CN102357531A - 一种厚壁深槽环件复合轧制成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚壁深槽环件复合轧制成形工艺，其特征在于它包括如下内容：(1)环件毛坯设计：基于体积不变原理，根据环件尺寸和轧制比，确定环件毛坯尺寸；(2)孔型设计：根据环件轧制变形条件和设备结构要求先设计主轧辊和芯辊工作面尺寸，再根据环件毛坯、环件和主轧辊尺寸，确定副轧辊工作面尺寸和位置；(3)成形参数设计：根据环件轧制变形条件和主轧辊尺寸依次设计主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间；(4)轧制成形。通过本发明，能够实现厚壁深槽环件复合轧制成形工艺合理设计，保障厚壁深槽环件正常稳定轧制成形，降低轧制废、次品率，以实现双联齿轮、双边法兰、双边支重轮轮体、高压球阀体等机械零件节能节材优质高效成形制造。

Description

一种厚壁深槽环件复合轧制成形工艺

技术领域

本发明涉及一种厚壁深槽环件复合轧制成形工艺。

背景技术

图1所示环件几何特征为厚壁(壁厚通常大于内孔半径)、小孔径、表面有深凹槽(槽深通常占壁厚四分之一以上)，称为厚壁深槽环件(本发明简称为环件)。工程常用的双联齿轮、双边法兰、双边支重轮体、高压球阀体等机械零件均属于此类环件。此类环件表面深槽难以通过模锻直接成形，通常是先采用模锻简单成形，再经切削加工到成品尺寸。这种加工工艺能耗高、材料利用率低，后续切削加工不仅消耗工时且切断了环件金属纤维流线，导致生产效率低、产品性能差。

环件复合轧制是通过连续回转塑性变形而成形厚壁深槽环件的一种塑性加工新方法，其原理如图2所示。图2中，主轧辊1同时作主动旋转运动和向下直线进给运动，芯辊2和右副轧辊4、左副轧辊5为空转辊，在环件带动下作被动旋转运动，整个变形过程可分为两个阶段：(a)～(b)为环件轧制阶段，主轧辊1、芯辊2、右副轧辊4与环件毛坯3构成普通环件轧制变形模式，环件毛坯在主轧辊1和芯辊2组成的孔型中产生连续局部塑性变形而减薄壁厚、扩大直径，右副轧辊4保证了环件变形过程的稳定性。(b)～(c)为三辊横轧阶段：当环件毛坯外径扩大至与左副轧辊5接触后，主轧辊1和右副轧辊4、左副轧辊5与环件毛坯3构成三辊横轧变形模式，主轧辊1与右副轧辊4、左副轧辊5对环件毛坯的三点旋转轧制限制了其直径扩大，迫使环件毛坯表面金属填充轧辊型腔，环件毛坯在主轧辊1和右副轧辊4、左副轧辊5构成的孔型中产生连续局部塑性变形而成形凹槽，当环件毛坯金属充满轧辊型腔时，凹槽完全成形，整个变形过程结束。环件复合轧制通过普通环件轧制变形与三辊横轧变形的结合，使环件同时获得精确的外径尺寸和表面深槽，突破了普通环件轧制方法只适用于截面形状简单的薄壁大孔环件成形的局限，并具有能耗低、材料利用率高、生产效率高、产品质量好等众多技术经济优点。然而，环件复合轧制成形是一个复杂的变形过程，工艺参数多，各参数对轧制变形影响不同且相互影响，轧制中容易产生各种轧制缺陷，形成废、次品。因此，合理的工艺参数设计对厚壁深槽环件正常稳定轧制成形至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚壁深槽环件复合轧制成形工艺，该工艺可保障轧制过程稳定进行和环件正常成形，可有效降低轧制成形环件废、次品率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种厚壁深槽环件复合轧制成形工艺，其特征在于它包括如下步骤：

(1)制坯：将棒料段从室温均匀加热到热变形温度，然后将热态的棒料段镦粗、冲孔、冲连皮，并去应力退火，制成轧制用环件毛坯；

环件毛坯形状设计为矩形截面，环件毛坯尺寸设计过程如下：

a)计算环件体积V

$V=\frac{\mathrm{\π}}{4}[(D_1^2-d^2)h_1+(D_g^2-d^2)h_g+(D_2^2-d^2)h_2]$

D₁、D_g、D₂、d分别为环件上台阶直径、凹槽直径、下台阶直径和内径，h₁、h_g、h₂分别为环件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度；

b)确定轧制比k

轧制比k为环件内径与环件毛坯内径之比，即k＝d/d₀，其中d₀为环件毛坯内径；轧制比反映了环件毛坯变形程度，轧制比越大，环件毛坯变形量越大；由于厚壁深槽环件壁厚大、内径小，若k越大，则环件毛坯壁厚越大、内径越小，轧制中环件毛坯截面不易被塑性穿透而产生均匀变形，而且穿入环件毛坯的芯辊直径越小、强度越低；因此，为了使环件毛坯能够产生均匀塑性变形，同时保证芯辊强度，防止其轧制断裂，k取1.2～1.5较合适；

c)确定环件毛坯高度h₀

采用闭式孔型轧制，取环件毛坯高度h₀与环件高度h相等，h＝h₁+h_g+h₂；

d)确定环件毛坯内径d₀和环件毛坯外径D₀

基于塑性变形体积不变原理，根据轧制比k和环件毛坯高度h₀，可确定环件毛坯内径d₀和外径D₀为

d₀＝d/k，

$D_0=\sqrt{\frac{(D_1^2-d^2)h_1+(D_g^2-d^2)h_g+(D_2^2-d^2)h_2}{h_1+h_g+h_2}+\frac{d^2}{k^2}};$

(2)轧制孔型设计

厚壁深槽环件复合轧制孔型包括轧制环件轧制阶段和三辊横轧阶段，轧制环件轧制阶段由主轧辊和芯辊构成的孔型，三辊横轧阶段由主轧辊和两个副轧辊构成的孔型；为了防止环件毛坯在轧制过程中因轴向金属流动产生端面凹陷，两阶段轧制孔型均设计为闭式孔型；主轧辊和两个副轧辊工作面型腔与环件截面形状相对应，芯辊工作面为圆柱面；轧辊尺寸设计如下：

a)主轧辊和芯辊工作面尺寸

主轧辊和芯辊尺寸设计应满足以下条件

①为了使环件毛坯在轧制中能够咬入由主轧辊和芯辊构成的孔型并被塑性穿透而产生连续轧制变形，则主轧辊和芯辊的最小工作面半径R_m2和R_i应满足下述公式，

$\frac{1}{R_{m2}}+\frac{1}{R_i}\≤\frac{17.5\mathrm{\β}}{H_0}$

式中，R_m2为主轧辊下型腔面半径(即主轧辊最小工作面半径)，R_i为芯辊工作面半径；β＝arctanμ为摩擦角，μ为摩擦系数，对于钢环件，μ通常取0.3～0.35，H₀＝(D₀-d₀)/2，H₀为环件毛坯壁厚；

②为了保证芯辊强度并能够顺利穿入环件毛坯，芯辊工作面直径一般设计为

R_i＝d₀/2-3～5mm；

③根据轧环机设备结构要求，主轧辊和芯辊的闭合中心距应在轧环机极限闭合中心距范围内；主轧辊和芯辊闭合时的最小型腔宽度(B_m2和B_i)不应超过环件的最大壁厚，通常定为

$R_{m2}+R_i+B_{m2}+B_i=\frac{L_{\max }+L_{\min }}{2},$ B_m2+B_i＝H₂-1～2mm；

式中，L_max和L_min为轧环机允许的最大和最小闭合中心距；B_m2为主轧辊下型腔宽度，B_i为芯辊型腔宽度；H₂＝(D₂-d)/2为环件最大壁厚；

根据①、②、③条件确定R_m2、R_i、R_m2、B_i后，根据几何关系可进一步确定主轧辊上型腔面半径R_m1、凸台面半径R_mg和上型腔宽度B_m1如下

R_m1＝R_m2+(D₂-D₁)/2，R_mg＝R_m2+(D₂-D_g)/2，B_m1＝B_m2-(D₂-D₁)/2

为了保证成形环件截面尺寸精度，根据环件上台阶高度h₁、凹槽高度h_g和下台阶高度h₂可确定主轧辊上型腔高度h_m1、凸台高度h_mg、下型腔高度h_m2以及芯辊型腔高度h_i为

h_m1＝h₁+0.3～0.5mm，h_mg＝h_g，h_m2＝h₂+0.3～0.5mm，h_i＝h_m1+h_mg+h_m2；

为了保证孔型对应，主轧辊上侧壁高度、下侧壁高度h_mu、h_md与芯辊上侧壁高度、下侧壁高度h_iu、h_id分别相同，其大小可根据设备具体安装尺寸确定；

b)副轧辊工作面尺寸和位置

两个副轧辊设计为一样；副轧辊工作面半径通常根据设备空间尺寸确定，以保证副轧辊方便安装且不与设备其他部件发生干涉，通常设计副轧辊凸台面半径为

R_pg≈1/3～1/5R_mg

R_pg确定后，根据几何关系可确定副轧辊下型腔面半径R_p2＝R_pg-(D₂-D_g)/2，副轧辊上型腔面半径R_p1＝R_pg-(D₁-D_g)/2；

为保证孔型对应，可确定

副轧辊上型腔宽度B_p1＝B_m1，副轧辊下型腔宽度B_p2＝B_m2，副轧辊上侧壁高度h_pu＝h_mu，副轧辊下侧壁高度h_pd＝h_md，副轧辊上型腔高度h_p1＝h_m1，副轧辊凸台高度h_pg＝h_mg，副轧辊下型腔高度h_p2＝h_m2；

当环件毛坯、主轧辊和副轧辊工作面尺寸确定后，通过几何关系作图，可确定左副轧辊、右副轧辊圆心位置，首先根据环件毛坯外径面、环件凹槽面(即成品的凹槽面)和主轧辊凸台面几何关系作图可确定轧制结束时主轧辊圆心位置O_m1和厚壁深槽环件圆心位置O_r1，O_m表示主轧辊初始圆心位置；右副轧辊4的凸台面整个轧制过程一直与环件接触，在轧制开始时与环件毛坯外径面接触，在轧制结束时与环件凹槽面接触，则以环件毛坯圆心位置O_r为圆心、环件毛坯外半径与右副轧辊凸台面半径之和R₀+R_pg为半径作圆；以O_r1为圆心、环件凹槽面半径与副轧辊凸台面半径之和R_g+R_pg为半径作圆，两圆交点即为右副轧辊圆心O_pr；左副轧辊5凸台面轧制结束时与环件凹槽面接触，确定左副轧辊圆心位置需先确定左副轧辊圆心和环件圆心连线与竖直线夹角θ；考虑到立式轧制环件自身重力，为了起到较好的支撑环件和成形作用，θ角可设计为45°～60°；θ角确定后，根据几何关系作图即可确定左副轧辊圆心位置O_pl。

(3)成形参数设计

成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度、轧制时间，设计如下：

a)主轧辊转速n_m

为了保证环件稳定轧制，主轧辊线速度V_m通常取1.1～1.3m/s；根据主轧辊工作面半径D_mg，可计算主轧辊转速为n_m＝V_m/2πR_mg；

b)主轧辊进给速度v

为了保证环件毛坯能够咬入由主轧辊和芯辊构成的孔型并被塑性穿透而产生连续轧制变形，主轧辊进给速度通常按下式设计

$v=0.1~0.2\frac{{\mathrm{\β}}^2{n}_m{R}_{\mathrm{mg}}^2}{30R_0{(1+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_i})}^2}(1+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_i}+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_0}-\frac{R_{\mathrm{mg}}}{r_0})$

其中，r₀＝d₀/2、R₀＝D₀/2分别为环件毛坯内半径、外半径；

c)轧制时间

轧制过程采用匀速进给，轧制时间T可确定为T＝Δh/v，其中Δh为轧制总进给量，根据几何关系可确定为

$\mathrm{\Δh}=H_0-\frac{D_g-d}{2};$

(4)环件轧制成形：按上述环件毛坯设计下料制坯，按上述轧制孔型设计加工主轧辊、芯辊、左副轧辊和右副轧辊，并将主轧辊、芯辊、左副轧辊和右副轧辊安装于轧制设备内，将加工好的环件毛坯放入轧制设备内，按上述轧制参数轧制成环件。

环件复合轧制成形是一种厚壁深槽环件回转塑性加工新方法，具有节能、节材、高效、优质等优点。可实现双联齿轮、双边法兰、双边支重轮轮体、高压球阀体等机械零件节能节材优质高效成形制造。

本发明的有益效果是：采用本发明厚壁深槽环件复合轧制工艺，可实现厚壁深槽环件复合轧制工艺参数合理设计，保障轧制过程稳定进行和环件正常成形，有效降低了轧制成形环件废、次品率。

附图说明

图1是厚壁深槽环件截面示意图；

图2是厚壁深槽环件复合轧制成形原理图；

1-主轧辊，2-芯辊，3-环件毛坯，4-右副轧辊(第一副轧辊)，5-左副轧辊(第二副轧辊)，6-成形环件；

图3是厚壁深槽环件复合轧制用环件毛坯截面示意图；

图4(a)是主轧辊的结构示意图；

图4(b)是芯辊的结构示意图；

图4(c)是副轧辊(右副轧辊、左副轧辊)的结构示意图；

图5是右副轧辊4、左副轧辊5位置确定示意图。

具体实施方式

一种厚壁深槽环件复合轧制成形工艺，它包括如下步骤：

(1)制坯：将棒料段从室温均匀加热到热变形温度，然后将热态的棒料段镦粗、冲孔、冲连皮，并去应力退火，制成轧制用环件毛坯；

环件毛坯形状设计为矩形截面，环件毛坯尺寸设计过程如下：

a)计算环件体积V

$V=\frac{\mathrm{\π}}{4}[(D_1^2-d^2)h_1+(D_g^2-d^2)h_g+(D_2^2-d^2)h_2]$

D₁、D_g、D₂、d分别为环件上台阶直径、凹槽直径、下台阶直径和内径，h₁、h_g、h₂分别为环件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度；

b)确定轧制比k

轧制比k为环件内径与环件毛坯内径之比，即k＝d/d₀，其中d₀为环件毛坯内径；轧制比反映了环件毛坯变形程度，轧制比越大，环件毛坯变形量越大；由于厚壁深槽环件壁厚大、内径小，若k越大，则环件毛坯壁厚越大、内径越小，轧制中环件毛坯截面不易被塑性穿透而产生均匀变形，而且穿入环件毛坯的芯辊直径越小、强度越低；因此，为了使环件毛坯能够产生均匀塑性变形，同时保证芯辊强度，防止其轧制断裂，k取1.2～1.5较合适；

c)确定环件毛坯高度h₀

采用闭式孔型轧制，取环件毛坯高度h₀与环件高度h相等，h＝h₁+h_g+h₂；

d)确定环件毛坯内径d₀和环件毛坯外径D₀

基于塑性变形体积不变原理，根据轧制比k和环件毛坯高度h₀，可确定环件毛坯内径d₀和外径D₀为

d₀＝d/k，

$D_0=\sqrt{\frac{(D_1^2-d^2)h_1+(D_g^2-d^2)h_g+(D_2^2-d^2)h_2}{h_1+h_g+h_2}+\frac{d^2}{k^2}};$

(2)轧制孔型设计

厚壁深槽环件复合轧制孔型包括轧制环件轧制阶段和三辊横轧阶段，轧制环件轧制阶段由主轧辊和芯辊构成的孔型，三辊横轧阶段由主轧辊和两个副轧辊构成的孔型；为了防止环件毛坯在轧制过程中因轴向金属流动产生端面凹陷，两阶段轧制孔型均设计为闭式孔型；主轧辊和两个副轧辊工作面型腔与环件截面形状相对应，芯辊工作面为圆柱面；轧辊尺寸设计如下：

a)主轧辊和芯辊工作面尺寸

主轧辊和芯辊尺寸设计应满足以下条件

①为了使环件毛坯在轧制中能够咬入由主轧辊和芯辊构成的孔型并被塑性穿透而产生连续轧制变形，则主轧辊和芯辊的最小工作面半径R_m2和R_i应满足下述公式，

$\frac{1}{R_{m2}}+\frac{1}{R_i}\≤\frac{17.5\mathrm{\β}}{H_0}$

式中，R_m2为主轧辊下型腔面半径(即主轧辊最小工作面半径)，R_i为芯辊工作面半径；β＝arctanμ为摩擦角，μ为摩擦系数，对于钢环件，μ通常取0.3～0.35，H₀＝(D₀-d₀)/2，H₀为环件毛坯壁厚；

②为了保证芯辊强度并能够顺利穿入环件毛坯，芯辊工作面直径一般设计为R_i＝d₀/2-3～5mm；

③根据轧环机设备结构要求，主轧辊和芯辊的闭合中心距应在轧环机极限闭合中心距范围内；主轧辊和芯辊闭合时的最小型腔宽度(B_m2和B_i)不应超过环件的最大壁厚，通常定为

$R_{m2}+R_i+B_{m2}+B_i=\frac{L_{\max }+L_{\min }}{2},$ B_m2+B_i＝H₂-1～2mm；

式中，L_max和L_min为轧环机允许的最大和最小闭合中心距；B_m2为主轧辊下型腔宽度，B_i为芯辊型腔宽度；H₂＝(D₂-d)/2为环件最大壁厚；

根据①、②、③条件确定R_m2、R_i、B_m2、B_i后，根据几何关系可进一步确定主轧辊上型腔面半径R_m1、凸台面半径R_mg和上型腔宽度B_m1如下

R_m1＝R_m2+(D₂-D₁)/2，R_mg＝R_m2+(D₂-D_g)/2，B_m1＝B_m2-(D₂-D₁)/2

为了保证成形环件截面尺寸精度，根据环件上台阶高度h₁、凹槽高度h_g和下台阶高度h₂可确定主轧辊上型腔高度h_m1、凸台高度h_mg、下型腔高度h_m2以及芯辊型腔高度h_i为

h_m1＝h₁+0.3～0.5mm，h_mg＝h_g，h_m2＝h₂+0.3～0.5mm，h_i＝h_m1+h_mg+h_m2；

为了保证孔型对应，主轧辊上侧壁高度、下侧壁高度h_mu、h_md与芯辊上侧壁高度、下侧壁高度h_iu、h_id分别相同，其大小可根据设备具体安装尺寸确定；

b)副轧辊工作面尺寸和位置

两个副轧辊设计为一样；副轧辊工作面半径通常根据设备空间尺寸确定，以保证副轧辊方便安装且不与设备其他部件发生干涉，通常设计副轧辊凸台面半径为

R_pg≈1/3～1/5R_mg

R_pg确定后，根据几何关系可确定副轧辊下型腔面半径R_p2＝R_pg-(D₂-D_g)/2，副轧辊上型腔面半径R_p1＝R_pg-(D₁-D_g)/2；

为保证孔型对应，可确定

副轧辊上型腔宽度B_p1＝B_m1，副轧辊下型腔宽度B_p2＝B_m2，副轧辊上侧壁高度h_pu＝h_mu，副轧辊下侧壁高度h_pd＝h_md，副轧辊上型腔高度h_p1＝h_m1，副轧辊凸台高度h_pg＝h_mg，副轧辊下型腔高度h_p2＝h_m2；

当环件毛坯、主轧辊和副轧辊工作面尺寸确定后，通过几何关系作图，可确定左副轧辊、右副轧辊圆心位置，首先根据环件毛坯外径面、环件凹槽面(即成品的凹槽面)和主轧辊凸台面几何关系作图可确定轧制结束时主轧辊圆心位置O_m1和厚壁深槽环件圆心位置O_r1，O_m表示主轧辊初始圆心位置；右副轧辊4的凸台面整个轧制过程一直与环件接触，在轧制开始时与环件毛坯外径面接触，在轧制结束时与环件凹槽面接触，则以环件毛坯圆心位置O_r为圆心、环件毛坯外半径与右副轧辊凸台面半径之和R₀+R_pg为半径作圆；以O_r1为圆心、环件凹槽面半径与副轧辊凸台面半径之和R_g+R_pg为半径作圆，两圆交点即为右副轧辊圆心O_pr；左副轧辊5凸台面轧制结束时与环件凹槽面接触，确定左副轧辊圆心位置需先确定左副轧辊圆心和环件圆心连线与竖直线夹角θ；考虑到立式轧制环件自身重力，为了起到较好的支撑环件和成形作用，θ角可设计为45°～60°；θ角确定后，根据几何关系作图即可确定左副轧辊圆心位置O_pl。

(3)成形参数设计

成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度、轧制时间，设计如下：

a)主轧辊转速n_m

为了保证环件稳定轧制，主轧辊线速度V_m通常取1.1～1.3m/s；根据主轧辊工作面半径D_mg，可计算主轧辊转速为n_m＝V_m/2πR_mg；

b)主轧辊进给速度v

为了保证环件毛坯能够咬入由主轧辊和芯辊构成的孔型并被塑性穿透而产生连续轧制变形，主轧辊进给速度通常按下式设计

$v=0.1~0.2\frac{{\mathrm{\β}}^2{n}_m{R}_{\mathrm{mg}}^2}{30R_0{(1+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_i})}^2}(1+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_i}+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_0}-\frac{R_{\mathrm{mg}}}{r_0})$

其中，r₀＝d₀/2、R₀＝D₀/2分别为环件毛坯内半径、外半径；

c)轧制时间

轧制过程采用匀速进给，轧制时间T可确定为T＝Δh/v，其中Δh为轧制总进给量，根据几何关系可确定为

$\mathrm{\Δh}=H_0-\frac{D_g-d}{2};$

(4)环件轧制成形：按上述环件毛坯设计下料制坯，按上述轧制孔型设计加工主轧辊、芯辊、左副轧辊和右副轧辊，并将主轧辊、芯辊、左副轧辊和右副轧辊安装于轧制设备内，将加工好的环件毛坯放入轧制设备内，按上述轧制参数轧制成环件。

具体实施例1：

以图1所示双联齿轮为具体实施例，要求轧制成形的环件上台阶直径D₁、凹槽直径D_g、下台阶直径D₂和内径d分别为248mm、258mm、218mm和112mm，环件上台阶高度h₁、凹槽高度h_g和下台阶高度h₂分别为11mm、28mm、11mm，其复合轧制成形工艺设计方法包括以下步骤：

(1)制坯

环件毛坯形状为图3所示矩形截面环件，根据环件毛坯尺寸设计方法，取轧制比k为1.3，设计轧制用环件毛坯外径D₀、内径d₀和高度h₀分别为222.86mm、86.15mm和50mm。按所设计环件毛坯尺寸，将棒料段(具体材料为GCr15钢)从室温均匀加热到高塑性、低抗力的热变形温度(1100～1200℃)，然后将热态的棒料段镦粗、冲孔、冲连皮，并去应力退火，制成轧制用环件毛坯；

(2)轧制孔型设计

a)主轧辊和芯辊工作面尺寸

根据主轧辊和芯辊尺寸设计原则和设计方法，设计主轧辊结构如图4(a)所示，主轧辊下型腔面半径R_m2、上型腔面半径R_m1和凸台面半径R_mg分别为152.5mm、157.5mm和172.5mm，主轧辊上、下型腔宽度B_m1和B_m2分别为21mm和26mm，主轧辊上型腔高度h_m1、凸台高度h_mg和下型腔高度h_m2分别为11.5mm、28mm和11.5mm；设计芯辊结构如图4(b)所示，芯辊工作面半径R_i为40mm、型腔宽度B_i为26mm、型腔高度h_i为51mm。

b)副轧辊工作面尺寸和位置

根据副轧辊工作面尺寸设计方法，设计副轧辊结构如图4(c)所示，副轧辊凸台面直径R_pg、上型腔面半径R_p1、下型腔面半径R_p2分别为55mm、40mm、35mm，上、下型腔宽度B_p1和B_p2分别为21mm和26mm，上型腔高度h_p1、凸台高度h_pg和下型腔高度h_p2分别为11.5mm、28mm和11.5mm。根据所确定上述尺寸，设计左副轧辊夹角θ为60°，通过图5所示几何关系作图即可确定左、右副轧辊圆心位置。

(3)成形参数设计

a)主轧辊转速n_m

主辊线速度V_m取1.3m/s，根据主轧辊转速设计公式确定主轧辊转速n_m为72r/min。

b)主轧辊进给速度v

根据主轧辊转速设计公式确定主轧辊进给速度为1mm/s。

c)轧制时间T

轧制总进给量Δh为15.35mm，根据轧制时间设计公式确定轧制时间T为15.35s。

(4)环件轧制成形：按上述环件毛坯设计下料制坯，按上述轧制孔型设计加工轧辊，并将轧辊安装于轧制设备内，将加工好的环件毛坯放入轧制设备内，按上述轧制参数轧制成图1所示双联齿轮。

按上述方法生产双联齿轮100件，合格率从之前95％可提高至99％。该轧制过程能稳定进行和环件正常成形。

双边法兰、双边支重轮轮体或高压球阀体等机械零件轧制成形工艺与上述实例相同，其效果也相同，在此不一一列举实施例。

本发明各工艺参数的上下限取值、以及其区间值，都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (1)

1.一种厚壁深槽环件复合轧制成形工艺，其特征在于它包括如下步骤：

(1)制坯：将棒料段从室温均匀加热到热变形温度，然后将热态的棒料段镦粗、冲孔、冲连皮，并去应力退火，制成轧制用环件毛坯；

环件毛坯形状设计为矩形截面，环件毛坯尺寸设计过程如下：

a)计算环件体积V

$V=\frac{\mathrm{\π}}{4}[(D_1^2-d^2)h_1+(D_g^2-d^2)h_g+(D_2^2-d^2)h_2]$

D₁、D_g、D₂、d分别为环件上台阶直径、凹槽直径、下台阶直径和内径，h₁、h_g、h₂分别为环件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度；

b)确定轧制比k

轧制比k为环件内径与环件毛坯内径之比，即k＝d/d₀，其中d₀为环件毛坯内径；k取1.2～1.5；

c)确定环件毛坯高度h₀

采用闭式孔型轧制，取环件毛坯高度h₀与环件高度h相等，h＝h₁+h_g+h₂；

d)确定环件毛坯内径d₀和环件毛坯外径D₀

基于塑性变形体积不变原理，根据轧制比k和环件毛坯高度h₀，确定环件毛坯内径d₀和外径D₀为

d₀＝d/k，

$D_0=\sqrt{\frac{(D_1^2-d^2)h_1+(D_g^2-d^2)h_g+(D_2^2-d^2)h_2}{h_1+h_g+h_2}+\frac{d^2}{k^2}};$

(2)轧制孔型设计

厚壁深槽环件复合轧制孔型包括轧制环件轧制阶段和三辊横轧阶段，轧制环件轧制阶段由主轧辊和芯辊构成的孔型，三辊横轧阶段由主轧辊和两个副轧辊构成的孔型；轧制环件轧制阶段和三辊横轧阶段轧制孔型均设计为闭式孔型；主轧辊和两个副轧辊工作面型腔与环件截面形状相对应，芯辊工作面为圆柱面；主轧辊和芯辊尺寸设计如下：

a)主轧辊和芯辊工作面尺寸

主轧辊和芯辊尺寸设计应满足以下条件

①主轧辊和芯辊的工作面半径R_m2和R_i应满足下述公式，

$\frac{1}{R_{m2}}+\frac{1}{R_i}\≤\frac{17.5\mathrm{\β}}{H_0}$

式中，R_m2为主轧辊下型腔面半径，R_i为芯辊工作面半径；β＝arctanμ为摩擦角，μ为摩擦系数，对于钢环件，μ通常取0.3～0.35，H₀＝(D₀-d₀)/2，H₀为环件毛坯壁厚；

②芯辊工作面直径设计为

R_i＝d₀/2-3～5mm；

③根据轧环机设备结构要求，主轧辊和芯辊的闭合中心距应在轧环机极限闭合中心距范围内；主轧辊和芯辊闭合时的最小型腔宽度不应超过环件的最大壁厚，通常定为

$R_{m2}+R_i+B_{m2}+B_i=\frac{L_{\max }+L_{\min }}{2},$ B_m2+B_i＝H₂-1～2mm；

式中，L_max和L_min为轧环机允许的最大和最小闭合中心距；B_m2为主轧辊下型腔宽度，B_i为芯辊型腔宽度；H₂＝(D₂-d)/2为环件最大壁厚；

根据①、②、③条件确定R_m2、R_i、B_m2、B_i后，根据几何关系进一步确定主轧辊上型腔面半径R_m1、凸台面半径R_mg和上型腔宽度B_m1如下

R_m1＝R_m2+(D₂-D₁)/2，R_mg＝R_m2+(D₂-D_g)/2，B_m1＝B_m2-(D₂-D₁)/2

根据环件上台阶高度h₁、凹槽高度h_g和下台阶高度h₂可确定主轧辊上型腔高度h_m1、凸台高度h_mg、下型腔高度h_m2以及芯辊型腔高度h_i为

h_m1＝h₁+0.3～0.5mm，h_mg＝hg，h_m2＝h₂+0.3～0.5mm，h_i＝h_m1+h_mg+h_m2；

主轧辊上侧壁高度、下侧壁高度h_mu、h_md与芯辊上侧壁高度、下侧壁高度h_iu、h_id分别相同；

b)副轧辊工作面尺寸和位置

两个副轧辊设计为一样；副轧辊工作面半径根据设备空间尺寸确定，以保证副轧辊方便安装且不与设备其他部件发生干涉，设计副轧辊凸台面半径为

R_pg≈1/3～1/5R_mg

R_pg确定后，根据几何关系可确定副轧辊下型腔面半径R_p2＝R_pg-(D₂-D_g)/2，副轧辊上型腔面半径R_p1＝R_pg-(D₁-D_g)/2；

副轧辊上型腔宽度B_p1＝B_m1，副轧辊下型腔宽度B_p2＝B_m2，副轧辊上侧壁高度h_pu＝h_mu，副轧辊下侧壁高度h_pd＝h_md，副轧辊上型腔高度h_p1＝h_m1，副轧辊凸台高度h_pg＝h_mg，副轧辊下型腔高度h_p2＝h_m2；

当环件毛坯、主轧辊和副轧辊工作面尺寸确定后，通过几何关系作图，可确定左副轧辊、右副轧辊圆心位置，首先根据环件毛坯外径面、环件凹槽面和主轧辊凸台面几何关系作图确定轧制结束时主轧辊圆心位置O_m1和厚壁深槽环件圆心位置O_r1，O_m表示主轧辊初始圆心位置；右副轧辊的凸台面整个轧制过程一直与环件接触，在轧制开始时与环件毛坯外径面接触，在轧制结束时与环件凹槽面接触，则以环件毛坯圆心位置O_r为圆心、环件毛坯外半径与右副轧辊凸台面半径之和R₀+R_pg为半径作圆；以O_r1为圆心、环件凹槽面半径与副轧辊凸台面半径之和R_g+R_pg为半径作圆，两圆交点即为右副轧辊圆心O_pr；左副轧辊5凸台面轧制结束时与环件凹槽面接触，确定左副轧辊圆心位置需先确定左副轧辊圆心和环件圆心连线与竖直线夹角θ；θ角为45°～60°；θ角确定后，根据几何关系作图，确定左副轧辊圆心位置O_pl；

(3)成形参数设计

成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度、轧制时间，设计如下：

a)主轧辊转速n_m

主轧辊线速度V_m取1.1～1.3m/s；根据主轧辊工作面半径D_mg，计算主轧辊转速为n_m＝V_m/2πR_mg；

b)主轧辊进给速度v

主轧辊进给速度按下式设计

$v=0.1~0.2\frac{{\mathrm{\β}}^2{n}_m{R}_{\mathrm{mg}}^2}{30R_0{(1+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_i})}^2}(1+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_i}+\frac{R_{\mathrm{mg}}}{R_0}-\frac{R_{\mathrm{mg}}}{r_0})$

其中，r₀＝d₀/2、R₀＝D₀/2分别为环件毛坯内半径、外半径；

c)轧制时间

轧制过程采用匀速进给，轧制时间T可确定为T＝Δh/v，其中Δh为轧制总进给量，根据几何关系可确定为

$\mathrm{\Δh}=H_0-\frac{D_g-d}{2};$

(4)环件轧制成形：按上述轧制孔型设计加工主轧辊、芯辊、左副轧辊和右副轧辊，并将主轧辊、芯辊、左副轧辊和右副轧辊安装于轧制设备内，将加工好的环件毛坯放入轧制设备内，按上述轧制参数轧制成环件。

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