CN111331063B - 一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内外表面皆为异形的复杂齿轮坯锻件冷轧制成形的方法。其特征在与它包括如下步骤：(1)环坯设计：根据锻件的几何形状特点和轧制变形金属流动规律，基于稳定接触条件和等体积分配原则，确定环坯的形状和尺寸。(2)轧辊孔型设计：根据锻件外表面几何尺寸匹配设计驱动辊孔型尺寸，根据锻件内表面几何尺寸匹配设计芯辊孔型尺寸，根据环坯尺寸、冷轧变形条件和设备参数综合设计驱动辊和芯辊工作面径向尺寸；(3)冷轧成形过程规划，合理控制各阶段变形量和轧制速度。该方法采用连续局部塑性变形可显著降低成形力能，改善材料内部组织，提高产品力学性能。通过合理设计冷轧成形工艺，可以获得高的产品成形精度，避免碟形、充不满、毛刺、凹坑等成形缺陷。

Description

一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法

技术领域

本发明属于塑性加工技术领域，具体涉及一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧成形的方法。

背景技术

齿轮坯锻件通常为外表面中间带截面突变程度大的锥形凸台、内表面有内台阶的异形截面锻件。目前采用的生产工艺流程为：棒料下料-加热-自由锻锤制坯-模锻锤终锻成形-正火-切边压力机切边、冲孔。其中模锻工艺在加工过程中产生很大的飞边，需要在后面加上切除飞边的工艺，增加了工时，耗费人力、物力，造成金属材料的浪费，材料的利用率降低，成本提高；且模锻过程是对锻件的整体成形，选用的设备吨位较大，尤其是齿轮坯整体锻造成形力能大、能耗高。锻件是一种先进的局部塑形变形工艺，毛坯在由驱动辊与芯辊所构成的孔型中发生局部塑性变形而产生整体的壁厚减小，直径扩大，截面轮廓成形。由于是局部塑形变形，所以锻件轧制选用的设备吨位较整体模锻显著减小设备能耗低。且通过塑性变形强化，可有效改善材料内部组织，提高产品力学性能但由于该类齿轮坯外形复杂，造成近净冷轧工艺难度大，若工艺参数设计不当，易出现碟形、充不满、毛刺、凹坑等成形缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法，本发明可有效避免碟形、充不满、毛刺、凹坑成形缺陷，提高产品制造精度，保证产品合格率。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、环坯设计

先根据环坯与轧辊的接触方式及金属的流动规律，确定环坯形状；再根据环坯与锻件的轴向体积分配原则，初选环坯尺寸；最后根据环坯与锻件体积相等原则，确定环坯最终尺寸；锻件毛坯形状与尺寸确定过程如下：

(1)确定环坯形状

锻件为外表面中间带截面突变程度大的锥形凸台、内表面有内台阶的异形截面锻件；将驱动辊的型腔形状设计成与锻件的外表面一致，芯辊的型腔形状设计成与锻件的内表面一致；为了保证在轧制开始时的稳定接触及制坯的方便性，环坯与驱动辊的型腔为三点接触，环坯与芯辊的型腔为上端面的线接触和凸台处的一点接触，将环坯外表面设计成上下带锥度的凸台截面，内表面设计成直壁和带有锥度的孔型；

(2)初选环坯尺寸

a)选择当量轧比

为了使锻件具备相应的冷轧性能，应保证轧制过程中的变形量，以锻件(即：目标零件)小孔内径d₁与环坯小孔内径d₀₁之比为当量轧比K，即

通常取当量轧比K＝1.3～2；

b)设计环坯内表面尺寸

首先根据锻件总高度H确定环坯(或称毛坯)内表面锥面高度H₀₄＝H-a-b-H₀₅,其中a为环坯上端面与芯辊端面间隙，b为环坯下端面与芯辊端面的间隙，H₀₅为冲孔连皮的厚度，H₀₅通常取5～8mm；H为锻件总高度；H₀₄为毛坯内表面锥面高度；

根据当量轧比可确定毛坯锥形孔最小直径

其中d₁为锻件小孔内径,K为当量轧比；

根据毛坯内表面与芯辊的点接触要求，确定毛坯锥形孔最大直径

其中d₁、d₃为锻件(锻件即为：环件)小孔、大孔内径，H₅、H₆为锻件小孔、锥形孔高度；H₀₅为冲孔连皮的厚度，H₀₅通常取5～8mm；H为锻件总高度；a为环坯上端面与芯辊端面间隙，b为环坯下端面与芯辊端面的间隙；

c)设计环坯外表面尺寸

由环坯的上锥面与驱动辊为两点接触，及环坯与锻件在H₀₁高度上体积相等，确定环坯的最大外径D₀₁、环坯的上锥面外径D₀₂；由环坯的下锥面与驱动辊为一点接触，及环坯与锻件在高度H₀₆上体积相等，确定环坯的下锥面外径D₀₃；

根据环坯的上锥面高度H₀₁处环坯体积V₀₁与锻件高度H₁₁处体积V₁相等，即V₀₁＝V₁；联立方程组，可求出环坯上锥面直径D₀₁、D₀₂；

其中，H₀₁为环坯的上锥面高度，

H₀₅为冲孔连皮的厚度，通常取5～8mm；d₀₁为环坯小孔内径；d₀₄为环坯在H₀₁处的内径，d₁为锻件小孔内径,D₁为锻件上端面外径，D₂为锻件在H₁高度处外径，D₆为锻件在H₁₁高度处外径，H₁为锻件上台阶的高度；a为环坯上端面与芯辊端面间隙；D₀₁为环坯的最大外径，D₀₂为环坯的上锥面外径；α为锻件在凸台处与竖直方向所成的角度；θ为毛坯上锥面与水平方向所成的角度；

根据环坯在下锥面在高度H₀₆处体积V₀₂与锻件高度H₄处体积V₂相等，即V₂＝V₀₂，联立方程组，求出环坯的下锥面外径D₀₃；

其中，D₀₃为环坯的下锥面外径，

D₀₄为下锥面在高度H₀₆处的外径，D₀₄＝D₀₁+D₄-D₂-2tanα(H₀₁+a-H₁)；γ为环坯的下锥角，

H₄为锻件下台阶的高度，D₃为锻件的最大外径，D₄为锻件在H₄高度处外径，D₅为锻件下端面的外径，D₀₁为环坯的的最大外径，H₀₂为环坯下锥面轴向高度，

H₀₆为环坯与锻件高度H₄相同高度处；b为环坯下端面与芯辊端面的间隙；d₀₂为环坯锥形孔大径；d03为环坯锥形孔在H₀₆高度处直径；d₃为锻件的最大内径；

(3)修正环坯尺寸

根据环坯与锻件的轴向体积分配原则，初选环坯的外径尺寸D₀₁、D₀₂、D₀₃，最后根据环坯与锻件体积相等原则，确定环坯最终尺寸

根据环坯总体积V_总与锻件总体积V相等，即V_总＝V，联立方程组，可计算出k值，k为环坯的外径修正值；

其中：D₀₁为环坯的最大外径，D₀₂为环坯的上锥面外径，D₀₃为环坯的下锥面外径；H₀₁为环坯的上锥面高度，H₀₂为环坯的下锥面高度，H₀₃为环坯凸台高度，H₀₄为环坯内表面锥形孔的高度，H₀₅为冲孔连皮的厚度，通常取5～8mm；D₁为锻件上端面的外径，D₂为锻件H₁高度处外径，D₃为锻件最大外径，D₄为锻件在H₄高度处外径，D₅为锻件下端面外径，d₁为锻件最小内径，d₂为锻件在H₇高度处内径，d₃为锻件的最大内径，H₁为锻件的上台阶高度，H₂为锻件的凸台锥面高度，H₃为锻件的凸台直壁高度，H₄为锻件的下台阶高度，H₅为锻件内表面直壁小孔的高度，H₆为锻件内表面锥形孔的高度，H₇为锻件内表面直壁大孔的高度；d₀₁为环坯小孔内径；d₀₂为环坯锥形孔大径；

修正后的环坯的上锥面最大外径：

修正后的环坯的上锥面外径:

修正后的环坯的下锥面外径:

本齿轮坯锻件选用材料为20CrMnTi，将下料后的棒料加热、墩粗、模内成形、切边、冲孔、冲连皮，制备异形的环坯；

2)、轧辊孔型设计

根据锻件的形状和尺寸，再结合轧环机的结构要求，设计驱动辊和芯辊的孔型和尺寸；驱动辊设计成带上下端面的封闭孔型，孔型与锻件的外表面对应；芯辊设计成带上下端面的封闭孔型，孔型与锻件的内表面对应；

a)轧辊孔型型腔尺寸

根据锻件内表面直壁小孔高度H₅、内表面锥形孔高度H₆、内表面直壁大孔高度H₇，确定芯辊凸台高度B_i1和孔型总高度B_i2，B_i1＝H₇+(0～0.2)mm，B_i2＝H₅+H₆+H₇；

根据锻件的最小内半径r₁和最大内半径r₃，确定芯辊台阶长度L_i，L_i＝r₃-r₁；

根据锻件的上台阶高度H₁、锻件的凸台锥面高度H₂、锻件的凸台直壁高度H₃、锻件的下台阶高度H₄，确定驱动辊孔型内上台阶高度H_d1、凸台锥面高度H_d2、凸台直壁高度H_d3、下台阶高度H_d4，H_d1＝H₁-(0～0.2)mm，H_d2＝H₂+(0～0.2)mm，H_d3＝H₃+(0～0.2)mm，H_d4＝H₄-(0～0.2)mm；驱动辊的总高度H_d，H_d＝H_d1+H_d2+H_d3+H_d4+(20～30)mm；

根据锻件外径尺寸上端面外径D₁、H₁高度处外径D₂，最大外径D₃、H₄高度处外径D₄，下端面外径D₅，确定驱动辊台阶长度：H_d2锥面长度L_d1、上台阶长度L_d2、下台阶长度L_d3、H_d4锥面长度L_d4，

为避免轧制过程中的宽展，取驱动辊上端宽度

芯辊上端宽度

其中D₁为锻件上端面外径，d₁为锻件小孔内径；芯辊下端宽度

d₃为锻件的最大内径；

根据锻件内表面的轴向高度确定芯辊孔型的轴向高度，芯辊孔型凸台高度与锻件的内表面直壁大孔高度相等，即B_i1＝H₇；芯辊孔型总高度与锻件的总高度相等，即B_i2＝H；H₇为锻件内表面直壁大孔的高度；H为锻件总高度；

b)轧辊工作面径向尺寸

轧辊工作面尺寸需要既满足咬入、锻透条件，又满足空间结构要求；驱动辊线速度V_d通常为1.1～1.6m/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，n为电机转速，η为传动比，n、η由设备参数确定，

为了使锻件既能连续咬入孔型，又能锻透，芯辊最小工作面半径R_i应满足如下条件:

其中，R_i为芯辊最小工作面半径；β＝arctanμ为摩擦角，μ为摩擦系数通常取0.15～0.2，R₃为锻件最大外半径，

r₁为锻件最小内半径，

为确保芯辊能够顺利放入环坯的内孔，芯辊的最大外径应比环坯内孔的最小内径至少小3mm，即

根据轧环机的结构要求，在轧制开始时，驱动辊与芯辊之间的距离不得大于轧环机的最大中心矩；在驱动辊与芯辊完全闭合时，两辊的中心矩不得小于轧环机的最小中心距；

即

其中，L_max和L_min为轧环机允许的最大和最小闭合中心距；

3)冷轧成形过程规划

根据轧制过程中的锻件与轧辊接触和自身变形状态，将轧制过程分为五个阶段：接触稳定阶段、孔型填充阶段、锻件直径扩大阶段、定径阶段、整圆阶段，每一阶段变形量和变形速度需协调匹配，保证平稳精确轧制成形；再结合轧环机的设备参数，确定驱动辊的转速和芯辊的进给速度；

为满足咬入与锻透体积，要求V_min≤V_进≤V_max，

V_min为满足咬入和锻透条件下的最小进给速度，V_进为进给速度，V_max为满足咬入和锻透条件下的最大进给速度，R₁为驱动辊最小半径，R₂为芯辊的最小半径，R为环坯的最大外半径，r为环坯的最大内半径,n_d为驱动辊的转速；总进给量ΔH为环坯的壁厚减少量，在接触稳定阶段，环坯与轧辊之间由点接触到面接触，进给量

进给速度

进给时间

在孔型填充阶段，进给量ΔH₂＝(0.45～0.55)(ΔH-ΔH₁),采用中速进给，进给速度

进给时间

在直径扩大阶段，进给量ΔH₃＝(0.35～0.45)(ΔH-ΔH₁),采用高速进给，进给速度

进给时间

在定径阶段进给量ΔH₄＝0.05(ΔH-ΔH₁)，进给速度V₄＝0.1mm/s，进给时间

在整圆阶段进给量ΔH₅＝0，进给速度V₅＝0，进给时间取0.5～2s；

将加工好的锻件环坯放入轧环机孔内。

本发明的有益效果是：采用锻件冷轧工艺加工复杂齿轮坯锻件，通过对环坯设计和轧辊孔型设计及冷轧成形过程规划，通过合理设计冷轧成形环坯和轧辊的形状尺寸，协调规划冷轧成形过程参数，可获得形状简单、制坯方便的环坯。并且环坯初始体积分配合理，能够消除锻件的毛刺、鱼尾、碟形、凹坑、充不满等缺陷，提高产品制造精度，保证产品合格率，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是本发明目标零件(即锻件)的结构与尺寸示意图。

图2(a)是本发明的原理示意图。图2(b)是图2(a)的截面效果图。

图3是本发明的环坯示意图。

图4是本发明的驱动辊结构示意图。

图5是本发明的芯辊结构示意图。

图6是本发明的成形过程进给量与进给速度控制曲线图。

图2(a)中标记：1-驱动辊，2-芯辊，3-锻件，4-导向辊，V表示芯辊速度，nd表示驱动辊转速。

图6中标记：①低速轧制阶段，②中速轧制阶段，③高速轧制阶段，④定径阶段。

具体实施方式

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、环坯设计

先根据环坯与轧辊的接触方式及金属的流动规律，确定环坯形状；再根据环坯与锻件的轴向体积分配原则，初选环坯尺寸；最后根据环坯与锻件体积相等原则，确定环坯最终尺寸；锻件毛坯形状与尺寸确定过程如下：

(2)确定环坯形状

锻件为外表面中间带截面突变程度大的锥形凸台、内表面有内台阶的异形截面锻件；将驱动辊的型腔形状设计成与锻件的外表面一致，芯辊的型腔形状设计成与锻件的内表面一致；为了保证在轧制开始时的稳定接触及制坯的方便性，环坯与驱动辊的型腔为三点接触，环坯与芯辊的型腔为上端面的线接触和凸台处的一点接触，将环坯外表面设计成上下带锥度的凸台截面，内表面设计成直壁和带有锥度的孔型；

(2)初选环坯尺寸

a)选择当量轧比

为了使锻件具备相应的冷轧性能，应保证轧制过程中的变形量，以锻件(即：目标零件)小孔内径d₁与环坯小孔内径d₀₁之比为当量轧比K，即

通常取当量轧比K＝1.3～2；

b)设计环坯内表面尺寸

首先根据锻件总高度H确定环坯(或称毛坯)内表面锥面高度H₀₄＝H-a-b-H₀₅,其中a为环坯上端面与芯辊端面间隙，b为环坯下端面与芯辊端面的间隙，H₀₅为冲孔连皮的厚度，H₀₅通常取5～8mm；H为锻件总高度；H₀₄为毛坯内表面锥面高度；

根据当量轧比可确定毛坯锥形孔最小直径

其中d₁为锻件小孔内径,K为当量轧比；

根据毛坯内表面与芯辊的点接触要求，确定毛坯锥形孔最大直径

其中d₁、d₃为锻件(即：环件)小孔、大孔内径，H₅、H₆为锻件小孔、锥形孔高度；H₀₅为冲孔连皮的厚度，H₀₅通常取5～8mm；H为锻件总高度；a为环坯上端面与芯辊端面间隙，b为环坯下端面与芯辊端面的间隙；

c)设计环坯外表面尺寸

由环坯的上锥面与驱动辊为两点接触，及环坯与锻件在H₀₁高度上体积相等，确定环坯的最大外径D₀₁、环坯的上锥面外径D₀₂；由环坯的下锥面与驱动辊为一点接触，及环坯与锻件在高度H₀₆上体积相等，确定环坯的下锥面外径D₀₃；

根据环坯的上锥面高度H₀₁处环坯体积V₀₁与锻件高度H₁₁处体积V₁相等，即V₀₁＝V₁；联立方程组，可求出环坯上锥面直径D₀₁、D₀₂；

其中，H₀₁为环坯的上锥面高度，

H₀₅为冲孔连皮的厚度，通常取5～8mm；d₀₁为环坯小孔内径；d₀₄为环坯在H₀₁处的内径，d₁为锻件小孔内径,D₁为锻件上端面外径，D₂为锻件在H₁高度处外径，D₆为锻件在H₁₁高度处外径，H₁为锻件上台阶的高度；a为环坯上端面与芯辊端面间隙；D₀₁为环坯的最大外径，D₀₂为环坯的上锥面外径；α为锻件在凸台处与竖直方向所成的角度；θ为毛坯上锥面与水平方向所成的角度；

根据环坯在下锥面在高度H₀₆处体积V₀₂与锻件高度H₄处体积V₂相等，即V₂＝V₀₂，联立方程组，求出环坯的下锥面外径D₀₃；

其中，D₀₃为环坯的下锥面外径，

D₀₄为下锥面在高度H₀₆处的外径，D₀₄＝D₀₁+D₄-D₂-2tanα(H₀₁+a-H₁)；γ为环坯的下锥角，

H₄为锻件下台阶的高度，D₃为锻件的最大外径，D₄为锻件在H₄高度处外径，D₅为锻件下端面的外径，D₀₁为环坯的最大外径，

H₀₂为环坯下锥面轴向高度，

H₀₆为环坯与锻件高度H₄相同高度处；b为环坯下端面与芯辊端面的间隙；d₀₂为环坯锥形孔大径；d₀₃为环坯锥形孔在H₀₆高度处直径；d₃为锻件的最大内径；

(3)修正环坯尺寸

根据环坯与锻件的轴向体积分配原则，初选环坯的外径尺寸D₀₁、D₀₂、D₀₃，最后根据环坯与锻件体积相等原则，确定环坯最终尺寸

根据环坯总体积V_总与锻件总体积V相等，即V_总＝V，联立方程组，可计算出k值，k为环坯的外径修正值；

其中：D₀₁为环坯的最大外径，D₀₂为环坯的上锥面外径，D₀₃为环坯的下锥面外径；H₀₁为环坯的上锥面高度，H₀₂为环坯的下锥面高度，H₀₃为环坯凸台高度，H₀₄为环坯内表面锥形孔的高度，H₀₅为冲孔连皮的厚度，通常取5～8mm；D₁为锻件上端面的外径，D₂为锻件H₁高度处外径，D₃为锻件最大外径，D₄为锻件在H₄高度处外径，D₅为锻件下端面外径，d₁为锻件最小内径，d₂为锻件在H₇高度处内径，d₃为锻件的最大内径，H₁为锻件的上台阶高度，H₂为锻件的凸台锥面高度，H₃为锻件的凸台直壁高度，H₄为锻件的下台阶高度，H₅为锻件内表面直壁小孔的高度，H₆为锻件内表面锥形孔的高度，H₇为锻件内表面直壁大孔的高度；d₀₁为环坯小孔内径；d₀₂为环坯锥形孔大径；

修正后的环坯的上锥面最大外径：

修正后的环坯的上锥面外径:

修正后的环坯的下锥面外径:

本齿轮坯锻件选用材料为20CrMnTi，将下料后的棒料加热、墩粗、模内成形、切边、冲孔、冲连皮，制备异形的环坯；

2)、轧辊孔型设计

根据锻件的形状和尺寸，再结合轧环机的结构要求，设计驱动辊和芯辊的孔型和尺寸；驱动辊设计成带上下端面的封闭孔型，孔型与锻件的外表面对应；芯辊设计成带上下端面的封闭孔型，孔型与锻件的内表面对应；

a)轧辊孔型型腔尺寸

根据锻件内表面直壁小孔高度H₅、内表面锥形孔高度H₆、内表面直壁大孔高度H₇，确定芯辊凸台高度B_i1和孔型总高度B_i2，B_i1＝H₇+(0～0.2)mm，B_i2＝H₅+H₆+H₇；

根据锻件的最小内半径r₁和最大内半径r₃，确定芯辊台阶长度L_i，L_i＝r₃-r₁；

根据锻件的上台阶高度H₁、锻件的凸台锥面高度H₂、锻件的凸台直壁高度H₃、锻件的下台阶高度H₄，确定驱动辊孔型内上台阶高度H_d1、凸台锥面高度H_d2、凸台直壁高度H_d3、下台阶高度H_d4，H_d1＝H₁-(0～0.2)mm，H_d2＝H₂+(0～0.2)mm，H_d3＝H₃+(0～0.2)mm，H_d4＝H₄-(0～0.2)mm；驱动辊的总高度H_d，H_d＝H_d1+H_d2+H_d3+H_d4+(20～30)mm；

根据锻件外径尺寸上端面外径D₁、H₁高度处外径D₂，最大外径D₃、H₄高度处外径D₄，下端面外径D₅，确定驱动辊台阶长度：H_d2锥面长度L_d1、上台阶长度L_d2、下台阶长度L_d3、H_d4锥面长度L_d4，

为避免轧制过程中的宽展，取驱动辊上端宽度

芯辊上端宽度

其中D₁为锻件上端面外径，d₁为锻件小孔内径；芯辊下端宽度

d₃为锻件的最大内径；

根据锻件内表面的轴向高度确定芯辊孔型的轴向高度，芯辊孔型凸台高度与锻件的内表面直壁大孔高度相等，即B_i1＝H₇；芯辊孔型总高度与锻件的总高度相等，即B_i2＝H；H₇为锻件内表面直壁大孔的高度；

b)轧辊工作面径向尺寸

轧辊工作面尺寸需要既满足咬入、锻透条件，又满足空间结构要求；驱动辊线速度V_d通常为1.1～1.6m/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，n为电机转速，η为传动比，n、η由设备参数确定，

为了使锻件既能连续咬入孔型，又能锻透，芯辊最小工作面半径R_i应满足如下条件:

其中，R_i为芯辊最小工作面半径；β＝arctanμ为摩擦角，μ为摩擦系数通常取0.15～0.2，R₃为锻件最大外半径，

r₁为锻件最小内半径，

为确保芯辊能够顺利放入环坯的内孔，芯辊的最大外径应比环坯内孔的最小内径至少小3mm，即

根据轧环机的结构要求，在轧制开始时，驱动辊与芯辊之间的距离不得大于轧环机的最大中心矩；在驱动辊与芯辊完全闭合时，两辊的中心矩不得小于轧环机的最小中心距；

即

其中，L_max和L_min为轧环机允许的最大和最小闭合中心距；

3)冷轧成形过程规划

根据轧制过程中的锻件与轧辊接触和自身变形状态，将轧制过程分为五个阶段：接触稳定阶段、孔型填充阶段、锻件直径扩大阶段、定径阶段、整圆阶段，每一阶段变形量和变形速度需协调匹配，保证平稳精确轧制成形；再结合轧环机的设备参数，确定驱动辊的转速和芯辊的进给速度；

为满足咬入与锻透体积，要求V_min≤V_进≤V_max，

V_min为满足咬入和锻透条件下的最小进给速度，V_进为进给速度，V_max为满足咬入和锻透条件下的最大进给速度，R₁为驱动辊最小半径，R₂为芯辊的最小半径，R为环坯的最大外半径，r为环坯的最大内半径,n_d为驱动辊的转速；总进给量ΔH为环坯的壁厚减少量，在接触稳定阶段，环坯与轧辊之间由点接触到面接触，进给量

进给速度

进给时间

在孔型填充阶段，进给量ΔH₂＝(0.45～0.55)(ΔH-ΔH₁),采用中速进给，进给速度

进给时间

在直径扩大阶段，进给量ΔH₃＝(0.35～0.45)(ΔH-ΔH₁),采用高速进给，进给速度

进给时间

在定径阶段进给量ΔH₄＝0.05(ΔH-ΔH₁)，进给速度V₄＝0.1mm/s，进给时间

在整圆阶段进给量ΔH₅＝0，进给速度V₅＝0，进给时间取0.5～2s；

将加工好的锻件环坯放入轧环机孔内。

实施例1

以图1所示复杂齿轮坯锻件锻件为具体实例，要求冷轧成形的锻件外径D₁、D₂、D₃、D₄、D₅为157.5mm、199.6mm、215.4mm、180mm、148.8mm。锻件内径d₁、d₂、d₃分别为128mm、130.1mm、139.4mm。锻件的高H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆、H₇、H₀₁、H₀₂、H分别为9.6mm、16.2mm、12mm、6mm、20.6mm、10mm、13.18mm、18.48mm、11.82mm、43.8mm。

其冷轧成形方法包括以下步骤：

1、环坯的设计

根据本发明环坯尺寸设计方法，选取轧制比K为2，确定环坯内径尺寸d₁＝64mm、d₂＝78mm。环坯上端面与轧辊间隙为a＝2.3mm，环坯下端面与轧辊的间隙为b＝0.7mm。取环坯的上锥角θ为15.1°，由环坯与锻件在H₀₁高度上的体积相等，确定D₀₁＝100mm、D₀₂＝183.64mm；由毛坯与锻件H₀₂高度上的体积相等，确定D₀₃＝103.64mm、γ＝10.94°、H₀₂＝7.35mm，由毛坯与锻件总体体积相等，确定修正系数K＝-0.5。得到毛坯的外形尺寸

2、轧辊孔型设计、制坯

本齿轮坯锻件选用材料为20CrMnTi，将下料后的棒料加热、墩粗、冲孔、冲连皮，获得环坯的内形尺寸；根据上述计算过程所获得的毛坯尺寸，用平锻机制坯，获得环坯的外形尺寸。

确定轧制孔型：取轧制线速度V_d为1.5mm/s，根据本发明孔型设计方法，设计驱动辊结构如图2(a)、图2(b)所示，驱动辊最小工作面半径R_d为150mm；设计芯辊结构如图2(a)、图2(b)所示，芯辊最小工作面半径R_i为19mm；

3、冷轧成形过程规划(确定轧制工艺参数)

根据锻件轧制过程中的变形条件，再结合轧环机的设备参数，确定驱动辊的转速和芯辊的进给速度。芯辊的进给速度在满足咬入与锻透的前提下，可分为4个阶段:低速进给阶段、中速进给阶段、高速进给阶段、定径阶段、整圆阶段。在低速进给阶段，进给速度V₁为0.6mm/s；在中速进给阶段，进给速度V₂为1mm/s；在高速进给阶段，进给速度V₃为1.5mm/s；在定径阶段，进给速度V₄为0.1mm/s；在整圆阶段，进给速度V₅为0mm/s。

Claims (4)

1.一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、环坯设计

先根据环坯与轧辊的接触方式及金属的流动规律，确定环坯形状；再根据环坯与锻件的轴向体积分配原则，初选环坯尺寸；最后根据环坯与锻件体积相等原则，确定环坯最终尺寸；

2)、轧辊孔型设计

根据锻件的形状和尺寸，再结合轧环机的结构要求，设计驱动辊和芯辊的孔型和尺寸；驱动辊设计成带上下端面的封闭孔型，孔型与锻件的外表面对应；芯辊设计成带上下端面的封闭孔型，孔型与锻件的内表面对应；

3)冷轧成形过程规划

根据轧制过程中的锻件与轧辊接触和自身变形状态，将轧制过程分为五个阶段：接触稳定阶段、孔型填充阶段、锻件直径扩大阶段、定径阶段、整圆阶段，每一阶段变形量和变形速度需协调匹配，保证平稳精确轧制成形；再结合轧环机的设备参数，确定驱动辊的转速和芯辊的进给速度；

步骤1)的环坯设计中，锻件毛坯形状与尺寸确定过程如下：

(1)确定环坯形状

锻件为外表面中间带截面突变程度大的锥形凸台、内表面有内台阶的异形截面锻件；将驱动辊的型腔形状设计成与锻件的外表面一致，芯辊的型腔形状设计成与锻件的内表面一致；为了保证在轧制开始时的稳定接触及制坯的方便性，环坯与驱动辊的型腔为三点接触，环坯与芯辊的型腔为上端面的线接触和凸台处的一点接触，将环坯外表面设计成上下带锥度的凸台截面，内表面设计成直壁和带有锥度的孔型；

(2)初选环坯尺寸

a)选择当量轧比

为了使锻件具备相应的冷轧性能，应保证轧制过程中的变形量，以锻件小孔内径d₁与环坯小孔内径d₀₁之比为当量轧比K，即

通常取当量轧比K＝1.3～2；

b)设计环坯内表面尺寸

首先根据锻件总高度H确定环坯内表面锥面高度H₀₄＝H-a-b-H₀₅,其中a为环坯上端面与芯辊端面间隙，b为环坯下端面与芯辊端面的间隙，H₀₅为冲孔连皮的厚度，H₀₅通常取5～8mm；H为锻件总高度；H₀₄为毛坯内表面锥面高度；

根据当量轧比可确定毛坯锥形孔最小直径

其中d₁为锻件小孔内径,K为当量轧比；

根据毛坯内表面与芯辊的点接触要求，确定毛坯锥形孔最大直径

其中d₁、d₃为锻件小孔、大孔内径，H₅、H₆为锻件小孔、锥形孔高度；H₀₅为冲孔连皮的厚度，H₀₅通常取5～8mm；H为锻件总高度；a为环坯上端面与芯辊端面间隙，b为环坯下端面与芯辊端面的间隙；

c)设计环坯外表面尺寸

由环坯的上锥面与驱动辊为两点接触，及环坯与锻件在H₀₁高度上体积相等，确定环坯的最大外径D₀₁、环坯的上锥面外径D₀₂；由环坯的下锥面与驱动辊为一点接触，及环坯与锻件在高度H₀₆上体积相等，确定环坯的下锥面外径D₀₃；

根据环坯的上锥面高度H₀₁处环坯体积V₀₁与锻件高度H₁₁处体积V₁相等，即V₀₁＝V₁；联立方程组，可求出环坯上锥面直径D₀₁、D₀₂；

其中，H₀₁为环坯的上锥面高度，

H₀₅为冲孔连皮的厚度，通常取5～8mm；d₀₁为环坯小孔内径；d₀₄为环坯在H₀₁处的内径，d₁为锻件小孔内径,D₁为锻件上端面外径，D₂为锻件在H₁高度处外径，D₆为锻件在H₁₁高度处外径，H₁为锻件上台阶的高度；a为环坯上端面与芯辊端面间隙；D₀₁是环坯的最大外径，D₀₂是环坯的上锥面外径；α为锻件在凸台处与竖直方向所成的角度；θ为毛坯上锥面与水平方向所成的角度；

根据环坯在下锥面在高度H₀₆处体积V₀₂与锻件高度H₄处体积V₂相等，即V₂＝V₀₂，联立方程组，求出环坯的下锥面外径D₀₃；

其中，D₀₃为环坯的下锥面外径，

D₀₄为下锥面在高度H₀₆处的外径，D₀₄＝D₀₁+D₄-D₂-2tanα(H₀₁+a-H₁)；γ为环坯的下锥角，

H₄为锻件下台阶的高度，D₃为锻件的最大外径，D₄为锻件在H₄高度处外径，D₅为锻件下端面的外径，D₀₁为环坯的最大外径，H₀₂为环坯下锥面轴向高度，

H₀₆为环坯与锻件高度H₄相同高度处；b为环坯下端面与芯辊端面的间隙；d₀₂为环坯锥形孔大径；d₀₃为环坯锥形孔在H₀₆高度处直径；d₃为锻件的最大内径；

(3)修正环坯尺寸

根据环坯与锻件的轴向体积分配原则，初选环坯的外径尺寸D₀₁、D₀₂、D₀₃，最后根据环坯与锻件体积相等原则，确定环坯最终尺寸

根据环坯总体积V_总与锻件总体积V相等，即V_总＝V，联立方程组，可计算出k值，k为环坯的外径修正值；

其中：D₀₁为环坯的最大外径，D₀₂为环坯的上锥面外径，D₀₃为环坯的下锥面外径；H₀₁为环坯的上锥面高度，H₀₂为环坯的下锥面高度，H₀₃为环坯凸台高度，H₀₄为环坯内表面锥形孔的高度，H₀₅为冲孔连皮的厚度，通常取5～8mm；D₁为锻件上端面的外径，D₂为锻件H₁高度处外径，D₃为锻件最大外径，D₄为锻件在H₄高度处外径，D₅为锻件下端面外径，d₁为锻件最小内径，d₂为锻件在H₇高度处内径，d₃为锻件的最大内径，H₁为锻件的上台阶高度，H₂为锻件的凸台锥面高度，H₃为锻件的凸台直壁高度，H₄为锻件的下台阶高度，H₅为锻件内表面直壁小孔的高度，H₆为锻件内表面锥形孔的高度，H₇为锻件内表面直壁大孔的高度；d₀₁为环坯小孔内径；d₀₂为环坯锥形孔大径；

修正后的环坯的上锥面最大外径：

修正后的环坯的上锥面外径:

修正后的环坯的下锥面外径:

将下料后的棒料加热、墩粗、模内成形、切边、冲孔、冲连皮，制备异形的环坯。

2.根据权利要求1所述的一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法，其特征在于，步骤2)的轧辊孔型设计，具体步骤为：

a)轧辊孔型型腔尺寸

根据锻件内表面直壁小孔高度H₅、内表面锥形孔高度H₆、内表面直壁大孔高度H₇，确定芯辊凸台高度B_i1和孔型总高度B_i2，B_i1＝H₇+(0～0.2)mm，B_i2＝H₅+H₆+H₇；

根据锻件的最小内半径r₁和最大内半径r₃，确定芯辊台阶长度L_i，L_i＝r₃-r₁；

根据锻件的上台阶高度H₁、锻件的凸台锥面高度H₂、锻件的凸台直壁高度H₃、锻件的下台阶高度H₄，确定驱动辊孔型内上台阶高度H_d1、凸台锥面高度H_d2、凸台直壁高度H_d3、下台阶高度H_d4，H_d1＝H₁-(0～0.2)mm，H_d2＝H₂+(0～0.2)mm，H_d3＝H₃+(0～0.2)mm，H_d4＝H₄-(0～0.2)mm；驱动辊的总高度H_d，H_d＝H_d1+H_d2+H_d3+H_d4+(20～30)mm；

根据锻件外径尺寸上端面外径D₁、H₁高度处外径D₂，最大外径D₃、H₄高度处外径D₄，下端面外径D₅，确定驱动辊台阶长度：H_d2锥面长度L_d1、上台阶长度L_d2、下台阶长度L_d3、H_d4锥面长度L_d4，

为避免轧制过程中的宽展，取驱动辊上端宽度

芯辊上端宽度

其中D₁为锻件上端面外径，d₁为锻件小孔内径；芯辊下端宽度

其中d₃为锻件的最大内径；

根据锻件内表面的轴向高度确定芯辊孔型的轴向高度，芯辊孔型凸台高度与锻件的内表面直壁大孔高度相等，即B_i1＝H₇；芯辊孔型总高度与锻件的总高度相等，即B_i2＝H；

b)轧辊工作面径向尺寸

轧辊工作面尺寸需要既满足咬入、锻透条件，又满足空间结构要求；驱动辊线速度V_d通常为1.1～1.6m/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，n为电机转速，η为传动比，n、η由设备参数确定，

为了使锻件既能连续咬入孔型，又能锻透，芯辊最小工作面半径R_i应满足如下条件:

其中，R_i为芯辊最小工作面半径；β＝arctanμ为摩擦角，μ为摩擦系数通常取0.15～0.2，R₃为锻件最大外半径，

r₁为锻件最小内半径，

为确保芯辊能够顺利放入环坯的内孔，芯辊的最大外径应比环坯内孔的最小内径至少小3mm，即

根据轧环机的结构要求，在轧制开始时，驱动辊与芯辊之间的距离不得大于轧环机的最大中心矩；在驱动辊与芯辊完全闭合时，两辊的中心矩不得小于轧环机的最小中心距；

即

其中，L_max和L_min为轧环机允许的最大和最小闭合中心距。

3.根据权利要求1所述的一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法，其特征在于，步骤3)冷轧成形过程规划，具体步骤为：

为满足咬入与锻透体积，要求V_min≤V_进≤V_max，

V_min为满足咬入和锻透条件下的最小进给速度，V_进为进给速度，V_max为满足咬入和锻透条件下的最大进给速度，R₁为驱动辊最小半径，R₂为芯辊的最小半径，R为环坯的最大外半径，r为环坯的最大内半径,n_d为驱动辊的转速；总进给量ΔH为环坯的壁厚减少量，在接触稳定阶段，环坯与轧辊之间由点接触到面接触，进给量

进给速度

进给时间

在孔型填充阶段，进给量ΔH₂＝(0.45～0.55)(ΔH-ΔH₁),采用中速进给，进给速度

进给时间

在直径扩大阶段，进给量ΔH₃＝(0.35～0.45)(ΔH-ΔH₁),采用高速进给，进给速度

进给时间

在定径阶段进给量ΔH₄＝0.05(ΔH-ΔH₁)，进给速度V₄＝0.1mm/s，进给时间

在整圆阶段进给量ΔH₅＝0，进给速度V₅＝0，进给时间取0.5～2s；

将加工好的锻件环坯放入轧环机孔内。

4.根据权利要求1所述的一种复杂齿轮坯锻件低耗高性能近净冷轧制成形方法，其特征在于，所述环坯的材料为20CrMnTi。

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