CN102489638A - 一种大型内台阶环件径轴向轧制成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型内台阶环件径轴向轧制成形方法，包括如下步骤：(1)制坯：将棒料热锻、镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用环件毛坯；(2)轧制孔型设计：轧制孔型尺寸根据轧制线速度、设备参数、轧制变形条件、环件毛坯尺寸确定，轴向轧制孔型尺寸由轧制线速度、设备参数、环件毛坯和环件尺寸确定；(3)轧制成形：将制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制，轧制过程中实时控制上、下锥辊后退，使其底端始终保持与环件上、下端面外径处接触，轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段合理分配进给速度和进给量进行控制，当所测环件外径达到预定值时，轧制过程结束。本发明具有生产效率高、生产成本低、产品质量好的特点。

Description

一种大型内台阶环件径轴向轧制成形方法

技术领域

本发明涉及一种大型工件的机械加工方法，具体涉及一种大型内台阶环件径轴向轧制成形方法。

背景技术

直径超过1米且内表面带有较深台阶的大型内台阶环件，如工程机械回转支承环、燃气轮机护环、风塔法兰环等，在工程机械、船舶、风力发电、石化等领域有着广泛的应用。此类环件目前大多是采用先锻造制坯、再扩孔、然后切削加工内表面台阶的方法加工。通过机械切削加工台阶，加工工时消耗大、材料利用率低，而且切削加工切断了金属纤维流线，降低了环件机械性能，导致生产效率低，成本高，产品质量差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型内台阶环件径轴向轧制成形方法，该方法可有效减少后续切削加工内台阶的材料和工时消耗，并避免切削加工对金属纤维流线的破坏，提高生产效率和产品质量。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种大型内台阶环件径轴向轧制成形方法，通过连续回转塑性变形，借助于轴向轧制孔型实现环件内表面台阶直接轧制成形，其特征在于主要包括如下步骤：

(1)制坯：将棒料热锻、镦粗、冲孔、冲连皮，按设定尺寸制成轧制用环件毛坯；

(2)轧制孔型设计：轧制孔型尺寸根据轧制线速度、设备参数、轧制变形条件、环件毛坯尺寸确定，轴向轧制孔型尺寸由轧制线速度、设备参数、环件毛坯和环件尺寸确定；

(3)轧制成形：将制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制，轧制过程中实时控制上、下锥辊后退，使其底端始终保持与环件上、下端面外径处接触，轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段合理分配进给速度和进给量进行控制，当所测环件外径达到预定值时，轧制过程结束。

按上述技术方案，上述步骤具体为：

(1)制坯：确定环件毛坯尺寸；将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度，然后将热态料段在液压机上镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用环件毛坯；环件毛坯尺寸根据环件尺寸、轧制比、径向和轴向进给量比值确定；

(2)轧制孔型设计：包括径向轧制孔型和轴向轧制孔型设计；径向轧制孔型设计参数包括均为圆柱面的主轧辊和芯辊工作面，孔型设计尺寸根据轧制线速度、设备参数、轧制变形条件、环件毛坯尺寸确定；轴向轧制孔型设计参数包括一对上、下锥形轧辊的工作面，孔型设计尺寸由轧制线速度、设备参数、环件毛坯和环件尺寸确定；

(3)轧制成形：将制好的环件毛坯放上径轴向轧环机进行轧制；环件毛坯水平放置于主轧辊和芯辊之间对台阶孔进行成形；上锥辊对环件毛坯的水平上端面进行加工；下锥辊对环件毛坯的水平下端面进行加工；轧制过程中根据测量辊所测环件外径值实时控制上、下锥辊辊后退，使其底端始终保持与环件上、下端面外径处接触，轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段合理分配进给速度和进给量进行控制，当所测环件外径达到预定值时，轧制过程结束。

按上述技术方案，步骤(1)中环件毛坯尺寸按如下步骤确定：

1)计算环件体积

环件体积V按下式计算

$V=\mathrm{\π}[B_b(R^2-r_b^2)+B_s(R^2-r_s^2)]$

其中，B_b、B_s分别为环件大孔部分和小孔部分轴向高度；r_b、r_s分别为环件大孔和小孔半径；R为环件外径；

2)确定轧制比

轧制比λ为环件毛坯截面积A₀与成形后的环件截面积A之比，即

$\mathrm{\λ}=\frac{A_0}{A}=\frac{H_0{B}_0}{H_b{B}_b+H_s{B}_s}$

其中，H₀、B₀为环件毛坯壁厚和轴向高度，H_b、H_s为分别为环件大孔和小孔部分壁厚，B_b、B_s为分别为环件大孔和小孔部分轴向高度；对于非矩形截面环件轧制，若轧制比过小，则环件截面轮廓不容易充满；轧制比过大，轧制变形条件则不易满足，且环件毛坯容易因过大变形而产生组织损伤、裂纹等缺陷；对于大型内台阶环件径轴向轧制，λ值取为2～4较合适；

3)确定径向和轴向进给量比值

环件毛坯在径轴向轧制过程中，其径向壁厚和轴向高度均减小；对于本发明内台阶环件径轴向轧制中，环件毛坯壁厚与高度的减少量比值即径向与轴向进给量比值η对环件内台阶成形程度有重要影响；为保证环件内台阶能较好成形，η可按下式确定：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δb}}=\frac{H_0-H_s}{B_0-B_s}=\frac{B_b+B_s}{H_s}$

其中，Δh＝H₀-H_s、Δb＝B₀-B_s分别为径向和轴向进给量；

4)确定环件毛坯尺寸

根据塑性变形体积不变原理，确定环件毛坯尺寸为

$H_0=\frac{H_s^2-(B_b+B_s)B_s}{2H_s}+\sqrt{\frac{(B_b+B_s)\mathrm{\λ}}{H_s}+\frac{(H_s^2-{(B_b{B}_s+B_s^2)}^2}{{4H}_s^2}}$

$B_0=\frac{\mathrm{\λ}(H_b{B}_b+H_s{B}_s)}{H_0},$ $R_0=\frac{V}{2\mathrm{\π}{B}_0{H}_0}+\frac{H_0}{2},$ $r_0=\frac{V}{2\mathrm{\π}{B}_0{H}_0}-\frac{H_0}{2}.$

按上述技术方案，步骤(2)中轧制孔型按下述方法设计：

1)径向轧制孔型设计

径向轧制孔型由均为圆柱面的主轧辊和芯辊工作面组成；主轧辊工作面半径R_m可按如下公式确定：

$R_m=\frac{V_m\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\πn}}$

式中，V_m为主轧辊轧制线速度，为了保证环件稳定轧制成形，V_m通常取1.1～1.3m/s；n和γ分别为设备主电机转速和传动比；

为了保证环件毛坯在径向孔型产生连续轧制变形，主轧辊工作面半径R_m和芯辊工作面半径R_i应满足如下条件：

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

式中，β＝arctanμ为摩擦角，μ为摩擦系数；

此外，芯辊工作面半径R_i应保证芯辊能顺利穿入环件毛坯内孔进行轧制，通常有R_i≤r₀-10；根据上述条件可确定芯辊工作面半径取值范围为：

$\frac{H_0{R}_m}{17.5\mathrm{\β}{R}_m-H_0}\≤R_i\≤r_0-10$

主轧辊工作面轴向高度B_m和芯辊工作面轴向高度B_i等于环件毛坯轴向高度B₀；

2)轴向轧制孔型设计

轴向轧制孔型由一对上、下锥形轧辊组成；上锥辊结构为双层叠加锥形，对环件毛坯的水平上端面进行加工；下锥辊为单层锥形，对环件毛坯的水平下端面进行加工；

上锥辊工作面带有型槽用来成形环件内台阶，型槽尺寸可根据环件台阶尺寸确定为：

L₂＝H_b，L₃＝B_b

为了保证稳定轧制，上锥辊轧制线速度即上锥辊与环件外圆接触位置线速度，应与主轧辊轧制线速度相同；轧制过程中，上锥辊锥形底端始终保持与环件上端面外径处接触，以保证台阶成形尺寸，则有：

2πR_uc  n₁/γ₁＝V_m

式中，n₁和γ₁分别为上锥辊电机转速和传动比；

根据几何关系，可确定上锥辊工作面其余尺寸为：

$R_{\mathrm{uc}}=\frac{V_m{\mathrm{\γ}}_1}{{2\mathrm{\πn}}_1},$ $L_1=\frac{V_m{\mathrm{\γ}}_1}{{2\mathrm{\πn}}_1\sin (\mathrm{\θ}/2)}+L_3\mathrm{ctg}(\mathrm{\θ}/2)-L_2$

R_uc1＝L₁sin(θ/2)，R_uc2＝R_uc1-L₂sin(θ/2)

式中，θ为锥辊锥角，通常取35°；

下锥辊工作面不带型槽，其最大直径与上锥辊最大直径相同，以保证上、下锥辊线速度一致，则可确定其工作面尺寸为：

$R_{\mathrm{dc}}=R_{\mathrm{uc}},L=\frac{R_{\mathrm{uc}}}{\sin \mathrm{\θ}/2}.$

按上述技术方案，步骤(3)中轧制成形的过程中，各阶段进给速度与进给量控制参数可按如下方式确定：

径向进给速度：v_r1＝(0.5～0.8)v_rmin，v_r2＝(2～4)v_rmin，v_r3＝(0.3～0.5)v_rmin

径向进给量：ΔH₁＝0.05ΔH，ΔH₂＝0.85ΔH，ΔH₃＝0.1ΔH

轴向进给速度：v_a1＝(0.5～0.8)v_amin，v_a2＝(2～4)v_amin，v_a3＝(0.3～0.5)v_amin

轴向进给量：ΔB₁＝0.05ΔB，ΔB₂＝0.85ΔB，ΔB₃＝0.1ΔB

其中，

为使环件产生轧制变形所需要的最小径向进给速度；v_amin＝v_rmin/η，为使环件产生轧制变形所需要的最小轴向进给速度；

ΔH＝H₀-H_s、ΔB＝B₀-B_s分别为环件轧制径向和轴向总进给量。

本发明采用环件径轴向轧制成形方法轧制成形大型内台阶环件，通过合理设计环件毛坯、轧制孔型并控制轧制过程，实现由环件毛坯直接轧制成形大型内台阶环件，减少了后续机械加工内台阶的材料和工时消耗，改善了环件金属流线分布，提高了生产效率和产品质量。

附图说明：

下面结合附图和各实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的大型内台阶环件径轴向轧制成形示意图；

图1中，1-主轧辊，2-芯辊，3-导向棍，4-环件毛坯，5-上锥辊，6-下锥辊，7-测量辊

图2是本发明已成形的环件内壁截面图

图3是本发明的环件毛坯截面图

图4是本发明的径向轧制孔型主轧辊工作面结构图

图5是本发明的径向轧制孔型芯辊工作面结构图

图6是本发明的轴向轧制孔型上锥辊工作面结构图

图7是本发明的轴向轧制孔型下锥辊工作面结构图

图8是本发明的径向进给方向轧制进给量与进给速度控制曲线图

图9是本发明的轴向进给方向轧制进给量与进给速度控制曲线图。

具体实施方式：

根据本发明实时的成形方法如图1所示，采用径轴向轧环机成形如图2所示的大型内台阶环件。

图1中环件毛坯4水平放置于径轴向轧环机的主轧辊1和芯辊2之间，两侧导向棍3从前后方向对环件毛坯4进行导向；上锥辊5为双层叠加锥形，对环件毛坯4的水平上端面进行加工；下锥辊6为单层锥形，对环件毛坯4的水平下端面进行加工；测量辊7从环件毛坯4的右侧对其进行实时测量。

图2所示要成形的环件几何尺寸为：外半径R为2348mm，大孔半径r_b为2008mm，小孔半径r_s为1848mm，大孔轴向高度B_b为50mm，小孔轴向高度B_s为90mm。其径轴向轧制成形方法按如下步骤实现：

1)制坯：将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度，然后将热态料段在液压机上镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用环件毛坯4。

根据环件毛坯4尺寸设计方法，取轧制比λ为3，确定环件毛坯4尺寸为：外半径R₀为527.76mm，内半径r₀为178.88mm，轴向高度B₀为266.57mm。(图3所示)。

2)轧制孔型设计：根据轧制孔型设计方法，取轧制线速度V_d为1.3m/s，按图4和5所示结构设计径向轧制孔型，主轧辊1工作面半径R_m为500mm，芯辊2工作面半径R_i为150mm，主轧辊1工作面轴向高度B_m和芯辊2工作面轴向高度B_i为266.57mm。然后按图6和7所示结构设计轴向轧制孔型，上锥辊5工作面尺寸参数为：L₁为520.69mm，L₂为170mm，L₃为50mm，R_uc1为156.57mm，R_uc2为105.45mm，R_uc为160mm；下锥辊6工作面尺寸参数为：R_dc为160mm，L为532.09mm。

3)轧制成形：将按上述尺寸制好的环件毛坯4放上轧环机进行轧制，调整上、下锥辊5和6水平位置，使各自锥形底端分别与环件毛坯上、下端面外径处接触。轧制过程中，根据测量辊7所测环件外径值实时控制上、下锥辊5和6后退，使各自锥形底端始终保持与环件上、下端面外径处接触。轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段进行控制。

轧制过程各阶段径向和轴向进给速度与进给量按图8和9所示曲线进行控制。预轧制阶段，径向和轴向进给速度v_r1、v_a1分别为0.82mm/s、1.46mm/s，径向和轴向进给量ΔH₁、ΔB₁分别为4.94mm、8.83mm；主轧制阶段，径向和轴向进给速度v_r2、v_a2分别为3.28mm/s、5.86mm/s，径向和轴向进给量ΔH₂、ΔB₂分别为84.05mm、150.08mm；整形轧制阶段，径向和轴向进给速度v_r3、v_a3分别为0.49mm/s、0.88mm/s，径向和轴向进给量ΔH₃、ΔB₃分别为9.88mm、17.66mm。当测量辊7所测环件外径达到预定值时，停止径向和轴向进给，轧制过程结束。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型内台阶环件径轴向轧制成形方法，通过连续回转塑性变形，借助于轴向轧制孔型实现环件内表面台阶直接轧制成形，其特征在于主要包括如下步骤：

(1)制坯：将棒料热锻、镦粗、冲孔、冲连皮，按设定尺寸制成轧制用环件毛坯；

(2)轧制孔型设计：轧制孔型尺寸根据轧制线速度、设备参数、轧制变形条件、环件毛坯尺寸确定，轴向轧制孔型尺寸由轧制线速度、设备参数、环件毛坯和环件尺寸确定；

(3)轧制成形：将制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制，轧制过程中实时控制上、下锥辊后退，使其底端始终保持与环件上、下端面外径处接触，轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段合理分配进给速度和进给量进行控制，当所测环件外径达到预定值时，轧制过程结束。

2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于各步骤具体为：

(1)制坯：确定环件毛坯尺寸；将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度，然后将热态料段在液压机上镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用环件毛坯；环件毛坯尺寸根据环件尺寸、轧制比、径向和轴向进给量比值确定；

(2)轧制孔型设计：包括径向轧制孔型和轴向轧制孔型设计；径向轧制孔型设计参数包括均为圆柱面的主轧辊和芯辊工作面，孔型设计尺寸根据轧制线速度、设备参数、轧制变形条件、环件毛坯尺寸确定；轴向轧制孔型设计参数包括一对上、下锥形轧辊的工作面，孔型设计尺寸由轧制线速度、设备参数、环件毛坯和环件尺寸确定；

(3)轧制成形：将制好的环件毛坯放上径轴向轧环机进行轧制；环件毛坯水平放置于主轧辊和芯辊之间对台阶孔进行成形；上锥辊对环件毛坯的水平上端面进行加工；下锥辊对环件毛坯的水平下端面进行加工；轧制过程中根据测量辊所测环件外径值实时控制上、下锥辊辊后退，使其底端始终保持与环件上、下端面外径处接触，轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段合理分配进给速度和进给量进行控制，当所测环件外径达到预定值时，轧制过程结束。

3.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于步骤(1)中环件毛坯尺寸按如下步骤确定：

1)计算环件体积

环件体积V按下式计算

$V=\mathrm{\π}[B_b(R^2-r_b^2)+B_s(R^2-r_s^2)]$

其中，B_b、B_s分别为环件大孔部分和小孔部分轴向高度；r_b、r_s分别为环件大孔和小孔半径；R为环件外径；

2)确定轧制比

轧制比λ为环件毛坯截面积A₀与成形后的环件截面积A之比，即

$\mathrm{\λ}=\frac{A_0}{A}=\frac{H_0{B}_0}{H_b{B}_b+H_s{B}_s}$

其中，H₀、B₀为环件毛坯壁厚和轴向高度，H_b、H_s为分别为环件大孔和小孔部分壁厚，B_b、B_s为分别为环件大孔和小孔部分轴向高度；对于非矩形截面环件轧制，若轧制比过小，则环件截面轮廓不容易充满；轧制比过大，轧制变形条件则不易满足，且环件毛坯容易因过大变形而产生组织损伤、裂纹等缺陷；对于大型内台阶环件径轴向轧制，λ值取为2～4较合适；

3)确定径向和轴向进给量比值

环件毛坯在径轴向轧制过程中，其径向壁厚和轴向高度均减小；对于本发明内台阶环件径轴向轧制中，环件毛坯壁厚与高度的减少量比值即径向与轴向进给量比值η对环件内台阶成形程度有重要影响；为保证环件内台阶能较好成形，η可按下式确定：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δb}}=\frac{H_0-H_s}{B_0-B_s}=\frac{B_b+B_s}{H_s}$

其中，Δh＝H₀-H_s、Δb＝B₀-B_s分别为径向和轴向进给量；

4)确定环件毛坯尺寸

根据塑性变形体积不变原理，确定环件毛坯尺寸为

$H_0=\frac{H_s^2-(B_b+B_s)B_s}{2H_s}+\sqrt{\frac{(B_b+B_s)\mathrm{\λ}}{H_s}+\frac{(H_s^2-{(B_b{B}_s+B_s^2)}^2}{{4H}_s^2}}$

$B_0=\frac{\mathrm{\λ}(H_b{B}_b+H_s{B}_s)}{H_0},$ $R_0=\frac{V}{2\mathrm{\π}{B}_0{H}_0}+\frac{H_0}{2},$ $r_0=\frac{V}{2\mathrm{\π}{B}_0{H}_0}-\frac{H_0}{2}.$

4.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于步骤(2)中轧制孔型按下述方法设计：

1)径向轧制孔型设计

径向轧制孔型由均为圆柱面的主轧辊和芯辊工作面组成；主轧辊工作面半径R_m可按如下公式确定：

$R_m=\frac{V_m\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\πn}}$

式中，V_m为主轧辊轧制线速度，为了保证环件稳定轧制成形，V_m通常取1.1～1.3m/s；n和γ分别为设备主电机转速和传动比；

为了保证环件毛坯在径向孔型产生连续轧制变形，主轧辊工作面半径R_m和芯辊工作面半径R_i应满足如下条件：

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

式中，β＝arctanμ为摩擦角，μ为摩擦系数；

此外，芯辊工作面半径R_i应保证芯辊能顺利穿入环件毛坯内孔进行轧制，通常有R_i≤r₀-10；根据上述条件可确定芯辊工作面半径取值范围为：

$\frac{H_0{R}_m}{17.5\mathrm{\β}{R}_m-H_0}\≤R_i\≤r_0-10$

主轧辊工作面轴向高度B_m和芯辊工作面轴向高度B_i等于环件毛坯轴向高度B₀；

2)轴向轧制孔型设计

轴向轧制孔型由一对上、下锥形轧辊组成；上锥辊结构为双层叠加锥形，对环件毛坯的水平上端面进行加工；下锥辊为单层锥形，对环件毛坯的水平下端面进行加工；

上锥辊工作面带有型槽用来成形环件内台阶，型槽尺寸可根据环件台阶尺寸确定为：

L₂＝H_b，L₃＝B_b

为了保证稳定轧制，上锥辊轧制线速度即上锥辊与环件外圆接触位置线速度，应与主轧辊轧制线速度相同；轧制过程中，上锥辊锥形底端始终保持与环件上端面外径处接触，以保证台阶成形尺寸，则有：

2πR_uc n₁/γ₁＝V_m

式中，n₁和γ₁分别为上锥辊电机转速和传动比；

根据几何关系，可确定上锥辊工作面其余尺寸为：

$R_{\mathrm{uc}}=\frac{V_m{\mathrm{\γ}}_1}{{2\mathrm{\πn}}_1},$ $L_1=\frac{V_m{\mathrm{\γ}}_1}{{2\mathrm{\πn}}_1\sin (\mathrm{\θ}/2)}+L_3\mathrm{ctg}(\mathrm{\θ}/2)-L_2$

R_uc1＝L₁sin(θ/2)，R_uc2＝R_uc1-L₂sin(θ/2)

式中，θ为锥辊锥角，通常取35°；

下锥辊工作面不带型槽，其最大直径与上锥辊最大直径相同，以保证上、下锥辊线速度一致，则可确定其工作面尺寸为：

$R_{\mathrm{dc}}=R_{\mathrm{uc}},L=\frac{R_{\mathrm{uc}}}{\sin \mathrm{\θ}/2}.$

5.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于步骤(3)中轧制成形的过程中，各阶段进给速度与进给量控制参数可按如下方式确定：

径向进给速度：v_r1＝(0.5～0.8)v_rmin，v_r2＝(2～4)v_rmin，v_r3＝(0.3～0.5)v_rmin

径向进给量：ΔH₁＝0.05ΔH，ΔH₂＝0.85ΔH，ΔH₃＝0.1ΔH

轴向进给速度：v_a1＝(0.5～0.8)v_amin，v_a2＝(2～4)v_amin，v_a3＝(0.3～0.5)v_amin

轴向进给量：ΔB₁＝0.05ΔB，ΔB₂＝0.85ΔB，ΔB₃＝0.1ΔB

其中，

为使环件产生轧制变形所需要的最小径向进给速度；v_amin＝v_rmin/η，为使环件产生轧制变形所需要的最小轴向进给速度；

ΔH＝H₀-H_s、ΔB＝B₀-B_s分别为环件轧制径向和轴向总进给量。

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