CN110532729A - 用于三辊轧机装置上的钛合金毛坯无缩孔轧制方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于三辊轧机装置的钛合金毛坯无缩孔轧制方法,包括以下步骤:步骤1:在两台三辊轧机装置上进行实施,采用毛坯端部的半锥角、毛坯初始直径和轧制品棒材最终直径这三个因素;步骤2:借助于有限元分析计算QForm对轧制试验进行模拟;步骤3:测量轧制试验和模拟结果;步骤4:按照全因子程序和回归方程结果进行的研究;步骤5:无缩孔轧制及其在QForm中进行模拟,所述三辊轧机装置包括:机架、主电机、传动机构、底座、推杆和三个轧辊。本发明通过计算和模拟,使用两端带锥形初始毛坯形状在三辊轧机装置轧制的最终半成品棒材没有缩孔,平均减少废料3.2%,节约了轧制成本。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种金属成形领域的技术,具体是一种用于三辊轧机装置的钛合金棒材无缩孔轧制方法。
背景技术
作为目前尖端工业的常用材料,钛材的价格非常昂贵。现有的三辊轧机装置轧制棒材,加工从轧到缩孔深度达20~30mm,因为缩孔就需要切除废料占轧制品质量6.79%,对于1000kg棒材就要切除废料60多公斤,相当于价值15000多元的TC4钛合金。到目前为止,现有技术还不能解决该问题,还没有对防止毛坯缩孔形成定量分析计算并附之实践的具体方案。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种用于三辊轧机装置的钛合金毛坯无缩孔轧制方法,使用两端带锥形初始毛坯形状在三辊轧机装置轧制的最终棒材没有缩孔。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种用于三辊轧机装置的钛合金毛坯无缩孔轧制方法,包括以下步骤:
步骤1:在两台三辊轧机装置上进行实施,采用毛坯端部的半锥角、毛坯初始直径和轧制品棒材最终直径这三个因素;
步骤2:借助于有限元分析计算QForm对轧制试验进行模拟;
步骤3:测量轧制试验和模拟结果;
步骤4:按照全因子程序和回归方程结果进行研究;
步骤5:轧制最小缩孔及其在QForm中进行模拟。
所述的三辊轧机装置包括:机架、主电机、传动机构、底座、推杆和三个轧辊,其中:机架设置于底座上,轧辊自上而下呈三角形对称设置与机架上,推杆设置于轧辊连接三角形输入方向的中心,主电机通过传动装置与轧辊相连。
所述的三辊轧机装置进一步设有升降台。
技术效果
与现有技术相比,本发明通过计算和模拟,使用两端带锥形初始毛坯形状在三辊轧机装置轧制的最终棒材没有缩孔,平均减少废料3.2%,节约了轧制成本。
附图说明
图1为本发明三辊轧机装置轧辊结构示意图;
图中:a规格为10-30,b规格为20-40;
图2为本发明轧制前其中一种规格毛坯示意图;
直径为Ф32mm,顶端半锥角为20°;
图3为本发明计算轧制过程QForm模型;
图中:毛坯1、轧辊2、推杆3;
图4为常规毛坯轧制试验后和QForm软件模拟后毛坯端部缩孔深度图;
图5为实施例中第一次实验用的从Ф28轧到Ф18“0”缩孔毛坯尺寸示意图;
图6为实施例中用图5毛坯最终棒材轧制和模拟结果示意图;
图7为本发明从Ф28轧到Ф18“0”缩孔改进后毛坯尺寸示意图;
图8为本发明端部加工成截锥形0缩孔毛坯轧制结果示意图;
图中:a为前端,b为后端。
具体实施方式
如图3所示,为本实施例涉及的一种三辊轧机装置,包括:机架、主电机、传动机构、底座、推杆3和三个轧辊2,其中:机架设置于底座上,轧辊2自上而下呈三角形对称设置于机架上,推杆3设置于轧辊2连接三角形输入方向的中心,主电机通过传动装置与轧辊相连。
所述的三辊轧机装置进一步设有升降台,用于升降轧件并喂入轧辊。
所述的三个轧辊分别为自上而下设置的上辊、中辊和下辊,中辊的直径对轧机10-30为Ф83,对轧机20-40为Ф90;中辊直径小,以降低轧制压力,易于更换,修磨方便,容易实现控制轧辊辊型,使产品的精度比二辊式高。
所述的主电机采用交流感应电动机,通过带动飞轮减速器来传动以减小电动机的容量。
所述的推杆3采用交流电机式(220/380V)推杆,包括:驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母、导套、推杆、滑座、弹簧、外壳、涡轮和微动控制开关。
所述的主电机经齿轮减速后,带动一对丝杆螺母,将旋转运动变成直线运动,利用电动机正反转完成推杆动作,如通过各种杠杆、摇杆或连杆完成转动、摇动等动作。通过改变杠杆力臂长度,可以增大或加大行程。推杆材料选用经热处理后H13钢,可推动冷热毛坯。
如图1所示,为本实施例中用于三辊轧机装置的辊子主要尺寸,实施钛合金毛坯无缩孔轧制方法,其中包含以下步骤:
步骤1、在两台三辊轧机装置上进行实施,轧机规格分别为10-30和20-40,采用三个因素:毛坯端部的半锥角、毛坯初始直径和轧制品棒材最终直径。
如表1所示,在规格为10-30的三辊轧机装置上采用路线编号为3、4、7、8将初始直径为Ф45mm、Ф32mm的毛坯轧成最终直径为Ф18mm的棒材;在规格为20-40的三辊轧机装置上采用路线编号No.1、2、5、6,轧制毛坯牌号为TC4,将初始直径为Ф45mm、Ф32mm的毛坯轧制成最终直径为Ф24mm的棒材。
如图1a所示,为10-30轧辊尺寸,试验轧制角为20°,每个轧辊旋转轴相对于轧轴位移30mm,轧辊的旋转速度为180r/min。
如图1b所示,为20-40轧辊尺寸,试验轧制角为7°,进给角为18°,轧辊转速为90r/min。
轧制毛坯牌号为TC4,将初始直径为Ф45mm、Ф32mm的毛坯轧制成最终直径分别为Ф18mm的棒材。
Ф45mm、Ф32mm,具有端部半锥角α=20°、α=50°各半,轧制前将毛坯感应加热到1050℃。
表1 轧制路线和8个全因子试验值
步骤2、借助于有限元分析计算QForm对轧制试验进行模拟。如图3所示,在工作环境SolidWorks上建立3D轧辊模型、毛坯和顶杆,将它们组装起来并保存在模型中,打开这种格式的文件由QShape编辑后给出旋转轴轧辊的运动,建立一个轧辊和毛坯有限元的网格,数据都为shl格式;在轧制实验过程中,通过QForm给预定轧辊转速、毛坯和轧辊材料,毛坯温度参数,依据这些参数的值,摩擦因子等于5。
步骤3、测量轧制试验和模拟结果:轧制试验后,根据模拟和轧制试验结果,测量轧制品棒残留的锥体和缩孔,通过比较图4,即毛坯前端和后端突出到棒材端部外面或缩孔到内部。垂直轴正值表示轧制的锥体毛坯有向端部锥体更深处形成缩孔,在负值时端部锥体向外突出。
步骤4、按照全因子程序和回归方程结果进行的分析研究,已知毛坯与轧制品端部锥角的初始和最终直径,通过计算端部缩孔深度的方程求解。根据一批轧制品棒统计研究结果确认,轧制品棒前端和后端部缩孔深度变化范围在18~30mm,前端比后端深1~3mm,找到不同的经验公式计算前端和后端面的缩孔,具体为:
yq=8.59-0.51D-1.59d-0.75αq+0.032Dαq+0.02dαq (1)
yh=-55.29+1.05D+0.75d+0.38αh-0.05Dd+0.009Dαh (2)
其中:yq为前端缩孔深度,mm;yh为后端缩孔深度,mm;D为毛坯直径,mm;d为轧制品棒直径,mm;αq为毛坯前端锥角;αh为毛坯后端锥角。
如表2、3所示,为轧制后缩孔深度值与按照回归方程计算数据比较,由计算结果可得,前后端部缩孔是不同的。
表2 回归方程计算前端缩孔深度结果的误差评价
按照模拟计算值/mm | 按照试验结果值/mm | 结果误差/% |
5.98 | 6 | 0.33 |
-8.19 | -8 | 2.37 |
9.52 | 9.5 | 0.21 |
-4.65 | -4.5 | 3.33 |
-29.12 | -29 | 0.41 |
-30.81 | -30.75 | 0.20 |
-21.98 | -22 | 0.09 |
-23.67 | -23.5 | 0.72 |
注:正值表示轧制的锥体毛坯有向端部锥体更深处形成缩孔,在负值时端部锥体向外突出。
表3 回归方程计算后端缩孔深度结果的误差评价
按照模拟计算值,mm | 按照试验结果值,mm | 结果误差,% |
-5.03 | -5 | 0.60 |
-8.93 | -8 | 11.63 |
4.03 | 5 | 19.40 |
-3.77 | -3.5 | 7.71 |
-28.58 | -28 | 2.07 |
-28.97 | -29 | 0.10 |
-19.52 | -19.5 | 0.10 |
-23.81 | -23 | 3.52 |
注:正值表示轧制的锥体毛坯有向端部锥体更深处形成缩孔,在负值时端部锥体向外突出。
步骤5、轧制最小缩孔及其在QForm中进行模拟:
根据回归方程,轧制品棒材前后端缩孔深度都为0,在端部半锥角αq、αh保证缩孔深度为0:
由计算可得:毛坯TC4钛合金管由直径Ф28mm轧制到Ф18mm,需要前顶锥角为 后锥角为如图5所示。在规格为20-40上的轧机也可以进行制造并在QForm中模拟过程,前端和后端缩孔深度图和突出锥体值如图6所示。遗憾的是,没有成功获得平的端面(图6)。
为解决该问题,经过反复摸索,将图5毛坯改成截锥形(图7)进行试制和模拟,取得成功。
两个端面只需分别车去不大于1mm即可得到完全平整端面(图8)。
从图4数据分析时明确看得出轧制试验与模拟结果差别:在轧制毛坯具有αq、αh=20°时误差不超过10%;在αq、αh=50°那个时候误差1.5~2倍多。造成这种偏差,全部由于在轧制时毛坯端部锥形体积偏差。在试验条件下,端部锥体作为外部区域作用,在纵向轧制条件下外部区域越大,对变形过程影响越大。对于锥体体积由Ф45毫米轧到Ф35毫米在αq、αh=20°时比在αq、αh=50°时大2.3倍。可以预期在αq、αh=20°时,对外部区域影响将减小毛坯表层和内部变形程度的差,那个时候,在αq、αh=50°时这将导致变形程度小得多。本实施例中优选采用锥角αq、αh=20°。
获得的回归方程可计算半成品棒前端和后端缩孔深度;可以计算出“0”缩孔毛坯关键尺寸。这些毛坯可以用于规格为10-30和20-40的三辊轧机装置,并节省切除废料。
根据轧制实验统计,平均减少废料3.2%,对TC4钛合金,1吨棒材可节省1万元。在规格为10-30和20-40的三辊轧机装置上轧制试验表明,切除废料是惊人的,如下表。
表4
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种用于三辊轧机装置的钛合金毛坯无缩孔轧制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:在两台三辊轧机装置上进行实施,采用毛坯端部的半锥角、毛坯初始直径和轧制品棒材最终直径三个因素;
步骤2:借助于有限元分析计算QForm对轧制试验进行模拟;
步骤3:测量轧制试验和模拟结果;
步骤4:按照全因子程序和回归方程结果进行的研究;
步骤5:轧制品无缩孔及其在QForm中进行模拟。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述的步骤1中三辊轧机装置的规格分别为10-30和20-40,在规格为10-30的三辊轧机装置上将毛坯扎成随后路线编号为3、4、7、8,其余编号1、2、5、6使用规格为20-40的三辊轧机装置。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征是,所述的10-30规格的三辊轧机装置,试验轧制角为20°,每个轧辊旋转轴相对于轧轴位移30mm,轧辊的旋转速度为180r/min;
所述的20-40规格的20-40三辊轧机装置,试验轧制角为7°,进给角为18°,轧辊转速为90r/min。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述的轧制毛坯牌号为TC4,具有端部半锥角α=20°,轧制前将毛坯感应加热到1050℃。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述的步骤2具体为:在工作环境SolidWorks上建立3D轧辊模型、毛坯和顶杆,将它们组装起来并保存在模型中,打开这种格式的文件由QShape编辑后给出旋转轴轧辊的运动,建立一个轧辊和毛坯有限元的网格,数据都为shl格式;在轧制实验过程中,通过QForm给定轧辊转速、毛坯和轧辊材料,毛坯温度参数,依据这些参数的值,摩擦因子等于5。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述的步骤3具体为:轧制试验后,根据模拟和轧制试验结果,测量轧制品棒残留的锥体和缩孔。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述的步骤4中已知毛坯与轧制品端部锥角的初始和最终直径,通过计算端部缩孔深度的方程求解,具体为:
yq=8.59-0.51D-1.59d-0.75αq+0.032Dαq+0.02dαq;
yh=-55.29+1.05D+0.75d+0.38αh-0.05Dd+0.009Dαh;
其中:yq为前端缩孔深度,mm;yh为后端缩孔深度,mm;D为毛坯直径,mm;d为轧制品棒直径,mm;αq为毛坯前端锥角;αh为毛坯后端锥角。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述的步骤5中,根据回归方程,轧制品棒材前后端缩孔深度都为0,在端部半锥角αq、αh保证缩孔深度为0,具体为:
9.根据权利要求1所述的方法,其特征是,所述的三辊轧机装置包括:机架、主电机、传动机构、底座、推杆和三个轧辊,其中:机架设置于底座上,轧辊自上而下呈三角形对称设置于机架上,推杆设置于轧辊连接三角形输入方向的中心,主电机通过传动装置与轧辊相连。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征是,所述的三辊轧机装置进一步设有升降台。
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张晓英: "无端头凹心楔横轧件精确成形机理数值模拟", 《锻压技术》 * |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111014286A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-17 | 西安圣泰金属材料有限公司 | 一种基于织构调控的高扭转性能钛合金丝制备方法 |
CN111014286B (zh) * | 2019-12-12 | 2022-04-26 | 西安圣泰金属材料有限公司 | 一种基于织构调控的高扭转性能钛合金丝制备方法 |
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CN110532729B (zh) | 2023-02-21 |
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Denomination of invention: Non shrinkage rolling method for titanium alloy billets used on a three roll rolling mill device Effective date of registration: 20231019 Granted publication date: 20230221 Pledgee: Meixi Branch of Zhejiang Anji Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: ZHEJIANG SHENJI TITANIUM INDUSTRY Co.,Ltd. Registration number: Y2023330002372 |