CN116099964A - 一种立式辗环机闭式环轧工装及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式辗环机闭式环轧工装及其设计方法，属于环轧技术领域，包括外径工装、芯轴和内径工装，所述外径工装设有一圈凹槽，即外径工装的两端分别含有一圈法兰边，内径工装套在芯轴外，初始环件套在内径工装外，芯轴放置在支承辊上端，内径工装、初始环件与上方外径工装的法兰边内侧对齐。本工装的设计能够进行立式环件终轧的高度控制，从而能够在环轧的时候对立式环件的直径和端面高度同时进行控制，避免端面会出现鱼尾形状的凹槽；同时本工装能够用于矩形和仿形环件，适用性广；并且由于本工装设计中对尺寸的控制，因此尤其适用于贵重材料的高温合金及钛合金，能够减少成本的消耗。

Description

一种立式辗环机闭式环轧工装及其设计方法

技术领域

本发明属于环轧技术领域，具体涉及一种立式辗环机闭式环轧工装及其设计方法。

背景技术

环件轧制是借助辗环机等设备使环件产生连续局部塑性变形，进而实现壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。

对于环形件通常我们采用辗环机进行环件轧制扩孔，辗环机分立式辗环机(环轧时环形件端面竖立)和卧式辗环机两种(环轧时环形件端面水平)。立式辗环机工装更换快，由于立式辗环机芯轴支承辊间距更短，其环轧效率比卧式效率更高，需要的芯轴直径更小，可以辗更小孔径的环件。

专利申请号GB2015003825公开了环轧工艺和相应的设备。提供环形工件,环形工件具有主轴、内径向表面、外径向表面、第一轴向表面和第二轴向表面。在径向辊咬合区域处,工件在作用于外径向表面上的成形辊150a与作用于内径向表面上的芯轴辊152a、152b之间经受径向压力。第一轴向辊154a和第二轴向辊156a分别设置在第一轴向表面和第二轴向表面上,以对工件施加轴向压力。第一和第二轴向辊154a、156a设置在角度位置处,围绕工件并且相对于主轴测量,在所述径向辊咬合区域的±10°内。在径向外表面或径向内表面周围设有多个圆周约束辊。为了控制工件的横截面形状,芯轴辊152a、152b和/或成型辊150a具有与工件接触的突出部分,该突出部分的轴向范围小于工件的轴向高度。工件、芯轴辊和/或成型辊可相对于工件轴向移动。

卧式辗环机最大的好处是可以加上两个锥辊，在环轧的时候对直径和端面高度同时进行辗压，保持同时保证内外径和高度尺寸的稳定和端面平整。

立式辗环机由于缺少两个锥辊，没有端轧功能，在径向直径环轧时轴向端面处于自由状态，在环轧过程中其高度尺寸会发生不同程度的增加，同时端面会产生鱼尾形状的凹槽，其高度尺寸只能通过压机或锻锤进行高度修正，但凹槽不能完全消去。另外在终轧结束时高度就不能进行压高或锻高，只能通过增加高度留量来保证机加工尺寸。

而由于立式辗环机工装更换快，且立式辗环机芯轴支承辊间距更短，其环轧效率比卧式效率更高，需要的芯轴直径更小，可以辗更小孔径的环件；因此有些工件的环轧需要立式辗环机进行环轧。但现有技术中不能够在环轧的时候对立式环件的直径和端面高度同时进行控制。

发明内容

鉴于现有技术中存在上述问题，本发明的目的是提供一种立式辗环机闭式环轧工装及其设计方法。

本发明提供了如下的技术方案：

一种立式辗环机闭式环轧工装，包括外径工装、芯轴和内径工装，所述外径工装设有一圈凹槽，即外径工装的两端分别含有一圈法兰边，内径工装套在芯轴外，初始环件套在内径工装外，芯轴放置在支承辊上端，内径工装、初始环件与上方外径工装的法兰边内侧对齐。

基于上述装置，本发明还提出了使用所述的一种立式辗环机闭式环轧工装的设计方法，包括

b1＝H1-B0≥10；

b2＝h1+B-H1≥5；

b3＝ID0-OD1>10；

L2＝L1+B*Tan(2°)；

L3公差上限值＝L2公差下限值；

1.5≤OD1-2*h1-OD≤2；

其中b1为在环轧开始时，内径工装进入外径工装的凹槽的深度；b2为在环轧结束时，芯轴与外径工装之间的间隙；b3为在上料时初始环件内径与内径工装外径之间的差值；

L1为外径工装凹槽底部轴向高度，即完成环件外径轴向高度；B为外径工装在成品环件完成时在凹槽内的深度，即完成环件壁厚；L2为外径工装凹槽离底高度B处的轴向高度，即完成环件内径轴向高度；H1为外径工装凹槽总深度；

OD1为内径工装外径；h1为内径工装壁厚；L3为内径工装轴向高度；

L0为初始环件高度；ID0为初始环件内径；B0初始环件壁厚；OD为芯轴直径。

具体的，针对于矩形环件，b1取12.5mm，b2取6.5mm，b3取15mm，将b1 b2 b3带入到上述公式中得出：

H1＝B0+b1＝B0+12.5；

h1＝H1-B+b2＝B0-B+6.5；

OD1＝ID0-b3＝ID0-15；

L2＝L1+B*Tan(2°)＝L1+0.0035*B；

L3公差下限值＝L2公差上限值；

OD＝OD1-2*h1-1.5＝ID0-15-2*(B0-B+6.5)-1.5＝IDO-2*B0+2*B-29.5。

具体的，针对于仿形环件，b1取12.5mm，b2取6.5mm，b3取15mm，将b1 b2 b3带入到上述公式中得出：

H1＝B0+H2+H3+b1＝B0+H2+H3+12.5；

h1＝H1-B+b2＝B0-B+6.5；

OD1＝ID0-b3＝ID0-15；

L2＝L1+B*Tan(2°)＝L1+0.0035*B；

L3公差下限值＝L2公差上限值；

OD＝OD1-2*h1-1.5＝ID0-15-2*(B0-B+6.5)-1.5＝IDO-2*B0+2*B-29.5；

其中H2为完成仿形环件的最小外径与端面外径的单边差值，H3为完成仿形环件的最大内径与端面内径的单边差值。

具体的，在设计时先假定初始环件尺寸，通过公式计算出OD值来验证，判断OD值是否能满足使用要求，如果OD过大，可以通过增加b3的值进行优化，如果OD偏小那么可能需要重新设计增加初始环件的ID0尺寸。

具体的，由于本锻件具体用于航空航天发动机环形件和风电轴承环形件，因此OD值需要满足使用要求为：

锻件材料为高温合金材料IN718时，锻件重量50kg，加热温度为1000℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足100mm-105mm；

锻件材料为Ti64时，锻件重量50kg，加热温度950℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足85mm-90mm；

锻件材料为17-4PH时，锻件重量100kg，加热温度1100℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足90mm-95mm。

本发明的有益效果是：

本工装的设计能够进行立式环件终轧的高度控制，从而能够在环轧的时候对立式环件的直径和端面高度同时进行控制，避免端面会出现鱼尾形状的凹槽；同时本工装能够用于矩形和仿形环件，适用性广；并且由于本工装设计中对尺寸的控制，因此尤其适用于贵重材料的高温合金及钛合金，能够减少成本的消耗。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中立式辗环机的作业示意图；

图2是现有技术中卧式辗环机的作业示意图；

图3是现有技术中鱼尾形状凹槽的结构示意图；

图4是锻件设计的冷尺寸设计示意图；

图5是锻件设计的端面斜度设计示意图；

图6是锻件设计的热尺寸设计示意图；

图7是锻件设计的圆角设计示意图；

图8是本发明的环件装载示意图；

图9是本发明的环轧开始示意图；

图10是本发明的环轧结束示意图；

图11是本发明实施例一中初始环件的示意图；

图12是本发明实施例一中完成环件的示意图；

图13是本发明中外径工装的结构示意图；

图14是本发明中内径工装的结构示意图；

图15是本发明实施例二的环轧开始示意图；

图16是本发明实施例二的环轧结束示意图；

图中标记为：1、立式主辊；2、立式环件；3、立式芯轴；4、卧式锥辊；5、卧式芯轴；6、卧式环件；7、卧式主辊；8、外径工装；9、芯轴；10、内径工装；11、初始环件；12、完成环件。

具体实施方式

环件轧制是借助辗环机使环件产生连续局部塑性变形，进而实现壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。现有技术中普遍分为立式辗环机和卧式辗环机。

如图1所示，图1为立式辗环机的作业示意图，其中环轧时立式环件2端面竖立，立式芯轴3穿过立式环件2，同时给予立式芯轴3压力，从而通过立式芯轴3将立式环件2紧贴立式主辊1，使得立式主辊1对立式环件2进行环轧。

如图2所示，图2为卧式辗环机的作业示意图，其中环轧时卧式环件6端面水平，卧式芯轴5穿过卧式环件6，同时给予卧式芯轴5压力，从而通过卧式芯轴5将卧式环件6紧贴卧式主辊7，使得卧式主辊7对卧式环件6进行环轧。

为了同时保证内外径和高度尺寸的稳定和端面平整，现有技术中对卧式辗环机进行了改进，加上两个卧式锥辊4，从而能够在环轧的时候对卧式环件6直径和端面高度同时进行辗压。

立式辗环机由于缺少两个锥辊，没有端轧功能，在径向直径环轧时轴向端面处于自由状态，在环轧过程中其高度尺寸会发生不同程度的增加，请重点参考图3，端面会产生鱼尾形状的凹槽，从而其高度尺寸只能通过压机或锻锤进行高度修正，但凹槽不能完全消去。

同时由于立式辗环机工装更换快，且立式辗环机芯轴支承辊间距更短，其环轧效率比卧式效率更高，需要的芯轴直径更小，可以辗更小孔径的环件；因此有些工件的环轧需要立式辗环机进行环轧。

本发明通过公开一种立式辗环机闭式环轧工装来实现环件立式辗环机的闭式终轧，从而保证环形件在终轧结束后环件高度尺寸不发生改变，端面保持平整，而其中贵金属的环轧尤其需要本工装的使用来减少成本的消耗，比如高温合金及钛合金材料。

请重点参考图4-7，在工装前需要先进行完成锻件设计，步骤如下：

1.请重点参考图4，先设计锻件冷尺寸，根据成品零件图设计锻件冷尺寸。

2.请重点参考图5，设计端面斜度设计，若斜度度数太小，易影响到锻件脱模，导致锻件无法进行脱模；若斜度度数太大，在后续环轧时，易浪费成本，因此选取斜度在2°-4°之间；推荐单边斜度为2°，目的是利于产品环轧结束的脱模，同时消去或减少环轧中端面材料流动在内倒角产生的飞边。

3.请重点参考图6，设计锻件热尺寸，按热胀率数据倍率(同时考虑工装在工作温度下的热胀率)进行整体放大，需要按热环件尺寸设计工装。

4.请重点参考图7，外径端面倒圆角，工艺圆角同时利于填充及改善工装局部受力及消去应力集中；否则若外径端面为尖角，会产生应力集中，导致端面开裂。

如图8-10所示，本发明提供一种立式辗环机闭式环轧工装，包括外径工装8、芯轴9和内径工装10，所述外径工装8设有一圈凹槽，即外径工装8的两端分别含有一圈法兰边，内径工装10套在芯轴9外，初始环件11套在内径工装10外，芯轴9放置在支承辊上端，内径工装10、初始环件11与上方外径工装8的法兰边内侧对齐。

本工装作业的工艺过程为：

内径工装10套在芯轴9外径上，将加热好的初始环件11从加热炉中取出并套在内径工装10外径上，芯轴9放置支承辊上端，并保持内径工装10、初始环件11与上方外径工装8的法兰边内侧对齐，程序运行启动，支承辊上升并带动芯轴9、内径工装10及初始环件11向上运动到并进入外径工装8凹槽内，如图9所示环轧开始状态，随后芯轴9、内径工装10继续按程序上行对初始环件11径向辗压，初始环件11在主轴带动下旋转并壁厚逐渐变薄，环件直径增加，直至环件外径达到完成环件12热尺寸后，环轧结束如图10所示。

外径工装8和内径工装10就是闭式内外工装部分，其工艺过程有三个关联控制尺寸b1 b2 b3；其中b1为在环轧开始时，内径工装10进入外径工装8的凹槽的深度；b2为在环轧结束时，芯轴9与外径工装8之间的间隙；b3为在上料时初始环件11内径与内径工装10外径之间的差值。

具体的，b1是在环轧开始时，内径工装10进入外径工装8的凹槽的深度，从而保证内径工装10和初始环件11在环轧开始时完全定位在外径工装8的凹槽内，b1需要大于等于10mm；优先的，b1＝12.5mm。

具体的，b2是在环轧结束时，芯轴9与外径工装8之间的间隙。间隙同时保证了芯轴9在产生一定的弯曲时不能挤压到外径工装8，b2需要大于等于5mm；优先的，推荐b2＝6.5mm。

b3是在上料时初始环件11内径与内径工装10外径之间的差值，它是保证初始环件11能够顺利套在内径工装10外径上，b3需要大于10mm；优先的，综合考虑环件尺寸及圆度偏差，推荐b3＝15mm。

实施例一

实施例一中公开的是一种根据上述的立式辗环机闭式环轧工装的适用于矩形环件的设计方法。

请重点参考图11-14，根据上述尺寸要求，工装尺寸设计的具体公式如下：

b1＝H1-B0≥10；

b2＝h1+B-H1≥5；

b3＝ID0-OD1>10；

L2＝L1+B*Tan(2°)；

L3公差上限值＝L2公差下限值，从而保证L3在外径工装8移动过程不发生卡紧现象，同时保证内径工装10与外径工装8轴向间隙最小化，避免环件环轧过程内倒角出现飞边；

1.5≤OD1-2*h1-OD≤2，从而方便芯轴9套入内径工装10；

其中L1为外径工装8凹槽底部轴向高度，即完成环件12外径轴向高度；B为外径工装8在成品环件完成时在凹槽内的深度，即完成环件12壁厚；L2为外径工装8凹槽离底高度B处的轴向高度，即完成环件12内径轴向高度；H1为外径工装8凹槽总深度。

OD1为内径工装10外径；h1为内径工装10壁厚；L3为内径工装10轴向高度。

L0为初始环件11高度；ID0为初始环件11内径；B0初始环件11壁厚；OD为芯轴直径。

优先的，b1取12.5mm，b2取6.5mm，b3取15mm，将b1 b2 b3带入到上述公式中得出：

H1＝B0+b1＝B0+12.5；

h1＝H1-B+b2＝B0-B+6.5；

OD1＝ID0-b3＝ID0-15；

L2＝L1+B*Tan(2°)＝L1+0.0035*B；

L3公差下限值＝L2公差上限值；

OD＝OD1-2*h1-1.5＝ID0-15-2*(B0-B+6.5)-1.5＝IDO-2*B0+2*B-29.5；

我们在设计时先假定初始环件(11)尺寸，通过公式计算出OD值来验证，判断OD值是否能满足使用要求，如果OD过大，可以通过增加b3的值进行优化，如果OD偏小那么可能需要重新设计增加初始环件(11)的ID0尺寸；

由于本锻件具体用于航空航天发动机环形件和风电轴承环形件，因此OD值需要满足使用要求为：

材料为高温合金材料IN718时，锻件重量50kg，加热温度为1000℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足100mm-105mm；

材料为Ti64时，锻件重量50kg，加热温度950℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足85mm-90mm；

材料为17-4PH时，锻件重量100kg，加热温度1100℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足90mm-95mm。

实施例二

实施例二中公开的是一种根据上述的立式辗环机闭式环轧工装的适用于仿形环件的设计方法，与实施例一除H1不同外，其它设计公式均相同。

请重点参考图15-16，H1＝B0+H2+H3+b1＝B0+H2+H3+12.5；其中H2为完成仿形环件的最小外径与端面外径的单边差值，H3为完成仿形环件的最大内径与端面内径的单边差值。

其实矩形环件工装设计公式中的H1相当于彷形环H1公式中H2＝0及H3＝0的特殊形式。

本工装的设计能够进行立式环件终轧的高度控制，从而能够在环轧的时候对立式环件的直径和端面高度同时进行控制，避免端面会出现鱼尾形状的凹槽；同时本工装能够用于矩形和仿形环件，适用性广；并且由于本工装设计中对尺寸的控制，因此尤其适用于贵重材料的高温合金及钛合金，能够减少成本的消耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种立式辗环机闭式环轧工装，其特征在于，包括外径工装(8)、芯轴(9)和内径工装(10)，所述外径工装(8)设有一圈凹槽，即外径工装(8)的两端分别含有一圈法兰边，内径工装(10)套在芯轴(9)外，初始环件(11)套在内径工装(10)外，芯轴(9)放置在支承辊上端，内径工装(10)、初始环件(11)与上方外径工装(8)的法兰边内侧对齐。

2.一种如权利要求1所述的一种立式辗环机闭式环轧工装的设计方法，其特征在于，包括

b1＝H1-B0≥10；

b2＝h1+B-H1≥5；

b3＝ID0-OD1>10；

L2＝L1+B*Tan(2°)；

L3公差上限值＝L2公差下限值；

1.5≤OD1-2*h1-OD≤2；

其中b1为在环轧开始时，内径工装(10)进入外径工装(8)的凹槽的深度；b2为在环轧结束时，芯轴(9)与外径工装(8)之间的间隙；b3为在上料时初始环件(11)内径与内径工装(10)外径之间的差值；

L1为外径工装(8)凹槽底部轴向高度，即完成环件(12)外径轴向高度；B为外径工装(8)在成品环件完成时在凹槽内的深度，即完成环件(12)壁厚；L2为外径工装(8)凹槽离底高度B处的轴向高度，即完成环件(12)内径轴向高度；H1为外径工装(8)凹槽总深度；

OD1为内径工装(10)外径；h1为内径工装(10)壁厚；L3为内径工装(10)轴向高度；

L0为初始环件(11)高度；ID0为初始环件(11)内径；B0初始环件(11)壁厚；OD为芯轴直径。

3.根据权利要求2所述的一种立式辗环机闭式环轧工装的设计方法，其特征在于，针对于矩形环件，b1取12.5mm，b2取6.5mm，b3取15mm，将b1 b2b3带入到上述公式中得出：

H1＝B0+b1＝B0+12.5；

h1＝H1-B+b2＝B0-B+6.5；

OD1＝ID0-b3＝ID0-15；

L2＝L1+B*Tan(2°)＝L1+0.0035*B；

L3公差下限值＝L2公差上限值；

OD＝OD1-2*h1-1.5＝ID0-15-2*(B0-B+6.5)-1.5＝IDO-2*B0+2*B-29.5。

4.根据权利要求2所述的一种立式辗环机闭式环轧工装的设计方法，其特征在于，针对于仿形环件，b1取12.5mm，b2取6.5mm，b3取15mm，将b1 b2b3带入到上述公式中得出：

H1＝B0+H2+H3+b1＝B0+H2+H3+12.5；

h1＝H1-B+b2＝B0-B+6.5；

OD1＝ID0-b3＝ID0-15；

L2＝L1+B*Tan(2°)＝L1+0.0035*B；

L3公差下限值＝L2公差上限值；

OD＝OD1-2*h1-1.5＝ID0-15-2*(B0-B+6.5)-1.5＝IDO-2*B0+2*B-29.5；

其中H2为完成仿形环件的最小外径与端面外径的单边差值，H3为完成仿形环件的最大内径与端面内径的单边差值。

5.根据权利要求3或4所述的一种立式辗环机闭式环轧工装的设计方法，其特征在于，在设计时先假定初始环件(11)尺寸，通过公式计算出OD值来验证，判断OD值是否能满足使用要求，如果OD过大，可以通过增加b3的值进行优化，如果OD偏小那么可能需要重新设计增加初始环件(11)的ID0尺寸。

6.根据权利要求5所述的一种立式辗环机闭式环轧工装的设计方法，其特征在于，由于本锻件具体用于航空航天发动机环形件和风电轴承环形件，因此OD值需要满足使用要求为：

锻件材料为高温合金材料IN718时，锻件重量50kg，加热温度为1000℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足100mm-105mm；

锻件材料为Ti64时，锻件重量50kg，加热温度950℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足85mm-90mm；

锻件材料为17-4PH时，锻件重量100kg，加热温度1100℃，锻件高度200mm，芯轴直径选用需要满足90mm-95mm。

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