CN113680932A - 大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法 - Google Patents

大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法 Download PDF

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CN113680932A CN202110895598.5A CN202110895598A CN113680932A CN 113680932 A CN113680932 A CN 113680932A CN 202110895598 A CN202110895598 A CN 202110895598A CN 113680932 A CN113680932 A CN 113680932A
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邓加东
钱东升
兰箭
王丰
吴荣文
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Abstract

本发明公开了一种大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，包括以下步骤：根据目标环形锻件的尺寸形状，将其做分割处理，确定出中间产物异形环坯的尺寸；紧接着，确定初始矩形截面环坯尺寸，在加工出初始矩形截面环坯后，将初始矩形截面环坯外侧安装凹模，初始矩形截面环坯内侧安装芯模，通过对矩形截面环坯进行连续局部径向挤压获得中间产物异形环坯；将中间产物异形环坯进行近净复合轧制，在近净复合轧制时，中间产物异形环坯外侧安装有主轧辊、副轧辊和导向辊，中间产物异形环坯内安装有芯辊。本大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其尺寸精度高，材料利用率高，极大的减少了后期机加工成本，同时大大提高了产品的力学性能。

Description

大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法
技术领域
本发明涉及轧制方法技术领域，尤其涉及一种大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法。
背景技术
大型外轮廓突变截面环件是指直径一米以上、内表面直壁、外表面带有多个突变深槽台阶特征的环形构件。该类环件在航空航天、石油化工以及轮船等领域的重大装备的关键构件中有着广泛的应用，对产品综合性能有较高要求。环件轧制是一种高效率、高质量、低耗材、低能耗的先进特种制造技术，它是通过对坯料连续的塑性变形来达到生产高质量无缝环件的一种工艺方法。但是，对于这类外表面带有深槽突变结构的环件轧制所需的坯料需要合理地设计环坯体积分配，否则在轧制过程中容易发生填充不完全、折叠等不良现象。目前，此类复杂环形构件主要通过环件轧制成形出矩形截面环件，再通过切削的方法加工出外表面深槽突变结构。这种方法虽然可以制造出该类构件，但同时也造成了原材料的大量浪费、加工效率降低；而且，机加工破坏了构件原有金属流线的完整性，削弱了环件的力学性能。因此，亟需开发一种适用于大型外轮廓突变截面环件的成形工艺方法，实现该类环件低消耗、高效率成形，改善金属流线分布完整性，并提高产品综合力学性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，旨在减少机加工过程，同时提供产品力学性能。
为实现上述目的，本发明提供一种大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，包括以下步骤：
根据目标环形锻件的尺寸形状，将其做分割处理，并针对分割后的各构件分别设计环坯，再将各构件的环坯进行组合，确定出适用于近净轧制成形的中间产物异形环坯的尺寸，并根据中间产物异形环坯的尺寸确定初始矩形截面环坯尺寸；
根据确定出的初始矩形截面环坯尺寸加工初始矩形截面环坯后，将初始矩形截面环坯外侧安装凹模，初始矩形截面环坯内侧安装芯模，通过对矩形截面环坯进行连续局部径向挤压获得中间产物异形环坯，中间产物异形环坯的外表面具有突变轮廓，凹模工作面尺寸与中间产物异形环坯外表面尺寸保持一致；
将中间产物异形环坯进行近净复合轧制，在近净复合轧制时，中间产物异形环坯外侧安装有主轧辊、副轧辊和导向辊，中间产物异形环坯内安装有芯辊，由主轧辊、芯辊以及副轧辊组成轧制工作面，由导向辊进行圆度控制和轧制稳定性控制，得到目标环形锻件。
优选地，在中间产物异形环坯成型时，凹模在初始矩形截面环坯的径向上往复地运动，芯模轴向穿过初始矩形截面环坯，并且带动初始矩形截面环坯转动，随着挤压的进行，在凹模的挤压下，成形出环坯的局部突变轮廓，随后凹模退回原始位置，芯模带动环坯转动一个预设角度后停止；然后，重复上一步的挤压过程，以此循环，直至环坯外表面的突变轮廓全部成形。
优选地，所述中间产物异形环坯的尺寸采用以下方式确定：
当目标环形锻件外表面有五个台阶时，将目标环形锻件从轴向中间平面将其分割，划分为构件A和构件B两个构件，分别对分割后的构件进行环坯设计，得到构件A与B分别对应的环坯A和环坯B的尺寸，然后，根据构件A与构件B 的对应环坯A和环坯B尺寸相加得到中间产物异形环坯的尺寸；
根据分割后目标环形锻件的体积和高度始终保持不变，则构件A和B的体积和高度满足下列式子：
Figure RE-GDA0003286505890000021
其中，Vf与Bf分别为目标环形锻件体积与高度，并且
Figure RE-GDA0003286505890000022
Figure RE-GDA0003286505890000023
Figure RE-GDA0003286505890000024
Bf＝Bf1+Bf2+Bf3+Bf4+Bf5，VAf和BAf分别是构件A 的体积与高度，VBf和BBf分别是构件B的体积与高度，Df1、Df2、Df3、Df4、Df5分别为目标环形锻件从上至下各台阶的外径，Bf1、Bf2、Bf3、Bf4、Bf5分别为目标环形锻件从上至下各台阶的高度，df为目标环形锻件的内径；
对于构件A，以其中间台阶的中间平面为限制面，限制面上下两部分的金属不发生互相流动，因此，构件A限制面下端部分的体积VAd与其总体积VA的体积之比定义为：
Figure RE-GDA0003286505890000031
根据轧比、体积不变和分割后环坯高度与构件高度保持不变的原则，构件A 对应的环坯A的相关尺寸按下式计算：
Figure RE-GDA0003286505890000032
其中，dA为环坯A的内径，BA为环坯A的高度，DA为环坯A下端台阶的外径，DAL为环坯A上端台阶的外径，BAL为环坯A上端台阶的高度，K为当量轧比，BAf为构件A的高度，VAf为构件A体积，并且
Figure RE-GDA0003286505890000033
Figure RE-GDA0003286505890000034
同理，对于构件B，也以其中间台阶的中间平面为限制面，限制面上下两部分的金属不发生互相流动，因此，构件B限制面上端部分的体积VBu与其总体积 VB的体积之比定义为：
Figure RE-GDA0003286505890000035
根据体积不变和分割后环坯高度与构件高度保持不变的原则，构件B对应的环坯B的相关尺寸按下式计算：
Figure RE-GDA0003286505890000041
其中，dB为环坯B的内径，BB为环坯B的高度，BBL为环坯B下端台阶的高度，DB为环坯B上端台阶的外径，DBL为环坯B下端台阶的外径，BBL为环坯B 下端台阶的高度，BBf为构件B的高度，KBu为构件B限制面上端部分的体积VBu与其总体积VB之比，VBf为构件B的体积，并且
Figure RE-GDA0003286505890000042
Figure RE-GDA0003286505890000043
优选地，初始的矩形截面环坯采用以下公式确定：
Figure RE-GDA0003286505890000044
其中，d、B和D分别为矩形截面环坯的内径、高度和外径。
优选地，在连续局部径向挤压中，凹模的进给位移u按下式计算：
u＝s+Δs；
其中，s为凹模接触矩形截面环坯外表面后的挤压进给量，Δs为中间产物异形环坯最大外径Di-max与凹模之间的装配间隙；
在连续局部径向挤压中，芯模的转动角度θ按下式计算：
Figure RE-GDA0003286505890000045
其中，Bc为芯模宽度，Di-max为中间产物异形环坯的最大外径，δ为挤压重叠角。
优选地，在近净轧制成形过程中，分为咬入阶段、扩径阶段、横轧阶段三个阶段；在咬入阶段，芯辊以速度v1进给以满足环件咬入孔型条件；在扩径阶段，芯辊以速度v2进给，环件的内外径迅速扩大，两个副轧辊以一定角度紧贴环件外壁向外移动；在横轧阶段，当副轧辊达到所设计的外径位置后，不在向外部移动，从而限制环件径向尺寸增加，此时芯辊以速度v3进给，使环件内径不断地扩大，在主轧辊和两个副轧辊的共同作用下，环件外表面突变深槽轮廓逐渐近净成形。
优选地，复合轧制采用闭式轧制孔型，主轧辊的两端均设有端面挡板以限定复合轧制近净成形过程中环件的最大高度；主轧辊的端面挡板内侧设有倒角，主轧辊工作表面的几何尺寸与目标环形锻件外表面几何尺寸一致；
所述副轧辊两端均设有端面挡板以限定环件的最大高度，副轧辊的端面挡板内侧设有倒角，副轧辊的外表面轮廓尺寸与目标环形锻件轮廓尺寸一致。
优选地，目标环形锻件壁厚最薄处的台阶外直径为Dfi，中间产物异形环坯直径为dA，芯辊的总进给量
Figure RE-GDA0003286505890000051
优选地，芯辊的进给速度v通过以下公式确定:
Figure RE-GDA0003286505890000052
Figure RE-GDA0003286505890000053
vmin≤v≤vmax
其中，Dq4为主轧辊从上至下第四台阶的外径，n1为主轧辊转速，DC为芯辊的外径，β为接触摩擦角，vmin为芯辊的最小进给速度，vmax为芯辊的最大进给速度，DB为开始轧制时中间产物异形环坯的接触外径。
优选地，芯辊进给速度按照初始轧制咬入阶段、轧制扩孔阶段、横轧填充阶段三个阶段进给：
轧制咬入阶段进给量：ΔH1＝(0.1～0.25)ΔH；
轧制咬入阶段进给速度：
Figure RE-GDA0003286505890000054
扩孔阶段进给量：ΔH2＝(0.6～0.8)ΔH；
扩孔阶段进给速度：
Figure RE-GDA0003286505890000055
横轧填充阶段进给量：ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2；
横轧填充阶段进给速度：
Figure RE-GDA0003286505890000056
本发明提出的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，通过合理设计适用于大型外轮廓突变截面环件复合轧制成形所需异形环坯，保证环件近净轧制成形，通过连续局部径向挤压方法实现异形环坯制备，设备力能更小，环坯成形效果好。随后，采用复合轧制限制环件外轮廓长大，促进金属沿径向填充外轮廓形状，可以实现大型外轮廓突变截面环件近净成形，成形尺寸精度高，材料利用率高，极大的减少了后期机加工成本，可获得金属流线分布较完整的产品，同时大大提高了产品的力学性能。
附图说明
图1为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法中目标环形锻件的尺寸示意图；
图2a为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法中目标环形锻件构件A尺寸示意图；
图2b为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法中目标环形锻件构件B尺寸示意图；
图3a为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法中目标环形锻件构件A对应环坯A尺寸示意图；
图3b为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法中目标环形锻件构件B对应环坯B尺寸示意图；
图4为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法中中间产物异形环坯的尺寸示意图；
图5为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法的流程示意图(左边为连续局部径向挤压成型，右边为近净复合轧制成型)；
图6a为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在连续局部径向挤压成形开始时刻时的主视图；
图6b为图6a中A-A方向的剖视结构示意图；
图7a为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在连续局部径向挤压成形结束时刻时的主视图；
图7b为图7a中A-A方向的剖视结构示意图；
图8a为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在连续局部径向挤压成形时初始时刻截面示意图；
图8b为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在连续局部径向挤压成形时一次挤压结束截面示意图；
图8c为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在连续局部径向挤压成形时芯模转动截面示意图；
图8d为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在连续局部径向挤压成形时结束时刻截面示意图；
图9a为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在近净复合轧制时主轧辊的结构示意图；
图9b为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在近净复合轧制时副轧辊的结构示意图；
图10a为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在近净复合轧制时轧制初始阶段的结构示意图；
图10b为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在近净复合轧制时轧制结束阶段的结构示意图；
图11为本发明大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法中在近净复合轧制时芯辊进给曲线示意图。
图中，1-凹模，2-环坯，3-芯模，4-主轧辊，5-导向辊，6-芯辊，7-环件， 8-副轧辊。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1至图10b，一种大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，包括以下步骤：
步骤S10，根据目标环形锻件的尺寸形状，将其做分割处理，并针对分割后的各构件分别设计环坯，再将各构件的环坯进行组合，确定出适用于近净轧制成形的中间产物异形环坯的尺寸，并根据中间产物异形环坯的尺寸确定初始矩形截面环坯尺寸；
步骤S20，根据确定出的初始矩形截面环坯尺寸加工初始矩形截面环坯后，将初始矩形截面环坯外侧安装凹模1，初始矩形截面环坯内侧安装芯模3，通过对矩形截面环坯进行连续局部径向挤压获得中间产物异形环坯，中间产物异形环坯的外表面具有突变轮廓，凹模1工作面尺寸与中间产物异形环坯外表面尺寸保持一致；
步骤S30，将中间产物异形环坯进行近净复合轧制，在近净复合轧制时，中间产物异形环坯外侧安装有主轧辊4、副轧辊8和导向辊5，中间产物异形环坯内安装有芯辊6，由主轧辊4、芯辊6以及副轧辊8组成轧制工作面，由导向辊 5进行圆度控制和轧制稳定性控制，得到目标环形锻件。
步骤S20中，在中间产物异形环坯成型时，凹模1(设置有上下两个凹模1) 在初始矩形截面环坯的径向上往复地运动，芯模3轴向穿过初始矩形截面环坯，并且带动初始矩形截面环坯转动，随着挤压的进行，在凹模1的挤压下，成形出环坯的局部突变轮廓，随后凹模1退回原始位置，芯模3带动环坯转动一个预设角度后停止；然后，重复上一步的挤压过程，以此循环，直至环坯外表面的突变轮廓全部成形，从而得到中间产物异形环坯。
步骤S10中，参照图1～4，中间产物异形环坯的尺寸采用以下方式确定：
当目标环形锻件外表面有五个台阶时，将目标环形锻件从轴向中间平面将其分割，划分为构件A和构件B两个构件，分别对分割后的构件进行环坯设计，得到构件A与B分别对应的环坯A和环坯B的尺寸，然后，根据构件A与构件B 的对应环坯A和环坯B尺寸相加得到中间产物异形环坯的尺寸；
根据分割后目标环形锻件的体积和高度始终保持不变，则构件A和B的体积和高度满足下列式子：
Figure RE-GDA0003286505890000081
其中，Vf与Bf是环形锻件体积与高度，并且
Figure RE-GDA0003286505890000082
Figure RE-GDA0003286505890000083
Bf＝Bf1+Bf2+Bf3+Bf4+Bf5，VAf和BAf是构件A的体积与高度，VBf和BBf是构件B的体积与高度，Df1、Df2、Df3、Df4、Df5分别为目标环形锻件从上至下各台阶的外径，Bf1、Bf2、Bf3、Bf4、Bf5分别为目标环形锻件从上至下各台阶的高度，df为目标环形锻件的内径；
对于构件A，以其中间台阶的中间平面为限制面，限制面上下两部分的金属不发生互相流动，因此，构件A限制面下端部分的体积VAd与其总体积VA的体积之比定义为：
Figure RE-GDA0003286505890000091
根据轧比、体积不变和分割后环坯高度与构件高度保持不变的原则，构件A 的环坯A的相关尺寸按下式计算：
Figure RE-GDA0003286505890000092
其中，dA为环坯A的内径，BA为环坯A的高度，DA为环坯A下端台阶的外径，DAL为环坯A上端台阶的外径，BAL为环坯A上端台阶的高度，K为当量轧比， BAf为构件A的高度，KAu为构件A限制面下端部分体积VAd与其总体积VA之比，VAf为构件A体积，并且
Figure RE-GDA0003286505890000093
Figure RE-GDA0003286505890000094
同理，对于构件B，也以其中间台阶的中间平面为限制面，限制面上下两部分的金属不发生互相流动，因此，构件B限制面上端部分的体积VBu与其总体积 VB的体积之比定义为：
Figure RE-GDA0003286505890000095
根据体积不变和分割后环坯高度与构件高度保持不变的原则，假设从其中间台阶的构件B的金属不会发生轴向流动，构件B的环坯B的相关尺寸按下式计算：
Figure RE-GDA0003286505890000101
其中，dB为环坯B的内径，BB为环坯B的高度，BBL为环坯B下端台阶的高度，DB为环坯B上端台阶的外径，DBL为环坯B下端台阶的外径，BBL为环坯B 下端台阶的高度，BBf为构件B的高度，KBu为构件B限制面上端部分的体积VBu与其总体积VB之比，VBf为构件B的体积，并且
Figure RE-GDA0003286505890000102
Figure RE-GDA0003286505890000103
初始的矩形截面环坯采用以下公式确定：
Figure RE-GDA0003286505890000104
其中，d、B和D分别为矩形截面环坯的内径、高度和外径。
在连续局部径向挤压中，凹模1的进给位移u按下式计算：
u＝s+Δs；
其中，s为凹模1接触矩形截面环坯外表面后的挤压进给量，Δs为中间产物异形环坯的最大外径Di-max与凹模之间的装配间隙，一般取5～20mm；
在连续局部径向挤压中，芯模3的转动角度θ按下式计算：
Figure RE-GDA0003286505890000105
其中，Bc为芯模3宽度，Di-max为中间产物异形环坯的最大外径，δ为挤压重叠角，一般取1～4°。
在近净轧制成形过程中，分为咬入阶段、扩径阶段、横轧阶段三个阶段；在咬入阶段，芯辊6以速度v1进给(低速进给)以满足环件咬入孔型条件；在扩径阶段，芯辊6以速度v2进给(高速进给v2大于v1)，环件的内外径迅速扩大，两个副轧辊8以一定角度紧贴环件外壁向外移动；在横轧阶段，当副轧辊8达到所设计的外径位置后，不在向外部移动，从而限制环件径向尺寸增加，此时芯辊6以速度v3进给，使环件内径不断地扩大，在主轧辊4和两个副轧辊8的共同作用下，环件外表面突变深槽轮廓逐渐近净成形。
复合轧制采用闭式轧制孔型，主轧辊4的两端均设有端面挡板以限定复合轧制近净成形过程中环件的最大高度；主轧辊4的端面挡板内侧设有倒角(一般取2°～4°)，主轧辊4工作表面的几何尺寸与目标环形锻件外表面几何尺寸一致；
副轧辊8两端均设有端面挡板以限定环件的最大高度，副轧辊8的端面挡板内侧设有倒角，副轧辊8的外表面轮廓尺寸与目标环形锻件轮廓尺寸一致。
目标环形锻件壁厚最薄处的台阶外直径为Dfi，中间产物异形环坯直径为dA，芯辊6的总进给量
Figure RE-GDA0003286505890000111
步骤S30中，芯辊6的进给速度v通过以下公式确定:
Figure RE-GDA0003286505890000112
Figure RE-GDA0003286505890000113
vmin≤v≤vmax
其中，Dq4为主轧辊从上到下第四台阶的外径，n1为主轧辊4转速，DC为芯辊6的外径，β为接触摩擦角，vmin为芯辊6的最小进给速度，vmax为芯辊6的最大进给速度，DB为开始轧制时中间产物异形环坯的接触外径。
参照图11，芯辊6进给速度按照初始轧制咬入阶段、轧制扩孔阶段、横轧填充阶段三个阶段进给：
轧制咬入阶段进给量：ΔH1＝(0.1～0.25)ΔH；
轧制咬入阶段进给速度：
Figure RE-GDA0003286505890000114
扩孔阶段进给量：ΔH2＝(0.6～0.8)ΔH；
扩孔阶段进给速度：
Figure RE-GDA0003286505890000115
横轧填充阶段进给量：ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2；
横轧填充阶段进给速度：
Figure RE-GDA0003286505890000116
以下以一大型外轮廓突变截面环件来说明本轧制成型方法。目标环形锻件其尺寸为：df＝3720mm,Df1＝4640mm，Bf1＝200mm,Df2＝4240mm,Bf2＝240mm， Df3＝4600mm,Bf3＝180mm，Df4＝4240mm，Bf4＝220mm，Df5＝4740mm,Bf5＝200mm，复合轧制近净成形方法步骤如下：
(1)中间产物异形环坯的形状和尺寸设计
如图1所示，将目标环形锻件从轴向中间平面截面L-L将其分割，划分为构件A和构件B两个构件，如图2所示，其中，构件A的尺寸为：df＝3720mm, Df1＝4640mm，Bf1＝200mm,Df2＝4240mm,Bf2＝240mm，Df3＝4600mm,
Figure RE-GDA0003286505890000121
构件B的尺寸为：df＝3720mm，Df3＝4600mm,
Figure RE-GDA0003286505890000122
Df4＝4240mm，Bf4＝220mm， Df5＝4740mm,Bf5＝200mm，分别对分割后的构件进行环坯设计,得到构件A与B 的环坯的尺寸，然后，根据构件A与构件B的环坯尺寸得到中间产物异形环坯尺寸，如图4所示。
根据分割后环件的体积和高度始终保持不变，依次计算构件环坯的尺寸。构件A的环坯A的尺寸为：dA＝2600mm,DA＝3500mm，BA＝530mm，DAL＝3690mm， BAL＝200mm。构件B的环坯B的尺寸为：dB＝2600mm,DB＝3510mm,BB＝510mm， DBL＝3820mm，BBL＝200mm,如图3所示。
根据构件A和B的环坯尺寸，得到中间产物异形环坯尺为：dA＝2600mm， DA＝3500mm，BA＝530mm，DAL＝3690mm，BAL＝200mm，dB＝2600mm，DB＝3510mm， BB＝510mm，DBL＝3820mm，BBL＝200mm，如图4所示。
(2)对矩形截面环坯进行连续局部径向挤压成形
通过连续局部径向挤压的成形方法，对矩形截面环坯进行连续局部径向挤压获得外表面具有突变轮廓的异形环坯。在连续局部径向挤压成形中，凹模1 在环坯的径向上往复地运动，芯模3轴向穿过环坯，并且带动环坯转动。随着挤压的进行，在凹模1的挤压下，成形处环坯局部突变轮廓；紧接着，凹模1 退回原始位置，芯模3带动环坯转动一个预设角度后停止。然后，重复上一步的挤压过程，以此循环，直至环坯外表面的突变轮廓全部成形，如图6、图7、图8所示，得到中间产物异形环坯。
在连续局部径向挤压中，挤压矩形截面环坯的内径、高度及外径分别为： d＝2600mm,B＝1040mm,D＝3610mm。
在连续局部径向挤压中，凹模1的进给位移u为：125mm。其中，凹模1与环坯突变轮廓的最大外径D5之间的间隙Δs取15mm。
在连续局部径向挤压中，芯模3的转动角度θ为：-48°。其中，挤压重叠角δ取3°。
(3)大型外轮廓突变截面环件复合轧制成形
在近净复合轧制成形过程中，由主轧辊4、芯辊6以及副轧辊8组成轧制工作面，由导向辊5进行圆度控制和轧制稳定性控制。整个近净轧制成形过程中，分为咬入阶段、扩径阶段、横轧阶段三个阶段。在咬入阶段，芯辊6低速进给以满足环件咬入孔型条件。在扩径阶段，芯辊6高速进给，环件的内外径迅速扩大，两个副轧辊8以一定角度紧贴环件外壁向外移动。在横轧阶段，当副轧辊8达到所设计的外径位置后，不在向外部移动，从而限制环件径向尺寸增加；此时，在合理调控芯辊6的进给速度，环件内径又不断地扩大，在主轧辊4和两个副轧辊8的共同作用下，环件外表面突变深槽轮廓逐渐近净成形，如图10 所示。
上述方案中，复合轧制采用闭式轧制孔型，主轧辊4设有端面挡板，以保证在复合轧制近净成形过程中，环件的轴向高度基本保持不变。考虑到脱模，主轧辊4两端面内侧设有倒角，倒角取3°。此外，主轧辊4工作表面的几何尺寸与环形锻件外表面几何尺寸一致，确保构件精确轧制近净成形，如图9a所示。
上述方案中，复合轧制近净成形的副轧辊8也设有端面挡板，同样用于限制轧制过程中环件的轴向金属窜动。端面挡板同样设有倒角，倒角角度为3°。副轧辊8工作表面的高度与锻件高度基本保持一致，外表面轮廓尺寸与锻件轮廓尺寸基一致，如图9b所示。
上述方案中，目标环形锻件壁厚最薄处的台阶外直径为Df2＝Df4＝4240mm，大型外轮廓突变截面环件挤压成形环坯的内孔直径为dA＝2600mm，则芯辊6的总进给量ΔH＝195mm。
芯辊6进给速度按照初始轧制咬入阶段、轧制扩孔阶段、横轧填充阶段三个阶段规划，如图11所示：
轧制咬入阶段进给量为30mm，初始轧制进给速度为1mm/s；
扩孔阶段进给量为156mm，主轧制阶段进给速度为2mm/s；
横轧填充阶段进给量为9mm，横轧阶段进给速度为1.2mm/s；
本实施例提出的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，通过合理设计适用于大型外轮廓突变截面环件复合轧制成形所需异形环坯，保证环件近净轧制成形，通过连续局部径向挤压方法实现异形环坯制备，设备力能更小，环坯成形效果好。随后，采用复合轧制限制环件外轮廓长大，促进金属沿径向填充外轮廓形状，可以实现大型外轮廓突变截面环件近净成形，成形尺寸精度高，材料利用率高，极大的减少了后期机加工成本，可获得金属流线分布较完整的产品，同时大大提高了产品的力学性能。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据目标环形锻件的尺寸形状，将其做分割处理，并针对分割后的各构件分别设计环坯，再将各构件的环坯进行组合，确定出适用于近净轧制成形的中间产物异形环坯的尺寸，并根据中间产物异形环坯的尺寸确定初始矩形截面环坯尺寸；
根据确定出的初始矩形截面环坯尺寸加工初始矩形截面环坯后，将初始矩形截面环坯外侧安装凹模，初始矩形截面环坯内侧安装芯模，通过对矩形截面环坯进行连续局部径向挤压获得中间产物异形环坯，中间产物异形环坯的外表面具有突变轮廓，凹模工作面尺寸与中间产物异形环坯外表面尺寸保持一致；
将中间产物异形环坯进行近净复合轧制，在近净复合轧制时，中间产物异形环坯外侧安装有主轧辊、副轧辊和导向辊，中间产物异形环坯内安装有芯辊，由主轧辊、芯辊以及副轧辊组成轧制工作面，由导向辊进行圆度控制和轧制稳定性控制，得到目标环形锻件。
2.如权利要求1所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，在中间产物异形环坯成型时，凹模在初始矩形截面环坯的径向上往复地运动，芯模轴向穿过初始矩形截面环坯，并且带动初始矩形截面环坯转动，随着挤压的进行，在凹模的挤压下，成形出环坯的局部突变轮廓，随后凹模退回原始位置，芯模带动环坯转动一个预设角度后停止；然后，重复上一步的挤压过程，以此循环，直至环坯外表面的突变轮廓全部成形。
3.如权利要求1所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，所述中间产物异形环坯的尺寸采用以下方式确定：
当目标环形锻件外表面有五个台阶时，将目标环形锻件从轴向中间平面将其分割，划分为构件A和构件B两个构件，分别对分割后的构件进行环坯设计，得到构件A与B分别对应的环坯A和环坯B的尺寸，然后，根据构件A与构件B的对应环坯A和环坯B尺寸相加得到中间产物异形环坯的尺寸；
根据分割后目标环形锻件的体积和高度始终保持不变，则构件A和B的体积和高度满足下列式子：
Figure FDA0003197660670000011
其中，Vf与Bf分别为目标环形锻件体积与高度，并且
Figure FDA0003197660670000021
Figure FDA0003197660670000022
Figure FDA0003197660670000023
Bf＝Bf1+Bf2+Bf3+Bf4+Bf5，VAf和BAf分别是构件A的体积与高度，VBf和BBf分别是构件B的体积与高度，Df1、Df2、Df3、Df4、Df5分别为目标环形锻件从上至下各台阶的外径，Bf1、Bf2、Bf3、Bf4、Bf5分别为目标环形锻件从上至下各台阶的高度，df为目标环形锻件的内径；
对于构件A，以其中间台阶的中间平面为限制面，限制面上下两部分的金属不发生互相流动，构件A限制面下端部分的体积VAd与其总体积VA的体积之比定义为：
Figure FDA0003197660670000024
根据轧比、体积不变和分割后环坯高度与构件高度保持不变的原则，构件A对应的环坯A的相关尺寸按下式计算：
Figure FDA0003197660670000025
其中，dA为环坯A的内径，BA为环坯A的高度，DA为环坯A下端台阶的外径，DAL为环坯A上端台阶的外径，BAL为环坯A上端台阶的高度，K为当量轧比，BAf为构件A的高度，VAf为构件A体积，并且
Figure FDA0003197660670000026
Figure FDA0003197660670000027
对于构件B，以其中间台阶的中间平面为限制面，限制面上下两部分的金属不发生互相流动，构件B限制面上端部分的体积VBu与其总体积VB的体积之比定义为：
Figure FDA0003197660670000031
根据体积不变和分割后环坯高度与构件高度保持不变的原则，构件B对应的环坯B的相关尺寸按下式计算：
Figure FDA0003197660670000032
其中，dB为环坯B的内径，BB为环坯B的高度，BBL为环坯B下端台阶的高度，DB为环坯B上端台阶的外径，DBL为环坯B下端台阶的外径，BBL为环坯B下端台阶的高度，BBf为构件B的高度，VBf为构件B的体积，并且
Figure FDA0003197660670000033
Figure FDA0003197660670000034
4.如权利要求3所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，初始的矩形截面环坯采用以下公式确定：
Figure FDA0003197660670000035
其中，d、B和D分别为矩形截面环坯的内径、高度和外径。
5.如权利要求3所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，在连续局部径向挤压中，凹模的进给位移u按下式计算：
u＝s+Δs；
其中，s为凹模接触矩形截面环坯外表面后的挤压进给量，Δs为挤压后中间产物异形环坯的最大外径Di-max与凹模之间的装配间隙；
在连续局部径向挤压中，芯模的转动角度θ按下式计算：
Figure FDA0003197660670000036
其中，Bc为芯模宽度，Di-max为挤压后中间产物异形环坯的最大外径，δ为挤压重叠角。
6.如权利要求1所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，在近净轧制成形过程中，分为咬入阶段、扩径阶段、横轧阶段三个阶段；在咬入阶段，芯辊以速度v1进给以满足环件咬入孔型条件；在扩径阶段，芯辊以速度v2进给，环件的内外径迅速扩大，两个副轧辊以一定角度紧贴环件外壁向外移动；在横轧阶段，当副轧辊达到所设计的外径位置后，不在向外部移动，从而限制环件径向尺寸增加，此时芯辊以速度v3进给，使环件内径不断地扩大，在主轧辊和两个副轧辊的共同作用下，环件外表面突变深槽轮廓逐渐近净成形。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，复合轧制采用闭式轧制孔型，主轧辊的两端均设有端面挡板以限定复合轧制近净成形过程中环件的最大高度；主轧辊的端面挡板内侧设有倒角，主轧辊工作表面的几何尺寸与目标环形锻件外表面几何尺寸一致；
所述副轧辊两端均设有端面挡板以限定环件的最大高度，副轧辊的端面挡板内侧设有倒角，副轧辊的外表面轮廓尺寸与目标环形锻件轮廓尺寸一致。
8.如权利要求3所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，目标环形锻件壁厚最薄处的台阶外直径为Dfi，芯辊的总进给量
Figure FDA0003197660670000041
9.如权利要求8所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，芯辊的进给速度v通过以下公式确定:
Figure FDA0003197660670000042
Figure FDA0003197660670000043
vmin≤v≤vmax
其中，Dq4为主轧辊从上至下第四台阶的外径，n1为主轧辊转速，DC为芯辊的外径，β为接触摩擦角，vmin为芯辊的最小进给速度，vmax为芯辊的最大进给速度，DB为开始轧制时中间产物异形环坯的接触外径。
10.如权利要求7所述的大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，其特征在于，芯辊进给速度按照初始轧制咬入阶段、轧制扩孔阶段、横轧填充阶段三个阶段进给：
轧制咬入阶段进给量：ΔH1＝(0.1～0.25)ΔH；
轧制咬入阶段进给速度：
Figure FDA0003197660670000051
扩孔阶段进给量：ΔH2＝(0.6～0.8)ΔH；
扩孔阶段进给速度：
Figure FDA0003197660670000052
横轧填充阶段进给量：ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2；
横轧填充阶段进给速度：
Figure FDA0003197660670000053
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