CN115229441A - 一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及小型钛合金高筒环轧件的轧制成形技术领域，特别涉及一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法；包括：根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，对锻件坯料进行设计和算料；采用组合式模具进行冲孔制坯，得到冲孔后的环坯；在碾环成型之前，根据芯辊规格和材料性能，计算轧制过程中所需的轧制力，再进行碾环成型，得到锻件；验证芯辊在碾环成型过程中是否会折断；利用车床对环件进行去飞边处理。本发明采用组合式模具进行冲孔制坯，解决了高径比较大坯料冲孔困难的问题；并且在碾环成型过程中，解决了马架扩孔成型难的问题，不仅减小锻造火次以提高生产效率，还提高了成型精度，减小了锻件的各向异性。

Description

一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法

技术领域

本发明涉及小型钛合金高筒环轧件的轧制成形技术领域，特别涉及一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法。

背景技术

钛合金材料由于热强性较高、锻造时温度区间窄、对加热温度敏感且锻压时容易温升的特点，使得其热加工工艺有一定的局限性，特别是针对一些难变形截面的锻件，由于材料本身的局限性，加上变形方式的限制，选择合理的工艺及加工方法，尤为重要。

采用钛合金制造的航天航空航天等领域使用的高筒环轧件，如弹体壳体等，相较于传统弹体壳体采用的多节焊接方式，此类高筒环轧件采用一体成型方式，能很大程度上减少焊接带来的冶金缺陷，减少焊接口残余应力带来的影响，小型钛合金高筒环轧件相对于芯轴拔长或挤压方式成型的锻件，其各向异性差异小，在工程应用中，由于弹体所受到的应力场是复杂多变的，因此，材料本身各向异性小，会加强其稳定性。现有的小型钛合金高筒环轧件在制坯过程中，存在高径比较大坯料冲孔困难的问题；并且在扩孔成型过程中，存在马架扩孔成型难的问题。

为此，提出一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，该制造方法采用组合式模具进行冲孔制坯，解决了高径比较大坯料冲孔困难的问题；并且在碾环成型过程中，解决了马架扩孔成型难的问题，不仅减小锻造火次以提高生产效率，还提高了成型精度，减小了锻件的各向异性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，以解决上述技术中提出的现有的小型钛合金高筒环轧件在制坯过程中存在高径比较大坯料冲孔困难的问题以及在碾环成型过程中存在马架扩孔成型难的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，包括：

根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，对锻件坯料进行设计和算料；

采用组合式模具进行冲孔制坯，得到冲孔后的环坯，其中，组合式模具包括连接杆、冲头、限位块、定位块、外模、内模、限流块和漏盘，所述限流块套接于漏盘内部，且所述限流块的上端面与漏盘的上端面齐平，所述外模配合安装于漏盘的上端，所述内模设置于外模内部，且所述内模的下端面分别与限流块、漏盘相抵接，所述定位块配合安装于外模的上端，所述定位块的下端面分别与内模、外模相抵接，所述限位块套接于定位块内部，且所述限位块的上端面与定位块的上端面齐平，所述连接杆的下端与冲头通过间隙配合相连，所述冲头设置于限位块内部，且所述冲头与限位块之间适配设置，所述限位块、内模、限流块和漏盘围成与锻件坯料配合的制坯模腔；

对环坯进行端面塌角修整，再进行碾环成型，在碾环成型之前，根据芯辊规格和材料性能，计算轧制过程中所需的轧制力，其中，碾环成型时，先将环坯装进轧环机，环坯内孔与芯辊配合安装，在芯辊上安装挡板，使环坯套住芯辊且沿主辊和芯辊的中心距方向环坯与主辊的外周面之间、环坯的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触，上下挡板随环坯的上下两个端面限制环坯上下移动；

启动轧环机使其主辊旋转，在摩擦力的作用下，驱动环坯转动，且主辊设置于上下挡板之间，挡板限制住环坯上下移动幅度，芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起辗轧环坯，辗轧温度为950℃，芯辊进给速度为0.8mm/s，主辊转速为2rad/s，碾环成型时，芯辊径向移动压缩环坯内壁，主辊带动环坯转动使得环坯壁厚减小，内外径扩大，得到辗环成型后的锻件。

具体的，所述根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，对锻件坯料进行设计和算料包括：

根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，基于目标锻件单边预留5mm的原则，计算锻件锻态尺寸，根据锻件锻态尺寸，采用下述公式，反推出冲孔前的锻件坯料尺寸；

V＝(V_坯+V_冲)×Σ

其中，V为冲孔前的锻件坯料投料体积，V_坯为冲孔后锻件坯料体积，V_冲为冲孔芯料体积，Σ为形状及损耗系数。

具体的，所述内模包括两个半圆环状模具，两个所述半圆环状模具对称安装。

具体的，所述根据芯辊规格和材料性能，计算轧制过程中所需的轧制力包括：所述轧制力按下式进行设计计算：

F＝P×b×L

其中，F为环坯所受到的轧制力，P为平均单位压力，b为坯料高度，L为轧制时候，芯辊与环坯内径接触弧的长度，R₁为主辊半径，R₂为芯辊半径，R为轧制前环坯的外半径，r为轧制前环坯的内半径，△h为环坯每转动一周壁厚的减小量，K为剪切屈服强度，

σ_s为环坯的抗拉屈服强度，h₀为环坯轧制前壁厚，m为摩擦系数。

具体的，在计算轧制过程中所需的轧制力之后，还包括验证芯辊在碾环成型过程中是否会折断。

具体的，所述验证芯辊在碾环成型过程中是否会折断包括：

计算芯辊在工作时所能承受的抗剪应力，将抗剪应力与轧制力进行对比，判断芯辊在碾环成型过程是否会折断，其中，计算芯辊在工作时所能承受的抗剪应力按下式进行设计计算：

式中，F_剪为芯辊在工作时所能承受的抗剪应力，σ_s1为芯辊经过调质处理后的抗拉屈服强度，S为芯辊横截面面积。

具体的，在碾环成型之后，利用车床对环件进行去飞边处理。

本发明的有益效果为：

(1)本发明涉及的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，在冲孔加工前对锻件坯料进行设计和算料，通过合理的计算方法，可有效节约坯料，进一步控制生产制造成本；

(2)本发明涉及的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，在冲孔加工时，采用组合式模具进行冲孔制坯，不仅解决了高径比较大坯料冲孔困难的问题，还综合考虑了冲孔时拉料、冲孔冲歪、冲斜对坯料表面质量及尺寸的影响以及坯料脱模困难等因素的影响，保证了环坯的轴向流线，适用范围广；

(3)本发明涉及的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，在碾环成型过程中，解决了马架扩孔成型难的问题，不仅减小锻造火次以提高生产效率，还提高了成型精度，减小了锻件的各向异性，同时，碾环成型时又使环坯弦向能保持一定程度的流线，减小了碾环成型过程中单方向变形给钛合金材料带来的缺陷性，且使用碾环成型能减少加工余量，增加材料利用率。

附图说明

图1为本发明实施例组合式模具的结构示意图；

图2为本发明实施例半圆环状模具的结构示意图；

图3为本发明实施例内模的俯视图；

图4为本发明实施例组合式模具脱模时的示意图；

图5为本发明实施例利用有限元数值模拟冲孔加工过程的示意图；

图6为本发明实施例利用有限元数值模拟冲孔加工后的坯料尺寸图；

图7为本发明实施例碾环成型过程的装配示意图；

图8为本发明实施例利用有限元数值模拟碾环成型过程的示意图；

图9为本发明实施例利用有限元数值模拟碾环成型过程的轧制力曲线示意图；

图10为本发明实施例利用有限元数值模拟碾环成型后的锻件表面质量及成型尺寸图；

图11为本发明实施一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法的流程图。

附图标记：连接杆1、限位块2、冲头3、定位块4、外模5、内模6、锻件坯料7、限流块8、漏盘9、半圆环状模具10、压块11、坯环12、挡板13、主辊14、芯辊15。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考附图11，一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，包括：

S101、根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，对锻件坯料7进行设计和算料。

根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，基于目标锻件单边预留5mm的原则，计算锻件锻态尺寸，根据锻件锻态尺寸，采用下述公式，反推出冲孔前的锻件坯料尺寸；

V＝(V_坯+V_冲)×Σ

其中，V为冲孔前的锻件坯料投料体积，V_坯为冲孔后锻件坯料体积，V_冲为冲孔芯料体积，Σ为形状及损耗系数。

进一步的，在冲孔加工前对锻件坯料7进行设计和算料，通过合理的计算方法，可有效节约坯料，进一步控制生产制造成本。

本实施例中，选择尺寸为Φ206×Φ166×330mm的小型高筒环件作为成型的目标锻件，根据成型的目标锻件形面及轮廓尺寸，设计预成型及成型的工艺路线，其中，根据目标锻件单边预留5mm为原则，推出锻件锻态尺寸为Φ216×Φ156×340mm，根据锻件尺寸，利用公式V＝(V_坯+V_冲)×Σ，V＝M/ρ，其中，ρ为常用钛合金密度＝4.45g/cm³，即M＝(26.8+4)×1.08＝33.2kg，反推出冲孔前坯料尺寸为Φ165×345mm。

S102、采用组合式模具进行冲孔制坯，得到冲孔后的环坯。

组合式模具包括连接杆1、冲头3、限位块2、定位块4、外模5、内模6、限流块8和漏盘9，所述限流块8套接于漏盘9内部，且所述限流块8的上端面与漏盘9的上端面齐平，所述外模5配合安装于漏盘9的上端，所述内模6设置于外模5内部，且所述内模6的下端面分别与限流块8、漏盘9相抵接，所述定位块4配合安装于外模5的上端，所述定位块4的下端面分别与内模6、外模5相抵接，所述限位块2套接于定位块4内部，且所述限位块2的上端面与定位块4的上端面齐平，所述连接杆1的下端与冲头3通过间隙配合相连，所述冲头3设置于限位块2内部，且所述冲头3与限位块2之间适配设置，所述限位块2、内模6、限流块8和漏盘9围成与锻件坯料7配合的制坯模腔。

其中，冲孔加工时，综合考虑了冲孔时拉料、冲孔冲歪、冲斜对坯料表面质量及尺寸的影响以及坯料脱模困难等因素的影响，装配图参考附图1，为了使适用性更广，排除只在专业模锻设备进行的局限，该组合式模具不用与相应的模座相连也可进行，故选用最为常见的液压设备，液压设备选用2500T油压机，冲孔加工时，连接杆1的下端与冲头3通过间隙配合相连，限位块2限制了冲头3及连杆水平移动，避免冲头3工作时偏斜，导致冲孔后坯料壁厚均匀性差的问题，为便于冲孔后脱模，内模6采用两个半圆环状模具10组合(参考附图2和附图3)，两个半圆环状模具10对称安装组合，脱模时先拆取定位块4以上的模具、限流块8和漏盘9，按附图4所示置于平台上，压力设备轻压压块11，内模6与外模5之间存在斜度，内模6能轻易脱落，脱离外模5具束缚后，脱落后的内模6和环坯便能自由分离。

本实施例中，参考附图5，利用有限元数值模拟冲孔加工过程，冲孔加工过程中，中间部分芯料(冲孔芯料或落料)受冲头3及限流块8的剪切作用力，掉入漏盘9，得到冲孔后的坯环12。

S103、对环坯进行端面塌角修整，再进行碾环成型。

本实施例中，坯环12尺寸参考附图6，内外径尺寸基本满足轧制前坯环12所需尺寸，高度方向由于冲头3拉料，上端面存在一定塌角度，轧制前先机加修整端面塌角，然后再利用碾环设备进行碾环。

S104、在碾环成型之前，根据芯辊15规格和材料性能，计算轧制过程中所需的轧制力，再进行碾环成型，得到锻件。

根据芯辊15规格和材料性能，计算轧制过程中所需的轧制力包括：所述轧制力按下式进行设计计算：

F＝P×b×L

其中，F为环坯所受到的轧制力，P为平均单位压力，b为坯料高度，L为轧制时候，芯辊与环坯内径接触弧的长度，R₁为主辊半径，R₂为芯辊半径，R为轧制前环坯的外半径，r为轧制前环坯的内半径，△h为环坯每转动一周壁厚的减小量，K为剪切屈服强度，

σ_s为环坯的抗拉屈服强度，h₀为环坯轧制前壁厚，m为摩擦系数。

本实施例中，芯辊15采用热作模具钢5CrNiMo材料制成。

本实施例中，采用热作模具钢5CrNiMo材料制成的芯辊15，通过调质处理后，其σ_s1≥950Mpa，摩擦系数为干摩擦，设为0.7，选用直径为Φ70mm的芯辊15，直径为Φ800mm的主辊14，坯环12轧制前尺寸为Φ170×Φ80×340mm，钛合金材料在热轧时σ_s≤150Mpa，计算出所需轧制力为≤117T。

参考附图7，碾环成型时，先将环坯装进碾环机，环坯内孔与芯辊15配合安装，在芯辊15上安装挡板13，使环坯套住芯辊15且沿主辊14和芯辊15的中心距方向环坯与主辊14的外周面之间、环坯的内环面与芯辊15的外周面之间分别相切接触，上下挡板限制坯料上下两个端面，防止坯料出现掉落或者爬辊现象。

启动轧环机使其主辊14旋转，在摩擦力的作用下，驱动环坯转动，且主辊14设置于芯辊15与挡板13之间，同时由轧环机驱动上下挡板夹持住环坯转动，芯辊15沿径向朝主辊14方向作进给运动并与主辊14一起辗轧坯料，辗轧温度为950℃，芯辊15进给速度为0.8mm/s，主辊14转速为2rad/s，碾环成型时，芯辊15径向移动压缩环坯内壁，主辊14带动环坯转动使得环坯壁厚减小，内外径扩大，得到辗环成型后的锻件。

本实施例中，参考附图8，利用有限元数值模拟碾环成型过程，碾环成型时，轧制温度设950℃，芯辊15进给速度设为0.8mm/s，主辊14转速为2rad/s,摩擦系数为0.7，模拟完成后，调出轧制过程的轧制曲线如图9所示，曲线显示，轧制过程中的轧制力≤90T，小于保守计算的≤117T，即工艺参数设定有一定的富余，得到的碾环成型后锻件表面质量及尺寸参考附图10。

S105、验证芯辊15在碾环成型过程中是否会折断。

验证芯辊15在碾环成型过程中是否会折断包括：

计算芯辊15在工作时所能承受的抗剪应力，将抗剪应力与轧制力进行对比，判断芯辊15在碾环成型过程是否会折断，其中，计算芯辊在工作时所能承受的抗剪应力按下式进行设计计算：

式中，F_剪为芯辊在工作时所能承受的抗剪应力，σ_s1为芯辊经过调质处理后的屈服点，S为芯辊横截面面积。

本实施例中，采用热作模具钢5CrNiMo材料制成的芯辊15，直径为Φ70mm，在工作时所能承受的抗剪应力：

远大于环坯碾环成型过程中所需的轧制力，故碾环成型过程不会使芯辊15折断。

S106、利用车床对环件进行去飞边处理。

本实施例中，参考附图10，坯料两头存在3至5mm飞边，后续去飞边装置(该去飞边装置为现有技术，在此不再赘述)加可去除，坯料实际有效尺寸为Φ217×Φ154.8×338.7mm，粗加工尺寸的Φ206×Φ166×330mm，仍然有富余的加工余量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，其特征在于，包括：

根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，对锻件坯料进行设计和算料；

采用组合式模具进行冲孔制坯，得到冲孔后的环坯，其中，组合式模具包括连接杆、冲头、限位块、定位块、外模、内模、限流块和漏盘，所述限流块套接于漏盘内部，且所述限流块的上端面与漏盘的上端面齐平，所述外模配合安装于漏盘的上端，所述内模设置于外模内部，且所述内模的下端面分别与限流块、漏盘相抵接，所述定位块配合安装于外模的上端，所述定位块的下端面分别与内模、外模相抵接，所述限位块套接于定位块内部，且所述限位块的上端面与定位块的上端面齐平，所述连接杆的下端与冲头通过间隙配合相连，所述冲头设置于限位块内部，且所述冲头与限位块之间适配设置，所述限位块、内模、限流块和漏盘围成与锻件坯料配合的制坯模腔；

对环坯进行端面塌角修整，再进行碾环成型，在碾环成型之前，根据芯辊规格和材料性能，计算轧制过程中所需的轧制力，其中，碾环成型时，先将环坯装进轧环机，环坯内孔与芯辊配合安装，在芯辊上安装挡板，使环坯套住芯辊且沿主辊和芯辊的中心距方向环坯与主辊的外周面之间、环坯的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触，上下挡板随环坯的上下两个端面限制环坯上下移动；

启动轧环机使其主辊旋转，在摩擦力的作用下，驱动环坯转动，且主辊设置于上下挡板之间，挡板限制住环坯上下移动幅度，芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起辗轧环坯，辗轧温度为950℃，芯辊进给速度为0.8mm/s，主辊转速为2rad/s，碾环成型时，芯辊径向移动压缩环坯内壁，主辊带动环坯转动使得环坯壁厚减小，内外径扩大，得到辗环成型后的锻件。

2.根据权利要求1所述的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，其特征在于，所述根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，对锻件坯料进行设计和算料包括：

根据成型后目标锻件的锻件形面和轮廓尺寸，基于目标锻件单边预留5mm的原则，计算锻件锻态尺寸，根据锻件锻态尺寸，采用下述公式，反推出冲孔前的锻件坯料尺寸；

V＝(V_坯+V_冲)×Σ

其中，V为冲孔前的锻件坯料投料体积，V_坯为冲孔后锻件坯料体积，V_冲为冲孔芯料体积，Σ为形状及损耗系数。

3.根据权利要求1所述的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，其特征在于，所述内模包括两个半圆环状模具，两个所述半圆环状模具对称安装。

4.根据权利要求1所述的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，其特征在于，所述根据芯辊规格和材料性能，计算轧制过程中所需的轧制力包括：

所述轧制力按下式进行设计计算：

F＝P×b×L

其中，F为环坯所受到的轧制力，P为平均单位压力，b为坯料高度，L为轧制时候，芯辊与环坯内径接触弧的长度，R₁为主辊半径，R₂为芯辊半径，R为轧制前环坯的外半径，r为轧制前环坯的内半径，△h为环坯每转动一周壁厚的减小量，K为剪切屈服强度，

σ_s为环坯的抗拉屈服强度，h₀为环坯轧制前壁厚，m为摩擦系数。

5.根据权利要求4所述的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，其特征在于，在计算轧制过程中所需的轧制力之后，还包括验证芯辊在碾环成型过程中是否会折断。

6.根据权利要求5所述的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，其特征在于，所述验证芯辊在碾环成型过程中是否会折断包括：

计算芯辊在工作时所能承受的抗剪应力，将抗剪应力与轧制力进行对比，判断芯辊在碾环成型过程是否会折断，其中，计算芯辊在工作时所能承受的抗剪应力按下式进行设计计算：

式中，F_剪为芯辊在工作时所能承受的抗剪应力，σ_s1为芯辊经过调质处理后的抗拉屈服强度，S为芯辊横截面面积。

7.根据权利要求1所述的一种小型钛合金高筒环轧件的制造方法，其特征在于，在碾环成型之后，利用车床对环件进行去飞边处理。

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