CN102873511A - 一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法。该方法先将圆柱形棒材锯切成适当尺寸的料段，将料段从室温均匀加热到奥氏体温度并保温后，经滚圆、墩粗并模锻成两端有凹孔的预锻件，最后在预锻件中间冲孔、冲连皮得到轧制用环件毛坯；再将毛坯回炉加热，当温度达到目标温度并保温后取出，放入径向轧环机封闭式孔型内轧制成形，经过多转轧制变形成为规定形状尺寸的拥有三个台阶的复杂截面环形锻件；锻件经正火、回火热处理以保障力学性能，最后将锻件切削加工成成品环件。本发明为近终型精密成形，后续机械加工余量少，材料利用率高，减少了锻造火次节约了能耗，具有生产效率高、成本低的特点。

Description

一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法

技术领域

本发明涉及一种环件轧制成形的方法，特别涉及一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法。

背景技术

随着我国工业的迅速发展，机车车辆、大型轴承、重型电机、石油化工、机械、风力发电、海洋工程等行业所需的大型和复杂截面环形件数量急剧增加，而采用自由锻造、钢板切割或卷板焊接等方法生产，已远不适应工业发展的需要。近年来，国内外广泛采用辗扩轧制的方法生产环形件，其效率高、节省材料，是少、无切削的先进工艺方法。目前世界各国对环形件的生产和加工工艺进行了广泛的研究，可制造的环形件尺寸范围不断扩大，截面形状更加复杂，材料选择不断增加，对制造工艺提出的要求也越来越高。

环件轧制成形是一个复杂的塑性变形过程，影响其成形的因素主要有模具形状、毛坯形状、材料特性、轧制温度和工艺参数等。如果毛坯设计不合理、材料选择不当、工艺参数不合理，会造成废品，浪费材料，加大成本。目前，环件轧制的应用对象主要是基于矩形毛坯轧制的矩形截面环件。与矩形截面环件相比，复杂截面环件轧制过程中常常出现截面轮廓充不满、拉缩、碟形等工艺缺陷。

目前，拥有台阶的复杂截面环件通常采用径向轧制加机械切削加工联合完成，即采用形状规则的矩形轧制毛坯，通过设计适当的轧制毛坯尺寸，轧制出与最终产品形状接近的矩形截面环件，再通过机械切削将矩形截面环件加工成所需的复杂截面环件，其加工流程为：(1)墩粗；(2)冲孔；(3)径向辗扩；(4)平端面；(5)热处理；(6)机械切削加工。这种工艺生产具有台阶的复杂截面环件的主要问题是：(1)加工余量大，材料利用率低；(2)生产效率低，劳动强度大；(3)环件辗环轧制过程中火次多，锻件需要反复加热，能耗高；(4)辗环轧制精度低，形状尺寸难以保证，废品率高；(5)生产成本高。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于提供一种成本低，生产效率高的一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，该方法可大幅提高材料利用率，减少锻造火次节约能源。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，包括以下步骤：

(1)将圆柱形棒材锯切成适当尺寸的料段；

(2)将上述料段加热奥氏体化并保温，在热变形温度区间锻造成轧制用环件毛坯；

(3)将上述环件毛坯加热奥氏体化并保温，放入径向轧环机闭式孔型内轧制成形；

(4)将上述锻件正火、回火热处理；

(5)将上述热处理后锻件经机械切削加工成产品。

步骤(1)中所述的下料料段长度为L＝(2～5)B，B为环形锻件的轴向尺寸，料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定。

步骤(2)所述奥氏体化温度为1200℃～1250℃，奥氏体化保温时间为90～150分钟，所述锻造热变形温度区间为800℃～1250℃。

步骤(2)所述料段经滚圆、镦粗、模锻、冲孔、冲连皮制成轧制用环件毛坯；所述环件毛坯的轴向尺寸为B₀＝B，环件毛坯的内孔直径为d₀＝d/k，轧制比k＝1.5～4，d为环件锻件内孔直径；根据环件锻件内孔台阶尺寸确定毛坯内孔台阶轴向高度m₀＝m，径向高度n₀＝(0.7～1)n，其中m和n分别为环件锻件内孔台阶轴向和径向高度，根据环件锻件体积与环件毛坯体积相等确定环件毛坯外径D₀；D为环件锻件的外径。

步骤(3)所述奥氏体化温度为1200℃～1250℃，奥氏体化保温时间为30～60分钟；径向闭式轧制成形温度区间为850℃～1250℃；采用封闭式孔型，芯辊表面拥有与环件内孔台阶尺寸一致的凹槽，驱动辊表面拥有与环件外台阶尺寸匹配的凸台，径向轧制过程中环件内外台阶同时逐渐地充满孔型；轧制过程设置导向辊，在其表面设凸台，使其与环件的接触面位于环件两个外台阶之间。

步骤(3)所述的径向轧制成形，轧制中径向进给速度按下式计算：

$v=\frac{f^2{n}_1{R}_1^2}{R{(1+\frac{R_1}{R_2})}^2}(1+\frac{R_1}{R_2}+\frac{R_1}{R}-\frac{R_2}{r})$

式中v为径向进给速度；n₁为驱动辊转速；R₁、R₂分别为驱动辊工作面半径和环件毛坯内孔部分对应的芯辊工作面半径；R和r分别为环件锻件外半径和内半径；f为环件与轧制孔型间的摩擦系数，f＝0.2～0.4。

步骤(4)所述热处理由正火、回火组成，正火先加热到610℃～650℃，保温时间为50～110分钟，然后再加热到880℃～920℃，保温70～180分钟后出炉，空冷至室温；回火温度为570℃～630℃，时间为170～380分钟，后出炉空冷至室温。

步骤(5)所述机械加工所用设备为立式车床。

本发明的关键点在于保证拥有三个台阶的复杂截面环件形状。因此，要注意以下几点。

为了便于轧制成形，锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度，消除环件毛坯内孔偏心、表面锤头印、冲孔毛刺等缺陷。锻造制坯经滚圆、镦粗、模锻、冲孔、冲连皮工序，按步骤(2)中要求，严格保证毛坯的轴向尺寸B₀，毛坯的内孔直径d₀、毛坯内孔台阶轴向高度m₀、毛坯内孔台阶径向高度n₀和环件毛坯外径D₀。

步骤(3)环件毛坯径向闭式轧制成形，轧制过程中环件与轧辊间保持良好的润滑，径轧制成形有导向辊保证轧制过程平稳进行，在驱动辊的旋转轧制运动和直线进给运动作用下，环件毛坯连续地咬入驱动辊和芯辊构成的封闭孔型，产生壁厚减小、直径扩大、轮廓截面成形的连续局部塑性变形。为保证锻透及减少端面鱼尾变形，环件径向轧制成形中采用较大进给速度亦即快速进给轧制，轧制进给速度数值按步骤(3)要求进行。

本发明采用封闭式孔型，芯辊表面拥有与环件内孔台阶尺寸一致的凹槽，驱动辊表面拥有与环件外台阶尺寸匹配的凸台，径向轧制过程中环件内外台阶同时逐渐地充满孔型。轧制结束得到的锻件经很少的切削加工就可以得到最终产品，相比传统方法节约了原材料，提高了生产效率。通过合理设计环件毛坯形状和尺寸和轧制加工工艺参数，使得制坯容易，加工过程平稳，降低了对设备的要求。

附图说明

图1是本发明环件锻件结构示意图

图2是本发明环件毛坯结构示意图

图3是本发明环件径向闭式轧制原理图

图4是本发明导向辊结构示意图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例详细说明具体实施方式，如附图1-4所示。

实施例1：

一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，环件材料为Q345E钢，要求轧制成形的环件锻件尺寸为：环件锻件外径D为环件锻件内孔直径d为

环件锻件轴向高度B为400mm，环件锻件内控台阶轴向尺寸径m为200mm，环件锻件内孔台阶径向尺寸n为150mm，环件锻件外台阶轴向尺寸h为50mm，环件锻件外台阶径向尺寸p为80mm。其步骤如下：

(1)将圆柱形Q345E棒材锯切成料段，料段长度为L＝3B＝1200mm，B为环形锻件的轴向尺寸，料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定为1050mm。

(2)将料段缓慢加热至奥氏体化温度1245℃，奥氏体化保温时间为110分钟，达到设定时间后取出，热变形温度始锻温度1210℃，终锻温度840℃，在此热变形温度区间内经滚圆、镦粗、模锻、冲孔、冲连皮工序锻造制坯；锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度，保证毛坯的轴向尺寸B₀为400mm，毛坯内孔直径d₀为1200mm(k＝2)，毛坯内孔台阶轴向尺寸m₀为200mm，内孔台阶径向尺寸n₀为120mm，根据环件锻件体积与毛坯体积相等条件确定毛坯外径D为2052mm。

(3)将环件毛坯放入加热炉中加热至1250℃，保温55分钟取出，放入径向轧环机闭式孔型内轧制成形，热变形温度始锻温度1220℃，终锻温度840℃，采用的径向进给速度v＝1.8mm/s。轧制过程中环件与轧辊间保持良好的润滑，通过径向轧制，使环件毛坯壁厚和高度同时减小，内外直径扩大，截面轮廓成形，当环件经过多转轧制变形且直径和高度均达到预定尺寸时，成为规定形状尺寸的拥有三个台阶的复杂截面环形锻件。

环件毛坯径向闭式轧制成形如图3、图4所示，在驱动辊1的旋转轧制运动和直线进给运动作用下，环件毛坯2连续地咬入驱动辊1和芯辊3构成的轧制孔型，产生壁厚减小、直径扩大、轮廓截面成形的连续局部塑形变形。通过多转反复轧制变形，使环件毛坯直径扩大到目标值时，则达到规定形状尺寸(即预定尺寸)的环件锻件，这时环件轧制过程结束。图4中导向辊4的作用是保证轧制过程平稳，在其表面设凸台，使其与环件的接触面位于环件两个外台阶之间。

(4)锻后热处理由正火、回火组成，正火先加热到620℃保温时间为90分钟，然后再加热到910℃，保温170分钟后出炉，空冷至室温；回火温度为610℃，时间为350分钟，后出炉空冷至室温。

(5)将热处理后锻件用立式车床进行切削加工，达到要求的尺寸。

实施例2：

一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，环件材料为Q345E钢，要求轧制成形的环件锻件尺寸为：环件锻件外径D为

环件锻件内孔直径d为环件锻件轴向高度B为300mm，环件锻件内孔台阶轴向尺寸径m为100mm，环件锻件内孔台阶径向尺寸n为60mm，环件锻件外台阶轴向尺寸h为50mm，环件锻件外台阶径向尺寸p为60mm。其步骤如下：

(1)将圆柱形Q345E棒材锯切成料段，料段长度为L＝4B＝1200mm，B为环形锻件的轴向尺寸，料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定为650mm。

(2)将料段缓慢加热至奥氏体化温度1250℃，奥氏体化保温时间为85分钟，达到设定时间后取出，热变形温度始锻温度1220℃，终锻温度830℃，在此热变形温度区间内经滚圆、镦粗、模锻、冲孔、冲连皮工序锻造制坯；锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度，保证毛坯的轴向尺寸B₀为300mm，毛坯内孔直径d₀为760mm(k＝2.5)，毛坯内孔台阶轴向尺寸m₀为100mm，内孔台阶径向尺寸n₀为50mm，根据环件锻件体积与毛坯体积相等条件确定毛坯外径D₀为1184mm。

(3)将环件毛坯放入加热炉中加热至1245℃，保温50分钟取出，放入径向轧环机闭式孔型内轧制成形，热变形温度始锻温度1215℃，终锻温度850℃，采用的径向进给速度v＝2.4mm/s。其他步骤同实施例1。

(4)锻后热处理由正火、回火组成，正火先加热到640℃保温时间为75分钟，然后再加热到890℃，保温140分钟后出炉，空冷至室温；回火温度为600℃，时间为250分钟，后出炉空冷至室温。

(5)将热处理后锻件用立式车床进行切削加工，达到要求的尺寸。

实施例3：

一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，环件材料为Q345E钢，要求轧制成形的环件锻件尺寸为：环件锻件外径D为

环件锻件内孔直径d为

环件锻件轴向高度B为100mm，环件锻件内孔台阶轴向尺寸径m为50mm，环件锻件内孔台阶径向尺寸n为30mm，环件锻件外台阶轴向尺寸h为25mm，环件锻件外台阶径向尺寸p为20mm。其步骤如下：

(1)将圆柱形Q345E棒材锯切成料段，料段长度为L＝3.5B＝350mm，B为环形锻件的轴向尺寸，料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定为380mm。

(2)将料段缓慢加热至奥氏体化温度1250℃，奥氏体化保温时间为80分钟，达到设定时间后取出，热变形温度始锻温度1230℃，终锻温度850℃，在此热变形温度区间内经滚圆、镦粗、模锻、冲孔、冲连皮工序锻造制坯；锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度，保证毛坯的轴向尺寸B₀为100mm，毛坯内孔直径d₀为700mm(k＝2)，毛坯内孔台阶轴向尺寸m₀为100mm，内孔台阶径向尺寸n₀为25mm，根据环件锻件体积与毛坯体积相等条件确定毛坯外径D₀为987mm。

(3)将环件毛坯放入加热炉中加热至1250℃，保温35分钟取出，放入径向轧环机闭式孔型内轧制成形，热变形温度始锻温度1220℃，终锻温度850℃，采用的径向进给速度v＝2.8mm/s。其他步骤同实施例1。

(4)锻后热处理由正火、回火组成，正火先加热到610℃保温时间为50分钟，然后再加热到890℃，保温100分钟后出炉，空冷至室温；回火温度为610℃，时间为200分钟，后出炉空冷至室温。

(5)将热处理后锻件用立式车床进行切削加工，达到要求的尺寸。

Claims (8)

1.一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，其特征是按以下步骤实现：

(1)将圆柱形棒材锯切成适当尺寸的料段；

(2)将上述料段加热奥氏体化并保温，在热变形温度区间锻造成轧制用环件毛坯；

(3)将上述环件毛坯加热奥氏体化并保温，放入径向轧环机闭式孔型内轧制成形；

(4)将上述锻件正火、回火热处理；

(5)将上述热处理后锻件经机械切削加工成产品。

2.根据权利要求1所述的一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，其特征是，步骤(1)中所述的下料料段长度为L＝(2～5)B，B为环形锻件的轴向尺寸，料段直径根据环件锻件体积与料段体积相等条件确定。

3.根据权利要求1所述的一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，其特征是，步骤(2)所述奥氏体化温度为1200℃～1250℃，奥氏体化保温时间为90～150分钟，所述锻造热变形温度区间为800℃～1250℃。

4.根据权利要求1所述的一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，其特征是，步骤(2)所述料段经滚圆、镦粗、模锻、冲孔、冲连皮工序，制成轧制用环件毛坯；所述环件毛坯的轴向尺寸为B₀＝B，环件毛坯的内孔直径为d₀＝d/k，轧制比k＝1.5～4，d为环件锻件内孔直径；根据环件锻件内孔台阶尺寸确定毛坯内孔台阶轴向高度m₀＝m，径向高度n₀＝(0.7～1)n，其中m和n分别为环件锻件内孔台阶轴向和径向高度，根据环件锻件体积与环件毛坯体积相等确定环件毛坯外径D₀。

5.根据权利要求1所述的一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，其特征是，步骤(3)所述奥氏体化温度为1200℃～1250℃，奥氏体化保温时间为30～60分钟；径向闭式轧制成形温度区间为850℃～1250℃；轧制采用封闭式孔型，芯辊表面拥有与环件内孔台阶尺寸一致的凹槽，驱动辊表面拥有与环件外台阶尺寸匹配的凸台，径向轧制过程中环件内外台阶同时逐渐地充满孔型；轧制过程设置导向辊，在其表面设凸台，使其与环件的接触面位于环件两个外台阶之间。

6.根据权利要求1所述的一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，其特征是，步骤(3)所述的径向轧制成形，轧制中径向进给速度按下式计算：

式中v为径向进给速度；n₁为驱动辊转速；R₁、R₂分别为驱动辊工作面半径和环件毛坯内孔部分对应的芯辊工作面半径；R和r分别为环件锻件外半径和内半径；f为环件与轧制孔型间的摩擦系数，f＝0.2～0.4。 

7.根据权利要求1所述的一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，其特征是，步骤(4)所述热处理由正火、回火组成，正火先加热到610℃～650℃，保温时间为50～110分钟，然后再加热到880℃～920℃，保温70～180分钟后出炉，空冷至室温；回火温度为570℃～630℃，时间为170～380分钟，后出炉空冷至室温。

8.根据权利要求1所述的一种拥有三个台阶的复杂截面环件径向轧制成形方法，其特征是，步骤(5)所述机械加工所用设备为立式车床。 

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