CN102861840A - 一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，包括如下步骤：（1）根据零件的非对称度确定毛坯形状，再根据金属流动规律确定体积分配比，进而确定毛坯尺寸；（2）根据三辊横轧成形原理和设备结构以及毛坯、零件尺寸要求，先设计副轧辊工作面尺寸和位置，再确定主轧辊尺寸；（3）根据三辊横轧咬入条件以及轧辊尺寸、毛坯尺寸、零件尺寸依次设计主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间。（4）按步骤（3）轧制参数轧制成形所述零件。本发明能够合理确定零件三辊横轧成形工艺参数，保障零件稳定轧制成形，降低轧制废、次品率，以实现双联齿轮、双边支重轮轮体、高压阀体等机械零件低耗、高效、优质成形制造。

Description

一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法

技术领域

本发明涉及一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法。

背景技术

非对称双台阶回转体零件，如图1所示，其几何特征为表面由长度或高度不对称的上下台阶构成一个深槽，中心带小孔或不带孔，典型的应用为工程机械中的双联齿轮、双边支重轮轮体等。此类零件的表面深槽难以通过锻造直接精确成形，目前通常是采用自由锻或模锻简单成形，再通过切削加工成形，加工能耗高、材料利用率低，大量切削加工不仅消耗工时且易破坏零件金属纤维流线，导致生产效率低、成本高、产品性能差。

三辊横轧是利用回转塑性变形而成形多台阶回转体零件的一种塑性加工新工艺，其原理如图2所示。三个轧辊轴线平行布置，主轧辊1作主动旋转运动并同时向下作直线进给运动；左副轧辊2、右副轧辊3为轴心固定的空转辊，在零件带动下作被动旋转运动；零件在主动辊的旋转和径向进给作用下咬入三辊构成的孔型，产生连续旋转和局部塑性变形，经过多转变形积累，零件截面轮廓充满轧制孔型，完成轧制成形。三辊横轧过程中，零件变形区为零件与三个轧辊接触的局部区域，属于局部成形，因而变形抗力小，所需设备吨位小；轧制过程中，当零件外形台阶轮廓充满孔型时，变形就结束，不产生飞边，成形精度高；此外零件凹槽经过塑性变形而成形，其纤维流线和晶粒分布好，零件性能高。因此，采用三辊横轧工艺成形多台阶回转体零件具有显著的技术经济优点。

然而，三辊横轧变形是一个多参数耦合作用下的复杂动态变形过程，而由于非对称双台阶回转体零件的几何非对称性，使得零件轧制过程中金属流动和几何成形规律十分复杂，影响参数众多，需要合理匹配的设计轧制工艺参数，有效控制轧制过程金属流动和运动变形，否则，轧制中容易产生零件挤扁、截面充不满等缺陷。由于未掌握有效的轧制方法，实际生产中经常出现各种轧制缺陷，轧制废、次品率高，导致该类零件目前仍然以传统的锻造联合切削加工方法生产制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述不足，提供一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，通过合理设计轧制工艺参数，实现非对称双台阶回转体零件三辊横轧一次稳定成形，有效降低该类零件制造能源和材料消耗，提高了生产效率和产品性能。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，其特征在于：采用三辊横轧方法一次稳定成形非对称双台阶回转体零件；具体包括如下步骤：（1）根据零件尺寸和非对称度，选定合适的毛坯形状，再根据金属流动规律确定体积分配比，进而确定毛坯尺寸并制坯；所述毛坯截面形状为矩形、锥台型或台阶型；（2）根据三辊横轧成形原理和设备结构以及毛坯、零件尺寸要求，先设计副轧辊工作面尺寸和位置，再确定主轧辊尺寸；（3）根据三辊横轧咬入条件以及轧辊尺寸、毛坯尺寸、零件尺寸依次设计轧制成形参数，所述轧制成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间；（4）按步骤（3）的轧制成形参数一次稳定轧制成形所述零件；轧制时主轧辊作主动旋转运动并同时向下作直线进给运动；左副轧辊、右副轧辊为轴心固定的空转辊，在毛坯带动下作被动旋转运动；零件在主动辊的旋转和径向进给作用下咬入三辊构成的孔型，产生连续旋转和局部塑性变形，经过多转变形积累，毛坯截面轮廓充满轧制孔型，完成轧制成形。

按上述技术方案：步骤（1）按照如下顺序进行：

1）计算零件的非对称度K_D

设R₁、R₂、R₃、r分别为零件上台阶半径、凹槽半径、下台阶半径和内孔半径；对于实心类零件，r=0；B₁、B₂、B₃分别为零件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度，则零件总高度B=B₁+B₂+B₃；V_Lu、V_Ld分别为零件上台阶体积和下台阶体积；

非对称系数

非对称度K_D=|K_L-1|；

当K_D<0.1时，采用矩形截面毛坯；

当0.1≤K_D≤0.3，采用锥台型毛坯；

当K_D>0.3时，采用台阶型毛坯。

2）计算毛坯体积V

对于中心带小孔的零件，经三辊横轧变形后，内孔会出现轻微的腰鼓现象，因此毛坯尺寸要设计比零件内孔尺寸略小，计算毛坯体积时需将零件内孔尺寸进行调整。毛坯内孔半径r₀取（0.9~1）r，零件壁厚越小，r₀的取值越小。对于实心零件，不存在上述现象，即r₀=r=0；

故所需毛坯体积V=πR₁ ²B₁+πR₂ ²B₂+πR₃ ²B₃-πr₀ ²B；

将零件内孔半径r取r₀进行修正，以K_r表示零件凹槽半径与内孔半径之比，即

以凹槽一半高度处为界，将零件分为上下两部分，以V_u、V_d分别表示修正后零件上、下部分体积，则修正后零件上、下部分体积比为：

$K_{\mathrm{ud}}=\frac{V_u}{V_d}=\frac{2B_1(R_1^2-r^2)+B_2(R_2^2-r^2)}{3B_3(R_3^2-r^2)+B_2(R_2^2-r^2)};$

修正后零件上半部分体积与总体积之比

毛坯上半部分体积与总体积之比K_U′=kK_U，k取0.8~1，非对称度越大，修正系数k值越小；

3）确定毛坯尺寸并制坯

毛坯高度B₀与零件高度B相等，B₀=B=B₁+B₂+B₃

①对于矩形毛坯

毛坯外半径 $R_0=\sqrt{\frac{V}{\mathrm{\&pi;}{B}_0}+{r_0}^2}$

②对于锥台型毛坯

毛坯外表面与回转轴间的夹角

其中 $a=\frac{1}{9}{B}^2+\frac{1}{9}{B_m}^2-\frac{1}{9}{\mathrm{BB}}_m,$ $b=\frac{V(B_m-{\mathrm{BK}}_{\mathrm{ud}})}{\mathrm{\&pi;}{B}_m(B-B_m)}-\frac{2V(B_m-B{K}_{\mathrm{ud}})(B+B_m)}{3\mathrm{\&pi;}{\mathrm{BB}}_m(B-B_m)}-r^2-\frac{V}{\mathrm{\&pi;B}},$

$c=\frac{V^2{(B_m-B_0{K}_{\mathrm{ud}})}^2}{{\mathrm{\&pi;}}^2{B_0}^2{B_m}^2{(B_0-B_m)}^2},$ $B_m=B_1+\frac{B_2}{2};$

毛坯小端外半径 $R_0=\frac{V(B_m-{\mathrm{BK}}_{\mathrm{ud}})}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{BB}}_m(B-B_m)\tan \mathrm{\&theta;}}-\frac{1}{3}(B+B_m)\tan \mathrm{\&theta;}$

③对于台阶型毛坯

毛坯小端外半径 $R_0=\sqrt{\frac{{r_0}^2(2B_1+B_2)+\frac{{2\mathrm{VK}}_{\mathrm{ud}}}{\mathrm{\&pi;}}}{2B_1+B_2}}$

台阶高度V_L=B₃

台阶长度 $L=\frac{-B_L{R}_0+\sqrt{{B_L}^2{R_0}^2-({R_0}^2{B}_0-{r_0}^2{B}_0-\frac{V}{\mathrm{\&pi;}})}}{B_L}.$

按上述技术方案，步骤（2）轧辊尺寸按如下步骤确定：

1）确定副轧辊工作面尺寸和位置

副轧辊以主辊圆心与毛坯圆心连线为轴线对称布置，初始轧制时，两副轧辊紧贴毛坯，为了较好的支撑零件，保证轧制运动稳定，副轧辊圆心与毛坯中心的连线与轴线的夹角θ₀设计为45°～60°；

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，为了防止零件从副轧辊间被挤出以及两副轧辊工作面间相互干涉，副轧辊凸台半径R_c2要满足下列要求：

$\frac{R_0^{\&prime;}-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0-R_2}{1-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}<R_{c2}<\frac{R_0^{\&prime;}\sin \mathrm{\&theta;}}{1-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}+R_3-R_2-L_{\mathrm{cd}}$

其中R₀′为毛坯与轧辊的初始接触半径，对于矩形截面和台阶型毛坯R₀′＝R₀，对于锥台形截面R₀′＝R₀+（B₁+B₂）tanβ；

由于采用闭式孔型，副轧辊下型腔宽度L_cd应满足：R₃-R₂<L_cd<R₃-r；

由零件的几何尺寸可确定副轧辊上型腔宽度L_cu=L_cd+R₁-R₃，

R_c2确定后，根据几何关系可确定副轧辊上型腔面半径R_c1=R_c2-(R₁-R₂)，副轧辊下型腔面半径R_c3=R_c2-(R₃-R₂)；

为了保证成形环件截面尺寸精度，根据环件上台阶高度B₁、凹槽高度B₂和下台阶高度B₃可确定副轧辊上型腔高度B_c1、凸台高度B_c2、下型腔高度B_c3为

B_c1=B₁+0.3～0.6mm，B_c2=B₂，B_c3=B₃+0.3～0.6mm，

副轧辊上侧壁高度B_cu、下侧壁高度B_cd根据设备具体安装尺寸确定，考虑到强度，其高度不能过小。

2）确定主轧辊工作面尺寸

为保证孔型对应，可确定主轧辊上侧壁高度B_mu=B_cu，主轧辊下侧壁高度B_md=B_cd，主轧辊上型腔高度B_m1=B_c1，主轧辊凸台高度B_m2=B_c2，主轧辊下型腔高度B_m3=B_c3，主轧辊下型腔宽度L_md=L_cd，主轧辊上型腔宽度L_mu=L_md+R₁-R₃；

为了防止主轧辊与副轧辊接触干涉，主轧辊凸台半径R_m2需满足：

$R_{m2}<\frac{{R_2}^2-R_2{R}_{c2}-\frac{1}{2}{(L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}+2R_2-2R_3)}^2-R_{c2}(L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}-2R_3)+R_2\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2\mathrm{si}{n}^2{\mathrm{\&theta;}}_0}}{R_{c2}+L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}+R_2-2R_3-\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_0}}$

根据上式，结合设备空间尺寸以及强度要求，可确定R_m2；

进而根据几何关系可确定，主轧辊上型腔面半径R_m1=R_m2-(R₁-R₂)，主轧辊下型腔面半径R_m3=R_m2-(R₃-R₂)。

按上述技术方案，步骤（3）按照下列方式确定轧制成形参数：

1）主轧辊转速n_m

为了保证轧制过程稳定，主轧辊线速度V_m取1.1～1.3m/s；根据主轧辊工作面半径R_m2，计算主轧辊转速为

2）主轧辊进给速度v

为了保证毛坯能够咬入由轧制孔型而产生连续轧制变形，主轧辊进给速度不能过大，根据下式进行设计：

$v=(0.3~0.7)\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2{n}_m{R_{m2}}^2{R}_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}(2R_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}({R_0}^{\&prime;}+R_{m2})+R_{m2}(R_0^{\&prime;}+R_{c2}))}{60{R_0}^{\&prime;2}{(R_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+2R_{m2})}^2}$

式中，μ为零件与轧辊间摩擦系数；

3）轧制时间

轧制时间由主动辊进给时间和圆整时间两部分组成，轧制过程采用匀速进给，轧制时间T可确定为T=T₁+T₂；

主动辊进给时间

其中h为轧制总进给量

$h=(R_0^{\&prime;}+R_{c2})\cos {\mathrm{\&theta;}}_0+R_0^{\&prime;}-R_2-\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_0}$

圆整时间应至少保证零件转动一周，取圆整时间

按上述技术方案，步骤（4）中，先将轧辊安装于轧制设备内，然后将处理好的毛坯放入轧制设备内，按步骤（3）确定的轧制成形参数轧制成所需零件。

本发明提出的非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，可确定合理的轧制毛坯、孔型和成形参数，避免由零件非对称性引起金属流动分配不合理而导致的轧制缺陷，从而实现了非对称双台阶回转体零件低耗、高效、高性能稳定成形制造。

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是本发明非对称双台阶回转体零件截面示意图；

图2是本发明三辊横轧成形原理图（正视图）；

图3是本发明三辊横轧原理图（侧视图，毛坯阶段）；

图4是本发明三辊横轧成形原理图（侧视图，零件已成形）；

图2-4中，附图标记对应如下：1-主轧辊，2-左副轧辊，3-右副轧辊，4-零件毛坯，5-零件；

图5是本发明矩形截面毛坯截面示意图；

图6是本发明锥台型截面毛坯截面示意图；

图7是本发明台阶型截面毛坯截面示意图；

图8是本发明主轧辊的结构示意图；

图9是本发明副轧辊的结构示意图；

图10是本发明轧制初始与结束时刻各轧辊及零件位置对比示意图（左部分为轧制初始时刻，右部分为轧制结束时刻）。

具体实施方式

根据本发明实施的非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，，通过合理设计轧制工艺参数，实现非对称双台阶回转体零件三辊横轧稳定成形，具体包括如下主要步骤：

（1）确定毛坯形状和尺寸

对于非对称双台阶回转体零件，若零件的上、下台阶尺寸差别较大即非对称性显著，采用圆筒形毛坯轧制时，金属在充填孔型过程中可能会出现一端充不满而另一端金属堆积的现象，最终导致无法获得所需几何尺寸的零件。因此，首先需要确定合理的毛坯形状和尺寸。

1）计算零件的非对称度K_D

如图1所示，设R₁、R₂、R₃、r分别为成形零件的上台阶半径、凹槽半径、下台阶半径和内孔半径（对于实心类零件，r=0），B₁、B₂、B₃分别为环件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度，零件总高度B=B₁+B₂+B₃；V_Lu、V_Ld分别为零件上台阶和下台阶体积。（其中，图1中台阶体积小者为上台阶）。

非对称系数

非对称度K_D=|K_L-1|，K_D越大，非对称性越显著，越难以成形。

当K_D<0.1时，采用矩形截面毛坯；（如图5）；

当0.1≤K_D≤0.3，采用锥台型毛坯；（如图6）；

当K_D>0.3时，采用台阶型毛坯。（如图7）。

2）计算毛坯体积V

对于中心带小孔的零件，经三辊横轧变形后，内孔会出现轻微的腰鼓现象，因此毛坯尺寸要设计比零件内孔尺寸略小，计算毛坯体积时需将零件内孔尺寸进行调整。一般毛坯内孔半径r₀取（0.9~1）r，零件壁厚越小，r₀的取值越小；对于实心零件，不存在上述现象，即r₀=r=0。

故所需毛坯体积V=πR₁ ²B₁+πR₂ ²B₂+πR₃ ²B₃-πr₀ ²B

将零件内孔半径r取r₀进行修正，以K_r表示零件凹槽半径与内孔半径之比，即

以凹槽一半高度处为界，将零件分为上下两部分，以V_u、V_d分别表示修正后零件上、下部分体积，则修正后零件上、下部分体积比为

$K_{\mathrm{ud}}=\frac{V_u}{V_d}=\frac{2B_1(R_1^2-r^2)+B_2(R_2^2-r^2)}{3B_3(R_3^2-r^2)+B_2(R_2^2-r^2)}$

修正后，零件上半部分体积与总体积之比

毛坯上半部分体积与总体积之比K_U′=kK_U，k一般取0.8~1，非对称度越大，修正系数k值越小。

3）确定毛坯尺寸

毛坯高度B₀与零件高度B相等，如图1所示，B₀=B=B₁+B₂+B₃

①对于圆筒形毛坯，如图5所示：

毛坯外半径 $R_0=\sqrt{\frac{V}{\mathrm{\&pi;}{B}_0}+{r_0}^2}$

②对于锥台型毛坯，如图6所示：

毛坯外表面与回转轴间的夹角

其中 $a=\frac{1}{9}{B}^2+\frac{1}{9}{B_m}^2-\frac{1}{9}{\mathrm{BB}}_m,$ $b=\frac{V(B_m-{\mathrm{BK}}_{\mathrm{ud}})}{\mathrm{\&pi;}{B}_m(B-B_m)}-\frac{2V(B_m-B{K}_{\mathrm{ud}})(B+B_m)}{3\mathrm{\&pi;}{\mathrm{BB}}_m(B-B_m)}-r^2-\frac{V}{\mathrm{\&pi;B}},$

$c=\frac{V^2{(B_m-B_0{K}_{\mathrm{ud}})}^2}{{\mathrm{\&pi;}}^2{B_0}^2{B_m}^2{(B_0-B_m)}^2},$ $B_m=B_1+\frac{B_2}{2};$

毛坯小端外半径 $R_0=\frac{V(B_m-{\mathrm{BK}}_{\mathrm{ud}})}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{BB}}_m(B-B_m)\tan \mathrm{\&theta;}}-\frac{1}{3}(B+B_m)\tan \mathrm{\&theta;};$

③对于台阶型毛坯，如图7所示：

毛坯小端外半径 $R_0=\sqrt{\frac{{r_0}^2(2B_1+B_2)+\frac{{2\mathrm{VK}}_{\mathrm{ud}}}{\mathrm{\&pi;}}}{2B_1+B_2}};$

台阶高度B_L=B₃；

台阶长度 $L=\frac{-B_L{R}_0+\sqrt{{B_L}^2{R_0}^2-({R_0}^2{B}_0-{r_0}^2{B}_0-\frac{V}{\mathrm{\&pi;}})}}{B_L};$

（2）确定轧制孔型结构和尺寸并加工轧辊

如图2-4、10三辊横轧孔型由主轧辊1和两个副轧辊2和3构成；为了防止毛坯4在轧制过程中因轴向金属流动产生端面凹陷，轧制孔型均设计为闭式孔型；主轧辊1和两个副轧辊2和3的工作面型腔与零件截面形状相对应（如图4所示），轧辊尺寸设计如下：

1）确定副轧辊工作面尺寸和位置

副轧辊以主辊圆心与毛坯圆心连线为轴线对称布置，初始轧制时，两副轧辊紧贴毛坯4，为了较好的支撑零件，保证轧制运动稳定，副轧辊圆心与毛坯4中心的连线与轴线的夹角θ₀可设计为45°～60°（如图10左半部分轧制开始时刻）；

两个副轧辊2和3设计为一样，如图9所示，副轧辊工作面半径通常根据设备空间尺寸确定，为了防止零件从副轧辊间被挤出以及两副轧辊工作面间相互干涉，副轧辊凸台半径R_c2要满足下列要求：

$\frac{R_0^{\&prime;}-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0-R_2}{1-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}<R_{c2}<\frac{R_0^{\&prime;}\sin \mathrm{\&theta;}}{1-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}+R_3-R_2-L_{\mathrm{cd}}$

其中R₀′为毛坯与轧辊的初始接触半径，对于圆筒形截面和台阶型毛坯R₀′＝R₀，对于锥台形截面R₀′＝R₀+（B₁+B₂）tanβ；L_cd为副轧辊下型腔宽度；

由于采用闭式孔型，副轧辊下型腔宽度L_cd应满足：R₃-R₂<Lcd<R₃-r

由零件的几何尺寸可确定副轧辊上型腔宽度L_cu=L_cd+R₁-R₃，

R_c2确定后，根据几何关系可确定副轧辊上型腔面半径R_c1=R_c2-(R₁-R₂)，副轧辊下型腔面半径R_c3=R_c2-(R₃-R₂)；

为了保证成形环形零件截面尺寸精度，根据零件上台阶高度B₁、凹槽高度B₂和下台阶高度B₃可确定副轧辊上型腔高度B_c1、凸台高度B_c2、下型腔高度B_c3为

B_c1=B₁+0.3～0.6mm，B_c2=B₂，B_c3=B₃+0.3～0.6mm，

副轧辊上侧壁高度B_cu、下侧壁高度B_cd可根据设备具体安装尺寸确定，考虑到强度，其高度不能过小。

2）确定主轧辊工作面尺寸

如图8所示，为保证孔型对应，可确定主轧辊上侧壁高度B_mu=B_cu，主轧辊下侧壁高度B_md=B_cd，主轧辊上型腔高度B_m1=B_c1，主轧辊凸台高度B_m2=B_c2，主轧辊下型腔高度B_m3=B_c3，主轧辊下型腔宽度L_md=L_cd，主轧辊上型腔宽度L_mu=L_md+R₁-R₃

为了防止主轧辊与副轧辊接触干涉，主轧辊凸台半径R_m2需满足：

$R_{m2}<\frac{{R_2}^2-R_2{R}_{c2}-\frac{1}{2}{(L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}+2R_2-2R_3)}^2-R_{c2}(L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}-2R_3)+R_2\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2\mathrm{si}{n}^2{\mathrm{\&theta;}}_0}}{R_{c2}+L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}+R_2-2R_3-\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_0}}$

根据上式，结合设备空间尺寸以及强度要求，可确定R_m2；

进而根据几何关系可确定，主轧辊上型腔面半径R_m1=R_m2-(R₁-R₂)，主轧辊下型腔面半径R_m3=R_m2-(R₃-R₂)

（3）确定轧制成形参数

轧制成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间，可按如下确定：

1）主轧辊转速n_m

为了保证轧制过程稳定，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R_m2，可计算主轧辊转速为

2）主轧辊进给速度v

为了保证毛坯能够咬入由轧制孔型而产生连续轧制变形，主轧辊进给速度通常不能过大，可根据下式进行设计：

$v=(0.3~0.7)\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2{n}_m{R_{m2}}^2{R}_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}(2R_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}({R_0}^{\&prime;}+R_{m2})+R_{m2}(R_0^{\&prime;}+R_{c2}))}{60{R_0}^{\&prime;2}{(R_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+2R_{m2})}^2}$

式中，μ为零件与轧辊间摩擦系数；

3）轧制时间

轧制时间由主动辊进给时间和圆整时间两部分组成，轧制过程采用匀速进给，轧制时间T可确定为T=T₁+T₂；

其中，进给时间

h为轧制总进给量，

$h=(R_0^{\&prime;}+R_{c2})\cos {\mathrm{\&theta;}}_0+R_0^{\&prime;}-R_2-\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_0}$

圆整时间应至少保证零件转动一周，一般取

圆整时间 $T_2=(1~4)\frac{2\mathrm{\&pi;}{R}_2}{V_m}$

（4）轧制成形：将轧辊安装于轧制设备内，将处理好的毛坯放入轧制设备内，按上述轧制成形参数轧制成所需零件；主轧辊1作主动旋转运动并同时向下作直线进给运动；左副轧辊2、右副轧辊3为轴心固定的空转辊，在零件带动下作被动旋转运动；零件在主动辊的旋转和径向进给作用下咬入三辊构成的孔型，产生连续旋转和局部塑性变形，经过多转变形积累，零件截面轮廓充满轧制孔型，完成轧制成形。

以下以图1所示双联齿轮为具体实施例说明本成形方法：

要求轧制成形的零件上台阶半径R₁、凹槽半径R₂、下台阶半径R₃和内半径r分别为95mm、80mm、105mm和25mm，零件上台阶高度B₁、凹槽高度B₂和下台阶高度B₃分别为15mm、28mm、13mm，其三辊横轧成形方法包括以下内容：

（1）确定毛坯形状和尺寸并制坯

1）计算零件的非对称度K_D=0.345>0.3，因此宜采用台阶型毛坯，其截面形状如图7所示。

2）取毛坯内孔半径r₀=0.92r=23mm，修正后所需毛坯体积V＝1345468.74mm³，修正后零件上半部分体积与零件总体之比K_U′=0.959，取修正系数k=0.95，毛坯上半部分体积与总体积之比K_U=0.465。

3）毛坯总高度B₀=B=56mm，毛坯小端外半径R₀=86.00mm，台阶高度B_L=B₃=13mm，台阶长度L=13.51mm。

按所设计毛坯尺寸，将棒料段（具体材料为Q345钢）从室温均匀加热到高塑性、低抗力的热变形温度（1150～1250℃），然后将热态的棒料段进行经压力机锻造制成轧制用毛坯；

（2）确定轧制孔型结构和尺寸并加工轧辊

1）副轧辊工作面尺寸和位置

如图10，将副轧辊圆心与毛坯中心的连线与轴线的夹角θ₀设计为60°；根据副轧辊工作面尺寸设计方法，设计副轧辊结构如图9所示，副轧辊凸台面直径R_c2、上型腔面半径R_c1、下型腔面半径R_c3分别为100mm、85mm、75mm，上、下型腔宽度L_cu和L_cd分别为50mm和60mm，上型腔高度B_c1、凸台高度B_c2、下型腔高度B_c3、上侧壁高度B_cu、下侧壁高度B_cd分别为15.5mm、28mm、13.5mm、20mm、20mm。

2）主轧辊工作面尺寸

根据主轧辊工作面尺寸设计方法，设计主轧辊结构如图8所示，主轧辊凸台面直径R_m2、上型腔面半径R_m1、下型腔面半径R_m3分别为300mm、285mm、275mm，上、下型腔宽度L_mu和L_md分别为50mm和60mm，上型腔高度B_m1、凸台高度B_m2、下型腔高度B_m3、上侧壁高度B_mu、下侧壁高度B_md分别为15.5mm、28mm、13.5mm、20mm、20mm。

（3）确定轧制成形参数

1）主轧辊转速n_m

主辊线速度V_m取1.257m/s，根据主轧辊转速设计公式确定主轧辊转速n_m为40r/min。

2）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1.5mm/s。

3）轧制时间T

轧制总进给量h为18.68mm，进给时间

圆整时间 $T_2=2.5\frac{2\mathrm{\&pi;}{R}_2}{V_m\&times;{10}^3}=1s$

轧制时间T可确定为T=T₁+T₂=13.45s。

（4）轧制成形：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。

其它材料和尺寸规格的双边支重轮轮体、高压球阀体等零件三辊横轧轧制成形工艺与上述实例相同，在此不逐一列举实施例。

Claims (5)

1.一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，其特征在于：采用三辊横轧方法一次稳定成形非对称双台阶回转体零件；具体包括如下步骤：（1）根据零件尺寸和非对称度，选定合适的毛坯形状，再根据金属流动规律确定体积分配比，进而确定毛坯尺寸并制坯；所述毛坯截面形状为矩形、锥台型或台阶型；（2）根据三辊横轧成形原理和设备结构以及毛坯、零件尺寸要求，先设计副轧辊工作面尺寸和位置，再确定主轧辊尺寸；（3）根据三辊横轧咬入条件以及轧辊尺寸、毛坯尺寸、零件尺寸依次设计轧制成形参数，所述轧制成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间；（4）按步骤（3）的轧制成形参数一次稳定轧制成形所述零件；轧制时主轧辊作主动旋转运动并同时向下作直线进给运动；左副轧辊、右副轧辊为轴心固定的空转辊，在毛坯带动下作被动旋转运动；零件在主动辊的旋转和径向进给作用下咬入三辊构成的孔型，产生连续旋转和局部塑性变形，经过多转变形积累，毛坯截面轮廓充满轧制孔型，完成轧制成形。

2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：步骤（1）按照如下顺序进行：

1）计算零件的非对称度K_D

设R₁、R₂、R₃、r分别为零件上台阶半径、凹槽半径、下台阶半径和内孔半径；对于实心类零件，r=0；B₁、B₂、B₃分别为零件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度，则零件总高度B=B₁+B₂+B₃；V_Lu、V_Ld分别为零件上台阶体积和下台阶体积；

非对称系数

非对称度K_D=|K_L-1|；

当K_D<0.1时，采用矩形截面毛坯；

当0.1≤K_D≤0.3，采用锥台型毛坯；

当K_D>0.3时，采用台阶型毛坯；

2）计算毛坯体积V

对于中心带小孔的零件，经三辊横轧变形后，内孔会出现轻微的腰鼓现象，因此毛坯尺寸要设计比零件内孔尺寸略小，计算毛坯体积时需将零件内孔尺寸进行调整；毛坯内孔半径r₀取（0.9~1）r，零件壁厚越小，r₀的取值越小；对于实心零件，不存在上述现象，即r₀=r=0；

故所需毛坯体积V=πR₁ ²B₁+πR₂ ²B₂+πR₃ ²B₃-πr₀ ²B；

将零件内孔半径r取r₀进行修正，以K_r表示零件凹槽半径与内孔半径之比，即

以凹槽一半高度处为界，将零件分为上下两部分，以V_u、V_d分别表示修正后零件上、下部分体积，则修正后零件上、下部分体积比为：

$K_{\mathrm{ud}}=\frac{V_u}{V_d}=\frac{2B_1(R_1^2-r^2)+B_2(R_2^2-r^2)}{3B_3(R_3^2-r^2)+B_2(R_2^2-r^2)};$

修正后零件上半部分体积与总体积之比

毛坯上半部分体积与总体积之比K_U′=kK_U，k取0.8~1，非对称度越大，修正系数k值越小；

3）确定毛坯尺寸并制坯

毛坯高度B₀与零件高度B相等，B₀=B=B₁+B₂+B₃

①对于矩形毛坯

毛坯外半径 $R_0=\sqrt{\frac{V}{\mathrm{\&pi;}{B}_0}+{r_0}^2}$

②对于锥台型毛坯

毛坯外表面与回转轴间的夹角

其中 $a=\frac{1}{9}{B}^2+\frac{1}{9}{B_m}^2-\frac{1}{9}{\mathrm{BB}}_m,$ $b=\frac{V(B_m-{\mathrm{BK}}_{\mathrm{ud}})}{\mathrm{\&pi;}{B}_m(B-B_m)}-\frac{2V(B_m-B{K}_{\mathrm{ud}})(B+B_m)}{3\mathrm{\&pi;}{\mathrm{BB}}_m(B-B_m)}-r^2-\frac{V}{\mathrm{\&pi;B}},$

$c=\frac{V^2{(B_m-B_0{K}_{\mathrm{ud}})}^2}{{\mathrm{\&pi;}}^2{B_0}^2{B_m}^2{(B_0-B_m)}^2},$ $B_m=B_1+\frac{B_2}{2};$

毛坯小端外半径 $R_0=\frac{V(B_m-{\mathrm{BK}}_{\mathrm{ud}})}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{BB}}_m(B-B_m)\tan \mathrm{\&theta;}}-\frac{1}{3}(B+B_m)\tan \mathrm{\&theta;}$

③对于台阶型毛坯

毛坯小端外半径 $R_0=\sqrt{\frac{{r_0}^2(2B_1+B_2)+\frac{{2\mathrm{VK}}_{\mathrm{ud}}}{\mathrm{\&pi;}}}{2B_1+B_2}}$

台阶高度B_L=B₃

台阶长度 $L=\frac{-B_L{R}_0+\sqrt{{B_L}^2{R_0}^2-({R_0}^2{B}_0-{r_0}^2{B}_0-\frac{V}{\mathrm{\&pi;}})}}{B_L}.$

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

1）确定副轧辊工作面尺寸和位置

副轧辊以主辊圆心与毛坯圆心连线为轴线对称布置，初始轧制时，两副轧辊紧贴毛坯，为了较好的支撑零件，保证轧制运动稳定，副轧辊圆心与毛坯中心的连线与轴线的夹角θ₀设计为45°～60°；

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，为了防止零件从副轧辊间被挤出以及两副轧辊工作面间相互干涉，副轧辊凸台半径R_c2要满足下列要求：

$\frac{R_0^{\&prime;}-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0-R_2}{1-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}<R_{c2}<\frac{R_0^{\&prime;}\sin \mathrm{\&theta;}}{1-\sin {\mathrm{\&theta;}}_0}+R_3-R_2-L_{\mathrm{cd}}$

其中R₀′为毛坯与轧辊的初始接触半径，对于矩形截面和台阶型毛坯R₀′＝R₀，对于锥台形截面R₀′＝R₀+（B₁+B₂）tanβ；

由于采用闭式孔型，副轧辊下型腔宽度L_cd应满足：R₃-R₂<L_cd<R₃-r；

由零件的几何尺寸可确定副轧辊上型腔宽度L_cu=L_cd+R₁-R₃，

R_c2确定后，根据几何关系可确定副轧辊上型腔面半径R_c1=R_c2-(R₁-R₂)，副轧辊下型腔面半径R_c3=R_c2-(R₃-R₂)；

为了保证成形环件截面尺寸精度，根据环件上台阶高度B₁、凹槽高度B₂和下台阶高度B₃可确定副轧辊上型腔高度B_c1、凸台高度B_c2、下型腔高度B_c3为

B_c1=B₁+0.3～0.6mm，B_c2=B₂，B_c3=B₃+0.3～0.6mm，

副轧辊上侧壁高度B_cu、下侧壁高度B_cd根据设备具体安装尺寸确定，考虑到强度，其高度不能过小；

2）确定主轧辊工作面尺寸

为保证孔型对应，可确定主轧辊上侧壁高度B_mu=B_cu，主轧辊下侧壁高度B_md=B_cd，主轧辊上型腔高度B_m1=B_c1，主轧辊凸台高度B_m2=B_c2，主轧辊下型腔高度B_m3=B_c3，主轧辊下型腔宽度L_md=L_cd，主轧辊上型腔宽度L_mu=L_md+R₁-R₃；

为了防止主轧辊与副轧辊接触干涉，主轧辊凸台半径R_m2需满足：

$R_{m2}<\frac{{R_2}^2-R_2{R}_{c2}-\frac{1}{2}{(L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}+2R_2-2R_3)}^2-R_{c2}(L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}-2R_3)+R_2\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2\mathrm{si}{n}^2{\mathrm{\&theta;}}_0}}{R_{c2}+L_{\mathrm{cd}}+L_{\mathrm{md}}+R_2-2R_3-\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_0}}$

根据上式，结合设备空间尺寸以及强度要求，可确定R_m2；

进而根据几何关系可确定，主轧辊上型腔面半径R_m1=R_m2-(R₁-R₂)，主轧辊下型腔面半径R_m3=R_m2-(R₃-R₂)。

4.根据权利要求3所述的成形方法，其特征在于：步骤（3）按照下列方式确定轧制成形参数：

1）主轧辊转速n_m

为了保证轧制过程稳定，主轧辊线速度V_m取1.1～1.3m/s；根据主轧辊工作面半径R_m2，计算主轧辊转速为

2）主轧辊进给速度v

为了保证毛坯能够咬入由轧制孔型而产生连续轧制变形，主轧辊进给速度不能过大，根据下式进行设计：

$v=(0.3~0.7)\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2{n}_m{R_{m2}}^2{R}_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}(2R_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}({R_0}^{\&prime;}+R_{m2})+R_{m2}(R_0^{\&prime;}+R_{c2}))}{60{R_0}^{\&prime;2}{(R_{c2}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+2R_{m2})}^2}$

式中，μ为零件与轧辊间摩擦系数；

3）轧制时间

轧制时间由主动辊进给时间和圆整时间两部分组成，轧制过程采用匀速进给，轧制时间T可确定为T=T₁+T₂；

主动辊进给时间

其中h为轧制总进给量

$h=(R_0^{\&prime;}+R_{c2})\cos {\mathrm{\&theta;}}_0+R_0^{\&prime;}-R_2-\sqrt{{(R_2+R_{c2})}^2-{(R_0^{\&prime;}+R_{c2})}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_0}$

圆整时间应至少保证零件转动一周，取圆整时间

5.根据权利要求1或2或4所述的成形方法，其特征在于：步骤（4）中，先将轧辊安装于轧制设备内，然后将处理好的毛坯放入轧制设备内，按步骤（3）确定的轧制成形参数轧制成所需零件。

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