CN102615221B - 一种大型双沟槽环件径轴向轧制成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型双沟槽环件径轴向轧制成形方法。大型双沟槽环件径轴向轧制成形方法，主要包括以下实现步骤：（1）制坯：将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度，然后将热态料段在压力机上经镦粗、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：轧制孔型由驱动辊工作面和芯辊工作面组成，驱动辊和芯辊工作面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
技术领域
本发明涉及一种大型双沟槽环件径轴向轧制成形方法。
背景技术
直径超过1米，内表面带有对称沟槽的大型双沟槽环件，作为回转支承环、大型轴承套圈等，在工程机械、港口机械、风力发电设备等应用广泛。此类环件工作条件恶劣，长期承受低温、重载、高冲击等，对其性能和使用寿命要求较高。环件径轴向轧制（图1所示）是生产大型环件的一种先进塑性加工工艺，它通过连续局部塑性变形可在较短时间内获得几何精度高、组织性能好的优质大型环件。然而，环件径轴向轧制过程是多工艺参数耦合作用下的复杂变形过程，轧制工艺参数设计和过程控制难度大，尤其对于异形截面环件轧制，容易因为工艺参数设计或过程控制不合理，导致环件直径达到尺寸要求时，截面轮廓不能充满，甚至导致轧制过程不稳定，形成轧制缺陷，废、次品率较高。因此，目前多数大型异形截面环件均是先通过径轴向轧制成矩形截面环件，再切削加工出截面轮廓，上述大型双沟槽环件即是如此。通过机械切削加工沟槽，切削材料损耗和加工工时消耗大，两个沟槽加工精度难以保持一致，而且切削加工破坏了环件金属流线分布，降低了环件机械性能，从而导致生产效率低，成本高，质量和寿命难以保证。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于提供一种大型双沟槽截面环件径轴向轧制成形方法，通过合理地设计轧制工艺参数和优化轧制过程，可实现由矩形截面环件毛坯直接轧制成形为双沟槽环件，显著减少了沟槽切削加工材料和工时消耗，且可获得较好的金属流线分布，提高了生产效率和产品质量，降低了生产成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：大型双沟槽截面环件（以下简称环件）径轴向轧制成形方法，包括以下实现步骤：
（1）制坯：将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度，然后将热态料段在压力机上经镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用环件毛坯。环件毛坯尺寸按如下步骤确定
1）计算环件体积和截面积
环件体积 按下式计算
其中，为环件宽度；、分别为环件内、外半径；为环件沟槽半径；为沟槽截面圆心角。
环件截面积按下式计算
，其中为环件壁厚。
2）确定轧制比
轧制比为环件毛坯截面积与环件截面积之比，它反映了环件毛坯轧制变形程度，轧制比越大，环件毛坯变形量越大。轧制比太小，环件毛坯不能产生充分变形而获得细小且分布均匀的晶粒组织；轧制比太大，环件毛坯容易因过量变形产生内部损伤、裂纹等组织缺陷。对于大型双沟槽环件径轴向轧制，值一般取为2.5～4。
3）确定径向和轴向进给量比值
环件毛坯在轧制过程中，其径向壁厚和轴向高度同时减小，径向和轴向变形量的合理分配对轧制过程稳定性和成形环件几何精度十分重要。对于大型双沟槽环件径轴向轧制，径向和轴向进给量比值可按下式确定：
其中，、分别为环件轧制径向和轴向总进给量，、为环件毛坯壁厚和高度。
4）确定环件毛坯壁厚和高度
根据轧制比、径向和轴向进给量比值，可确定环件毛坯壁厚和高度为
，
5）确定环件毛坯内、外半径
根据毛坯壁厚、高度和环件体积，结合塑性变形体积不变原理，可确定环件毛坯外半径、内半径为
，
（2）轧制孔型设计：轧制孔型由驱动辊工作面和芯辊工作面组成。其中，驱动辊工作面为圆柱面，芯辊工作面由圆柱面与两个沟球面组合而成，驱动辊和芯辊结构如图4所示。驱动辊和芯辊工作面尺寸按如下确定：
1）确定驱动辊工作面半径和宽度
为了保证环件稳定轧制成形，驱动辊线速度通常取1.1～1.3m/s，根据驱动辊线速度可确定驱动辊工作面半径，其中，为驱动辊转速，为电机转速，为传动比，、由设备参数确定。驱动辊工作面宽度
2）确定芯辊沟球尺寸
芯辊沟球用来成形环件沟槽，其尺寸与环件沟槽尺寸相对应，可确定如下
，，，
其中，、分别为环件沟槽深度与宽度，、、、分别为芯辊沟球深度、高度、半径和截面圆心角。
3）确定芯辊沟球面半径和宽度
为了保证环件毛坯在径向孔型产生连续轧制变形，驱动辊工作面半径和芯辊沟球面半径应满足如下条件。
式中，为芯辊沟球面半径；为摩擦角，为摩擦系数。为了使芯辊能顺利穿入环件毛坯内孔进行轧制，芯辊最大工作面半径通常应保证。根据上述条件可确定芯辊沟球面半径取值范围为
从而可确定芯辊圆柱面半径为。根据几何关系，可确定芯辊各段工作面轴向宽度为
，，
（3）轧制成形：将制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制，轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段进行控制。预轧制阶段，控制芯辊和上锥辊分别沿径向和轴向慢速进给，逐渐消除锻造制坯产生的壁厚差和高度差；主轧制阶段，充分利用设备能力，控制芯辊和上锥辊分别沿径向和轴向以较快进给，使环件产生充分变形；整形轧制阶段，当环件外径距预定值100～200mm时，控制芯辊和上锥辊分别沿径向和轴向慢速进给，消除环件变形产生的壁厚差和椭圆度，保持环件缓慢长大，当所测环件外径达到预定值时，径向和轴向停止进给，轧制过程结束。轧制过程中，各阶段进给速度与进给量控制曲线如图5所示，图中各参数按如下确定：
径向进给速度：，，
径向进给量：，，，
轴向进给速度：，，
轴向进给量：，，，
其中，
为使环件产生轧制变形所需要的最小进给速度，。
本发明采用环件径轴向轧制工艺加工大型双沟槽环件，通过合计设计环件毛坯和轧制孔型以及控制轧制过程，实现由矩形环件毛坯直接轧制成形为双沟槽环件，减少了材料和加工工时消耗，改善了环件金属流线分布，提高了生产效率和产品质量，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例的环件径轴向轧制原理图；
1-驱动辊，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是本发明实施例的环件截面图；
图3是本发明实施例的环件毛坯截面图；
图4是本发明实施例的驱动辊工作面结构图；
图5是本发明实施例的芯辊工作面结构图；
图6是本发明实施例的环件轧制径向进给量与径向进给速度控制曲线图；
图中①预轧制阶段、②主轧制阶段、③整形轧制阶段；
图7是本发明实施例的环件轧制轴向进给量与轴向进给速度控制曲线图；
图中①预轧制阶段、②主轧制阶段、③整形轧制阶段。
具体实施方式
以如图2所示大型双沟槽环件（简称环件）为具体实施对象，环件几何尺寸为：外半径为1050mm，内半径为944，宽度为178mm、为40.25mm、为18.5mm，沟槽圆心角为，沟槽圆弧半径为20mm、沟槽深度为17mm、沟槽宽度为39.5mm。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，然后将热态料段在压力机上经镦粗、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，取轧制比为3.5，确定环件毛坯4尺寸为：外半径为409.51mm，内半径为162.87mm，宽度为251.63mm。（图3所示）。
2）轧制孔型设计：取轧制线速度为1.2m/s，根据轧制孔型设计方法，按图4所示结构设计轧制孔型，其中：驱动辊1工作面半径为350mm、宽度为178mm；芯辊2沟球深度为17mm、沟球宽度为39.5mm，沟球圆心角为、沟球半径为20mm， 芯辊2沟球面半径为150mm，圆柱面半径为133mm，芯辊2宽度为178mm、为113.88mm、为18.5mm、为40.25mm。
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，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6所示曲线进行控制，其中：预轧制阶段，径向和轴向进给速度、分别为0.65mm/s、0.38mm/s，径向和轴向进给量、分别为6.18mm、3.68mm；主轧制阶段，径向和轴向进给速度、分别为3.78mm/s、2.24mm/s，径向和轴向进给量、分别为105.09mm、62.59mm；整形轧制阶段，径向和轴向进给速度、分别为0.54mm/s、0.32mm/s，径向和轴向进给量、分别为12.36mm、7.36mm。当测量辊7所测环件外径达到预定值时，径向和轴向停止进给，轧制过程结束。
Claims (1)
1.一种大型内双沟槽环件径轴向轧制成形方法，包括以下实现步骤：
（1）制坯：将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度，然后将热态料段在压力机上经镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用环件毛坯，环件毛坯尺寸按如下步骤确定
1）计算环件体积和截面积
环件体积按下式确定
其中，为环件宽度；、分别为环件内、外半径；为环件沟槽半径；为沟槽截面圆心角；
环件截面积按下式确定
，其中为环件壁厚；
2）确定轧制比
轧制比为环件毛坯截面积与环件截面积之比，轧制比取值2.5～4；
3）确定径向和轴向进给量比值
径向和轴向进给量比值按下式确定：
其中，、分别为环件轧制径向和轴向总进给量，、为环件毛坯壁厚和高度，为环件沟槽深度；
4）确定环件毛坯壁厚和高度
根据轧制比、径向和轴向进给量比值，确定环件毛坯壁厚和高度为
，
5）确定环件毛坯内、外半径
根据毛坯壁厚、高度和环件体积，结合塑性变形体积不变原理，确定环件毛坯外半径、内半径为
，
（2）轧制孔型设计：轧制孔型由驱动辊工作面和芯辊工作面组成，驱动辊工作面为圆柱面，芯辊工作面由圆柱面与两个沟球面组合而成，驱动辊工作面和芯辊工作面尺寸按以下步骤确定：
1）确定驱动辊工作面半径和宽度
驱动辊线速度取1.1～1.3m/s，根据驱动辊线速度确定驱动辊工作面半径，其中，为驱动辊转速，为电机转速，为传动比，电机转速、传动比由设备参数确定，驱动辊工作面宽度
2）确定芯辊沟球尺寸
芯辊沟球用来成形环件沟槽，芯辊沟球尺寸与环件沟槽尺寸相对应，按下式确定
，，，
其中，、分别为环件沟槽深度与宽度，、、、分别为芯辊沟球深度、高度、半径和截面圆心角；
3）确定芯辊沟球面半径和宽度
驱动辊工作面半径和芯辊沟球面半径满足下式
式中，为芯辊沟球面半径；为摩擦角，为摩擦系数，芯辊最大工作面半径满足，根据上述条件确定芯辊沟球面半径取值范围为
从而确定芯辊圆柱面半径为，确定芯辊各段工作面轴向宽度为
，，
其中，B1a为环件上沟槽至环件上端面的轴向距离，B1b为环件上沟槽与下沟槽之间的轴向距离；
（3）轧制成形：将制好的环件毛坯放上轧环机进行轧制，轧制过程按预轧制、主轧制、整形轧制三个阶段进行控制；预轧制阶段，控制芯辊和上锥辊分别沿径向和轴向进给，预轧制径向进给速度，预轧制径向进给量，预轧制轴向进给速度，预轧制轴向进给量，逐渐消除锻造制坯产生的壁厚差和高度差；主轧制阶段，控制芯辊和上锥辊分别沿径向和轴向进给，主轧制径向进给速度，主轧制径向进给量，主轧制轴向进给速度，主轧制轴向进给量，使环件产生充分变形；整形轧制阶段，当环件外径距预定值100～200mm时，控制芯辊和上锥辊分别沿径向和轴向进给，整形轧制径向进给速度，整形轧制径向进给量，整形轧制轴向进给速度，整形轧制轴向进给量，消除环件变形产生的壁厚差和椭圆度，保持环件缓慢长大，当测量辊所测环件外径达到预定值时，径向和轴向停止进给，轧制过程结束，
其中为使环件产生轧制变形所需要的最小进给速度，。
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