△t1＝(3％～8％)T ⑧
△t2＝(3％～5％)T ⑨
△t3＝(62％～76％)T ⑩
△t4＝(15％～20％)T 
△t5＝(3％～5％)T 
根据航空环件尺寸大小、环件坯料初始状况，分别对各轧制阶段初始芯辊进给速度及时间占比进行初选，并将式②～
代入式①，从而计算出T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5。
(5)生成反U型多段线芯辊进给曲线
根据计算出T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5以及选定的V1、V2、V3、V4、V5，则可生成该火次轧制的反U型多段线芯辊进给曲线。
(6)计算并生成环件外径—时间曲线
将轧制时间T均分为很小的时间间隔△t，并假设在△t时间间隔内：环件的壁厚均匀减薄、环件无椭圆、无展宽、不存在锻透等缺陷，则根据体积相等原则，可以计算出在t时刻矩形环件经过△t轧制时间后的环件外径D△t、内径d△t，即：
式
中，Dt为t时刻矩形环件外径，dt为t时刻矩形环件内径，Vt为△t轧制时间内芯辊平均径向进给速度。
通过式
可以计算得到任意时刻t的矩形环件外径Dt，则可生成该火次轧制过程中环件外径—时间曲线。
(7)计算环件外径长大速度—时间曲线
在△t时间间隔内，环件外径长度速度V△D，△t为：
V△D,△t＝(D△t—Dt)/△t 
根据式
及计算得到的Dt，就可计算出任意时刻的环件外径长大速度V△D，则可生成该火次轧制过程中环件外径长度速度—时间曲线，并根据航空材料环件轧制特性，对计算得到的V△D进行校验。
(8)构建轧制参数体系
根据生产经验，选定环件轧制生产的数控辗环机，选定主辊半径R1、芯辊半径R2、主辊转速n1。
进一步地，一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线校核方法，其特征在于，包括以下步骤：根据相关环件轧制理论资料，环件轧制初始时刻需满足咬入条件、锻透条件，则：
式
中，H0为矩形环坯初始壁厚，R0为矩形环坯初始外半径，r0为矩形环坯初始内半径，即
将式
以及选定的R1、R2、n1代入式
从而计算得到[V1]，确保V1≥[V1]，即确保环件能顺利实现咬入。
如果计算得到的V△D以及V1不满足咬入条件，则需要重复(4)～(8)过程，对轧制过程各轧制阶段的初始速度、时间占比进行重新选定，并重新计算T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5、D△t、d△t、V△D，并再次校核V△D以及V1。
进一步地，构建整个轧制体系，并对环件轧制初始时刻的咬入条件、锻透条件进行校核。
由于本发明采用了以上技术方案，具有以下有益效果：
本发明通过采用反U型多段线芯辊进给的轧制控制方法，应用于航空材料矩形环轧制生产中，对每火次轧制过程进行了详细规定，满足了实际轧制过程中初始轧制咬入阶段对轧制进给速度的要求，满足了航空材料环件主轧制阶段轧制速度的要求，满足了环件精轧阶段对椭圆度轧制生产的环件轧制速度的需求，轧制操作工人在手动轧制操作时也有了依据，从而提高了环件批量稳定轧制，甚至反U型多段线芯辊进给曲线可以满足环件自动轧制生产对轧制曲线的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本申请反U型多段线轧制芯辊进给曲线；
图2为本申请应用实例1生成反U型多段线芯辊进给曲线；
图3为本申请应用实例1计算并生成环件外径—时间曲线；
图4为本申请应用实例1计算环件外径长大速度—时间曲线。
附图中：△t1-咬入阶段、△t2-增速阶段、△t3-主轧制阶段、△t4-降速阶段、△t5-整形阶段。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线控制方法，包括以下步骤：
(1)每火次轧制芯辊进给曲线规划
按照航空环形锻件实际轧制生产要求，将每火次轧制的芯辊进给曲线按照图1规划成5段折线的反U型进给曲线，并依次划分为咬入阶段、增速阶段、主轧制阶段、降速阶段、整形阶段；
轧制前矩形环坯外径为D0、内径为d0，轧制后矩形环坯外径为D1、内径为d1，总轧制时间为T，芯辊径向进给速度为V，芯辊径向总位移为△H，各阶段的轧制时间分别为△t1、△t2、△t3、△t4、△t5，各轧制阶段的初始进给速度V1、V2、V3、V4、V5；
(2)每火次轧制过程各轧制阶段速度规划
根据航空材料环件轧制成形特性，各轧制阶段芯辊初始进给速度经验数据详见以下表1；
表1航空环件各轧制阶段芯辊初始进给速度经验数据
(3)每火次轧制过程各轧制阶段时间占比规划
根据航空环件坯料状态及环件轧制尺寸精度要求，各轧制阶段轧制时间占比经验数据见表2；
表2航空环件各轧制阶段轧制时间占比经验数据
(4)每火次轧制时长及各阶段轧制时间计算
芯辊径向总位移△H为：
芯辊径向总位移△H，即矩形环件壁厚减薄量，则
根据以上表1、表2，可知
V1＝0.3～0.5 ③
V2＝0.4～0.7 ④
V3＝0.4～0.9 ⑤
V4＝0.2～0.6 ⑥
V5＝0.1～0.3 ⑦
△t1＝(3％～8％)T ⑧
△t2＝(3％～5％)T ⑨
△t3＝(62％～76％)T ⑩
△t4＝(15％～20％)T 
△t5＝(3％～5％)T 
根据航空环件尺寸大小、环件坯料初始状况，分别对各轧制阶段初始芯辊进给速度及时间占比进行初选，并将式②～
代入式①，从而计算出T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5。
(5)生成反U型多段线芯辊进给曲线
根据计算出T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5以及选定的V1、V2、V3、V4、V5，则可生成该火次轧制的反U型多段线芯辊进给曲线。
(6)计算并生成环件外径—时间曲线
将轧制时间T均分为很小的时间间隔△t，并假设在△t时间间隔内：环件的壁厚均匀减薄、环件无椭圆、无展宽、完全锻透，则根据体积相等原则，可以计算出在t时刻矩形环件经过△t轧制时间后的环件外径D△t、内径d△t，即：
式
中，Dt为t时刻矩形环件外径，dt为t时刻矩形环件内径，Vt为△t轧制时间内芯辊平均径向进给速度。
通过式
可以计算得到任意时刻t的矩形环件外径Dt，则可生成该火次轧制过程中环件外径—时间曲线。
(7)计算环件外径长大速度—时间曲线
在△t时间间隔内，环件外径长度速度V△D，△t为：
V△D,△t＝(D△t—Dt)/△t 
根据式
及计算得到的Dt，就可计算出任意时刻的环件外径长大速度V△D，则可生成该火次轧制过程中环件外径长度速度—时间曲线，并根据航空材料环件轧制特性，对计算得到的V△D进行校验。
(8)构建轧制参数体系
构建整个轧制体系，并对环件轧制初始时刻的咬入条件、锻透条件进行校核。根据生产经验，选定环件轧制生产的数控辗环机，选定主辊半径R1、芯辊半径R2、主辊转速n1。
根据相关环件轧制理论资料，环件轧制初始时刻需满足咬入条件、锻透条件，则：
式
中，H0为矩形环坯初始壁厚，R0为矩形环坯初始外半径，r0为矩形环坯初始内半径，即
将式
以及选定的R1、R2、n1代入式
从而计算得到[V1]，确保V1≥[V1]，即确保环件能顺利实现咬入。
如果计算得到的V△D以及V1不满足咬入条件，则需要重复④～⑨过程，对轧制过程各轧制阶段的初始速度、时间占比进行重新选定，并重新计算T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5、D△t、d△t、V△D，并再次校核V△D以及V1。
应用实例1
某GH4169航空矩形环终轧芯辊进给曲线设计实例
(1)环件坯料尺寸、轧制尺寸及终轧工艺要求
环件坯料尺寸Φ400±10mm×Φ270±10mm×79±5mm(热态尺寸：Φ404±10mm×Φ273±10mm×80±5mm)；
环件终轧尺寸为Φ514±5mm×Φ418±5mm×79±3mm(热态尺寸：Φ521±5mm×Φ423±5mm×80±3mm)；
要求环件总轧制时间控制在60s以内，环件轧制过程中最大的环件长大速度不超过3.0mm/s，环件椭圆度不大于3mm；
(2)选定终轧过程各轧制阶段初始速度
选定终轧过程各轧制阶段初始速度如下表3所示。
表3
| 序号 | 各轧制阶段初始轧制速度 | 各轧制阶段初始速度 |
| 1 | V<sub>1</sub> | 0.30mm/s |
| 2 | V<sub>2</sub> | 0.40mm/s |
| 3 | V<sub>3</sub> | 0.50mm/s |
| 4 | V<sub>4</sub> | 0.25mm/s |
| 5 | V<sub>5</sub> | 0.10mm/s |
(3)选定终轧过程各轧制阶段时间占比
选定终轧过程各轧制阶段时间占比如下表4所示。
表4
(4)终轧过程各轧制阶段时间计算
终轧过程各轧制阶段时间计算如下表5所示。
表5
| 序号 | 各轧制阶段时间间隔 | 各阶段轧制时间占总轧制时长 |
| 1 | △t<sub>1</sub> | 4.06s |
| 2 | △t<sub>2</sub> | 1.74s |
| 3 | △t<sub>3</sub> | 37.68s |
| 4 | △t<sub>4</sub> | 11.59s |
| 5 | △t<sub>5</sub> | 2.90s |
终轧过程轧制总时长T＜60s，满足GH4169材料轧制特性要求；设置了足够的初轧阶段时间，有效预防了坯料尺寸轮廓差异对轧制过程的影响；设置了足够的整形阶段，满足了环件终轧后对椭圆度的控制要求。
生成反U型多段线芯辊进给曲线如图2所示，计算并生成环件外径—时间曲线如图3所示，计算环件外径长达速度—时间曲线如图4所示。
环件外径长大速度为2.33mm/s，小于3.0mm/s，满足了GH4169材料轧制特性对环件长大速度的要求。
(8)构建轧制体系
选定Φ1600mm数控辗环机，主辊半径R1为435mm、芯辊半径R2为100mm、主辊转速n1为1.0rad/s。
(9)对芯辊进给速度曲线进行校核
根据式
计算环件轧制初始时刻满足咬入条件、锻透的初始进给速度[V1]＝0.1mm/s，而当前设计的V1＝0.3mm/s＞[V1]。
结合环件外径长大速度的校核、环件轧制时长的校核及初始进给速度的校核，证明选定的芯辊进给速度曲线满足轧制成形要求、GH4169轧制特性及现场轧制生产的实际需要，这也在该件号实际生产中得到验证。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在没有背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同含义和范围内的所有变化囊括在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)每火次轧制芯辊进给曲线规划：按照航空环形锻件实际轧制生产要求，将每火次轧制的芯辊的反U型进给曲线，并依次划分为咬入阶段、增速阶段、主轧制阶段、降速阶段、整形阶段，轧制前矩形环坯外径为D0、内径为d0，轧制后矩形环坯外径为D1、内径为d1，总轧制时间为T，芯辊径向进给速度为V，芯辊径向总位移为△H，各阶段的轧制时间分别为△t1、△t2、△t3、△t4、△t5，各轧制阶段的初始进给速度V1、V2、V3、V4、V5；
(2)每火次轧制过程各轧制阶段速度规划：根据航空材料环件轧制成形特性控制初始轧制速度和环件径向轧制参考速度；
(3)每火次轧制过程各轧制阶段时间占比规划：根据航空环件坯料状态及环件轧制尺寸精度控制各轧制阶段的时间间隔和轧制时间占比；
(4)每火次轧制时长及各阶段轧制时间计算：芯辊径向总位移为△H，根据初始轧制速度和环件径向轧制参考速度、各轧制阶段的时间间隔和轧制时间占比，得到V1、V2、V3、V4、V5、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5，再根据航空环件尺寸大小、环件坯料初始状况，分别对各轧制阶段初始芯辊进给速度及时间占比进行初选，然后计算出T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5；
(5)生成反U型多段线芯辊进给曲线：根据计算出T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5以及选定的V1、V2、V3、V4、V5，则生成该火次轧制的反U型多段线芯辊进给曲线；
(6)计算并生成环件外径—时间曲线：将轧制时间T均分为很小的时间间隔△t，并假设在△t时间间隔内环件的壁厚均匀减薄、环件无椭圆、无展宽、完全锻透，根据体积相等原则，计算出在t时刻矩形环件经过△t轧制时间后的环件外径D△t、内径d△t，再通过外径D△t、内径d△t计算得到任意时刻t的矩形环件外径Dt，则生成该火次轧制过程中环件外径—时间曲线；
(7)计算环件外径长大速度—时间曲线：在△t时间间隔内，环件外径长大速度为V△D，△t，根据V△D，△t及计算得到的Dt，计算出任意时刻的环件外径长大速度V△D，则生成该火次轧制过程中环件外径长大速度—时间曲线，并根据航空材料环件轧制特性；
(8)构建轧制参数体系及校核：根据生产经验，选定环件轧制生产的数控辗环机，选定主辊半径R1、芯辊半径R2、主辊转速n1，构建整个轧制参数体系；对初始速度V1进行校核；
在步骤(1)，所述芯辊径向总位移△H为：
当芯辊径向总位移△H为矩形环件壁厚减薄量时，则
且已知，
V1＝0.3～0.5 ③
V2＝0.4～0.7 ④
V3＝0.4～0.9 ⑤
V4＝0.2～0.6 ⑥
V5＝0.1～0.3 ⑦
△t1＝(3％～8％)T ⑧
△t2＝(3％～5％)T ⑨
△t3＝(62％～76％)T ⑩
根据航空环件尺寸大小、环件坯料初始状况，分别对各轧制阶段初始芯辊进给速度及时间占比进行初选，并将式②～式
代入式①，从而计算出T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5。
2.根据权利要求1所述的一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线控制方法，其特征在于：在步骤(6)，所述航空矩形环件外径D△t、内径d△t分别为：
式
中，Dt为t时刻矩形环件外径，dt为t时刻矩形环件内径，Vt为△t轧制时间内芯辊平均径向进给速度。
3.根据权利要求1所述的一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线控制方法，其特征在于：在步骤(7)，所述环件外径长大速度为：
4.一种如权利要求1～3任一项所述的航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线校核方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据相关环件轧制理论资料，环件轧制初始时刻满足咬入条件、锻透条件，将式
以及选定的R1、R2、n1代入式
从而计算得到[V1]，且V1≥[V1]，使环件能顺利实现咬入；
如果计算得到的V△D以及V1不满足咬入条件，则重复(4)～(8)过程，重新选定轧制过程各轧制阶段的初始速度、时间占比，并重新计算T、△t1、△t2、△t3、△t4、△t5、D△t、d△t、V△D，并再次校核V△D以及V1。
5.根据权利要求4所述的一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线校核方法，其特征在于：
所述[V1]的计算方式为：
式
中，H0为矩形环坯初始壁厚，R0为矩形环坯初始外半径，r0为矩形环坯初始内半径，即
6.根据权利要求4所述的一种航空矩形环件反U型多段线芯辊的轧制进给曲线校核方法，其特征在于：构建整个轧制体系，并对环件轧制初始时刻的咬入条件、锻透条件进行校核。
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