CN110479923B - 大型薄壁外t形环状构件约束径轴向轧制成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，包括以下步骤：S1、将环形预制坯置于约束模内部，环形预制坯底面与约束模内部下端面接触，径向进给轧辊置于环形预制坯内部；S2、径向轧制阶段；轧制开始后，约束模带动环形预制坯以转速ω₁绕约束模轴线匀速转动，径向进给轧辊以转速ω₂绕自身轴线转动同时沿径向以速度v₁做进给运动，轴向进给轧辊以转速ω₃绕自身轴线匀速转动且其不做平动运动；S3、轴向轧制阶段；约束模继续以转速ω₁绕其轴线匀速转动，径向进给轧辊位置保持固定，轴向进给轧辊绕自身轴线匀速转动的同时开始沿轴向以速度v₂向下进给；S4、脱模阶段。本发明实现了大型薄壁复杂环状构件高性能、高效率、低成本近净成形制造。

Description

大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法

技术领域

本发明涉及大型环件成形制造领域，更具体地说，涉及一种大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法。

背景技术

大型薄壁外T形环状构件是航空、航天、舰船、风电、武器装备等领域关键构件，如何高性能、高效率、低成本制造大型薄壁外T形环状已成为国际重大装备制造技术研究的热点。大型薄壁外T形环状构件壁厚薄、轴向高度大、直径大、几何尺寸极端。目前，该类复杂薄壁构件主要采用机械加工和焊接加工等方法进行制造。机械加工方法是先将大型复杂薄壁外T形环状构件简化为简单厚壁矩形环件，再通过普通环件轧制成形工艺成形该矩形环件，最后将该矩形环件机械加工出目标大型薄壁外T形环状构件。机械加工方法材料利用率低、效率低、成本高，且机械加工去除了轧制成形形成的细晶组织，切断了轧制成形形成的连续金属流线，难以满足外T形环状构件组织性能和力学性能要求。焊接加工方法不能制造整体大型薄壁外T形环状构件，只能将分开制造的构件内壁和环形凸台进行焊接，从而极大地削弱了外T形环状构件力学性能。因此，现有的机械加工和焊接加工方法不能满足大型薄壁外T形环状构件高性能、高效率、低成本制造要求。

约束径轴向轧制成形是通过约束模约束环状构件外径保持不变，并在约束模、径向进给轧辊、轴向进给轧辊的协同作用下成形出大型复杂薄壁环状构件。约束径轴向轧制成形是连续局部塑性成形，成形力小、能耗低。由于环形构件受约束模约束，有利于金属的定向充填，可以成形出复杂薄壁环状构件，且成形精度高。同时，轴向进给轧辊与约束模和径向进给轧辊完全分离且位于约束模一侧，径向运动灵活，有利于实现大型环状构件轧制成形。且轴向进给轧辊尺寸远小于大型环状构件尺寸，可以实现小模具轧制成形大型环状构件。因此，约束径轴向轧制成形方法可以实现大型复杂薄壁环状构件高性能、高效率、低成本近净成形制造。目前，国内外还没有关于约束径轴向轧制成形技术的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，实现了大型薄壁复杂环状构件高性能、高效率、低成本近净成形制造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，包括以下步骤：

S1、将环形预制坯置于约束模内部，环形预制坯底面与约束模内部下端面接触，径向进给轧辊置于环形预制坯内部，径向进给轧辊外表面与预制坯内表面相切，径向进给轧辊底面与预制坯底面相平；轴向进给轧辊端面与预制坯外表面相切，其轴线距离约束模上表面高度大于外T形环状构件凸台高度；

S2、径向轧制阶段；轧制开始后，约束模带动环形预制坯以转速ω₁绕约束模轴线匀速转动，径向进给轧辊以转速ω₂绕自身轴线转动同时沿径向以速度v₁做进给运动，轴向进给轧辊以转速ω₃绕自身轴线匀速转动且其不做平动运动，在径向进给轧辊、约束模和轴向进给轧辊的共同作用下，环形预制坯壁厚减薄，轴向高度增大，并产生一定高度的环形凸台；当其轴向高度达到预设尺寸后，径向进给轧辊停止径向进给运动；其中约束模带动环形预制坯转动的方向与径向进给轧辊绕自身轴线转动的方向相同；轴向进给轧辊与环形预制坯的转动方向满足啮合转动关系；

S3、轴向轧制阶段；约束模继续以转速ω₁绕其轴线匀速转动，径向进给轧辊位置保持固定，轴向进给轧辊绕自身轴线匀速转动的同时开始沿轴向以速度v₂向下进给；在径向进给轧辊、约束模和轴向进给轧辊的共同作用下，步骤S2中形成的环形凸台高度降低，金属开始沿径向流动使其直径增大；当凸台高度和直径达到预设尺寸时，轴向进给轧辊停止进给，约束模、径向进给轧辊和轴向进给轧辊都停止转动，径向进给轧辊后退，轴向进给轧辊径向向外运动脱离成形构件；

S4、脱模阶段；由分布在约束模下端的脱模顶杆推动已成形的构件向上运动与约束模分离，获得外T形环状构件。

上述方案中，所述环形预制坯外径D₂与目标环状构件外径相同，内径D₁由径向轧比λ确定为：

D₁＝λ*d₁ (1)

D₂＝d₂ (2)

轴向高度H为：

其中，d₁为外T形环状构件内直径，d₂为外T形环状构件下半部分外径，d₃为外T形环状构件最大端直径，d₄为外T形环状构件上半部分外径，h₁为外T形环状构件下半部分高度，h₂为凸台高度，h₃为外T形环状构件上半部分高度。λ通过计算确定，保证S2中环形预制坯径向壁厚S3中轴向环形凸台压缩不失稳。

上述方案中，所述约束模为阶梯形环件，阶梯内表面和目标外T形环状构件下半部分外表面匹配，阶梯内表面水平部分径向厚度大于对应的环形预制坯壁厚，保证环形预制环坯完全放置于该阶梯形约束模中，约束模轴向高度大于目标外T形环状构件高度，约束模底部外径大于目标外T形环状构件最大外径，约束模底部有多个呈圆周分布的通孔，所述通孔用于安装脱模顶杆。

上述方案中，约束模转速ω₁与径向进给轧辊转速ω₂之间的关系为：

约束模转速ω₁与轴向进给轧辊转速ω₃之间的关系为：

其中，r₁为径向进给轧辊半径，r₂为轴向进给轧辊大端半径。

上述方案中，所述轴向进给轧辊为阶梯圆轴，其轴线水平，其大端为参与轴向轧制成形的工作部分，其小端为与夹具相连的连接部分，轴向进给轧辊与约束模完全分离，轴向进给轧辊大端直径大于目标外T形环状构件上半部分高度，大端轴向高度大于目标外T形环状构件凸台径向厚度。

实施本发明的大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，具有以下有益效果：

1、本发明约束径轴向轧制成形方法可以实现大型薄壁外T形环状构件近净成形制造，通过连续局部塑性成形，成形力小、材料利用率高、效率高、清洁，是绿色制造新方法。

2、大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法中轴向进给轧辊尺寸远小于环状构件尺寸，可以实现小模具成形大型环状构件，成本低。

3、大型薄壁外T形环状构件约束轧制成形方法可以细化内部晶粒组织，可以形成沿轮廓连续分布的金属流线，因此可以提高大型薄壁外T形环状构件组织性能和力学性能。

4、轴向进给轧辊与约束模和径向进给轧辊完全分离且位于约束模一侧，径向运动灵活，该方法工艺柔性高，可以成形不同规格的大型环状构件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为约束径轴向轧制成形结构示意图；

图2为径向轧制过程示意图；

图3为轴向轧制过程示意图；

图4为目标外T形环状构件纵截面示意图；

图5为环形预制坯纵截面示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法包括以下步骤：

(1)轧制初始位置的确定。如图1所示，环形预制坯1放于约束模4中，毛坯底面与约束模4表面相平。径向进给轧辊2外表面与毛坯内表面相切，底面与毛坯相平。轴向进给轧辊3端面与环形预制坯1相切，其轴线距离约束模4上表面50mm。

(2)约束径轴向轧制成形过程。约束径轴向轧制成形方法主要由三个阶段构成，第一阶段径向轧制阶段，第二阶段轴向轧制阶段，第三阶段脱模阶段。

(3)第一阶段径向轧制阶段。如图2所示，轧制开始后，约束模4带动环形预制坯1以转速ω₁绕毛坯轴线匀速运动。径向进给轧辊2以转速ω₂绕自身轴线匀速转动，同时沿径向以速度v₁做进给运动，在径向进给轧辊2、约束模4和轴向进给轧辊3的共同作用下，一部分金属沿轴向流动，使轴向高度升高，另一部分金属沿着径向流动，产生一定厚度的环形凸台。当轴向高度达到预设尺寸后，径向进给轧辊2停止径向进给运动。

(4)第二阶段轴向轧制阶段。如图3所示，轴向进给轧辊3开始以转速ω₃绕自身轴线匀速转动，并沿着轴向以速度v₂向下进给。在轴向进给轧辊3和约束模4上表面的作用下，步骤(2)中形成的凸台的轴向金属开始沿径向流动，使环形凸台的高度降低，同时凸台直径增大。当凸台高度和直径达到预设尺寸时，约束模4、径向进给轧辊2和轴向进给轧辊3都停止转动，径向进给轧辊2向中心移动，轴向进给轧辊3开始沿着轴向外运动，离开约束模4。

(5)第二阶段脱模阶段。最后，由分布在约束模4下端的4个脱模顶杆5推动已成形的环件向上运动，与约束模4分离，得到外T形环件。

(6)环形预制坯1的设计。方案(1)中的环形预制坯1可由传统的环件轧制方法得到。如图4所示，其外径D₂与目标环件相同，内径D₁由径向轧比λ确定为：

D₁＝λ*d₁ (1)

D₂＝d₂ (2)

轴向高度H为：

其中，d₁为外T形环件内直径，d₂为外T形环件下半部分外径，d₃为外T形环件的最大端直径。d₄为外T形环件上半部分外径。h₁为外T形环件下半部分高度，h₂为T形凸台高度，h₃为外T形环件上半部分高度。

在本实例中，大型薄壁外T形环状构件的尺寸如下：d₁＝2980mm，d₂＝3000mm，d₃＝3200mm，d₄＝3000mm h₁＝200mm，h₂＝20mm，h₃＝200mm，λ＝0.97。

因此，如图5所示，环形预制坯1的尺寸可以确定为：

D₁＝2890.6mm，D₂＝3000mm，H＝138.4mm。

(7)约束模4的设计。方案(1)中的约束模4是一个阶梯形环件。内径为2800mm，外径为3500mm，高度为450mm。阶梯部分外径为3000mm，阶梯高度为200mm。

(8)脱模顶杆5的设计。4个脱模顶杆5放置于约束模4底部的4个圆孔中。脱模顶杆5直径与约束模4底部圆孔直径相同为8mm。在轧制成形过程中，脱模顶杆5顶端与约束模4端面保持水平，在轧制成形结束后，脱模顶杆5向上运动将已成形的环坯顶出约束模4。

(9)径向进给轧辊2的设计。方案(1)中的径向进给轧辊2是一个绕自身轴线做圆周运动，同时能沿径向运动的圆轴，其直径为200mm，轴向高度为700mm。

(10)轴向进给轧辊3的设计。方案(1)中的轴向进给轧辊3是一个绕自身轴线做圆周运动的阶梯圆轴，其轴线水平。小端为连接部分，与夹具相连，直径为20mm。大端为工作部分，参与轧制成形。其大端直径为220mm。轴向高度为150mm。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将环形预制坯置于约束模内部，环形预制坯底面与约束模内部下端面接触，径向进给轧辊置于环形预制坯内部，径向进给轧辊外表面与预制坯内表面相切，径向进给轧辊底面与预制坯底面相平；轴向进给轧辊端面与预制坯外表面相切，其轴线距离约束模上表面高度大于外T形环状构件凸台高度；

S2、径向轧制阶段；轧制开始后，约束模带动环形预制坯以转速ω₁绕约束模轴线匀速转动，径向进给轧辊以转速ω₂绕自身轴线转动同时沿径向以速度v₁做进给运动，轴向进给轧辊以转速ω₃绕自身轴线匀速转动且其不做平动运动，在径向进给轧辊、约束模和轴向进给轧辊的共同作用下，环形预制坯壁厚减薄，轴向高度增大，并产生一定高度的环形凸台；当其轴向高度达到预设尺寸后，径向进给轧辊停止径向进给运动；其中约束模带动环形预制坯转动的方向与径向进给轧辊绕自身轴线转动的方向相同；轴向进给轧辊与环形预制坯的转动方向满足啮合转动关系；

S3、轴向轧制阶段；约束模继续以转速ω₁绕其轴线匀速转动，径向进给轧辊位置保持固定，轴向进给轧辊绕自身轴线匀速转动的同时开始沿轴向以速度v₂向下进给；在径向进给轧辊、约束模和轴向进给轧辊的共同作用下，步骤S2中形成的环形凸台高度降低，金属开始沿径向流动使其直径增大；当凸台高度和直径达到预设尺寸时，轴向进给轧辊停止进给，约束模、径向进给轧辊和轴向进给轧辊都停止转动，径向进给轧辊后退，轴向进给轧辊径向向外运动脱离成形构件；

S4、脱模阶段；由分布在约束模下端的脱模顶杆推动已成形的构件向上运动与约束模分离，获得外T形环状构件。

2.根据权利要求1所述的大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，其特征在于，所述环形预制坯外径D₂与目标环状构件外径相同，内径D₁由径向轧比λ确定为：

D₁＝λ*d₁ (1)

D₂＝d₂ (2)

轴向高度H为：

其中，d₁为外T形环状构件内直径，d₂为外T形环状构件下半部分外径，d₃为外T形环状构件最大端直径，d₄为外T形环状构件上半部分外径，h₁为外T形环状构件下半部分高度，h₂为凸台高度，h₃为外T形环状构件上半部分高度。

3.根据权利要求1所述的大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，其特征在于，所述约束模为阶梯形环件，阶梯内表面和目标外T形环状构件下半部分外表面匹配，阶梯内表面水平部分径向厚度大于对应的环形预制坯壁厚，保证环形预制环坯完全放置于该阶梯形约束模中，约束模底部外径大于目标外T形环状构件最大外径，约束模底部有多个呈圆周分布的通孔，所述通孔用于安装脱模顶杆。

4.根据权利要求2所述的大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，其特征在于，所述轴向进给轧辊为阶梯圆轴，其轴线水平，其大端为参与轴向轧制成形的工作部分，其小端为与夹具相连的连接部分，轴向进给轧辊与约束模完全分离，轴向进给轧辊大端直径大于目标外T形环状构件上半部分高度，大端轴向高度大于目标外T形环状构件凸台径向厚度。

5.根据权利要求4所述的大型薄壁外T形环状构件约束径轴向轧制成形方法，其特征在于，约束模转速ω₁与径向进给轧辊转速ω₂之间的关系为：

约束模转速ω₁与轴向进给轧辊转速ω₃之间的关系为：

其中，r₁为径向进给轧辊半径，r₂为轴向进给轧辊大端半径。

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