[发明专利]一种大型内台阶环件对称轧制成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型内台阶环件对称轧制成形方法。

背景技术

直径1米以上且内表面带有较深台阶的的大型内台阶环件，作为连接、回转支承环、轴承环、燃气轮机环等，广泛应用于工程机械、风力发电、石油化工等工业领域大型机械装备中。此类环件服役条件苛刻，长期承受重载、高冲击、高压等极端工况，对其使用性能有较高的要求。大型内台阶环件的传统制造工艺为自由锻-扩孔-机械切削，即先自由锻制坯，再芯轴扩孔，最后通过机械切削加工出内台阶截面轮廓。芯轴扩孔效率低、精度和质量差；而通过机械切削加工内台阶需消耗大量材料和工时，而且破坏金属流线分布，削弱环件力学性能。因此，传统的制造工艺存在材料利用率低、效率低、加工质量差等缺点。

环件径轴向轧制工艺（图1所示）是大型环件的一种先进塑性加工工艺，它通过连续局部回转塑性变形积累，可在较短时间内获得几何精度高、组织性能好的优质环件。然而，环件径轴向轧制过程是多个工艺参数耦合作用下的复杂变形过程，轧制工艺参数设计和过程控制对环件轧制成形有着直接重要影响。对于上述大型内台阶环件轧制，由于截面上、下形状非对称且台阶较深，环件在孔型中受力情况和变形行为复杂，直径扩大和截面轮廓充型不协调，轧制过程稳定性差，常常产生环件台阶充不满、翘曲、蝶形等缺陷，轧制废品率高，无法稳定批量生产。因此，对于上述大型内台阶环件，目前仍然主要采用传统制造工艺，生产效率低，成本高，环件性能难以保障。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于提供一种两个大型内台阶环件对称轧制成形方法，通过合理地设计轧制毛坯、孔型和工艺过程参数，可实现由矩形截面环件毛坯一次对称轧制成形两个大型内台阶环件，解决了单个环件轧制中由于变形不对称引起的各种缺陷，显著提高了生产效率和产品质量，降低了生产成本，可实现稳定批量生产。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：两个大型内台阶环件（以下简称环件）对称轧制成形方法，包括以下实现步骤：

（1）制坯：将棒料段从室温均匀加热到热锻变形温度，然后将热态料段在压力机上经镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用环坯。环坯尺寸按如下步骤确定。

1）计算环件体积和截面积

环件体积                                               按下式计算

其中，、分别为环件内、外半径；为环件高度；为台阶的高度；分别为环件小内径和大内径处的壁厚；为切割余量。

环件截面积按下式计算

。

2）确定轧制比

轧制比为环件毛坯截面积与环件截面积之比，它反映了环件毛坯轧制变形程度，对成形环件几何尺寸和内部组织有着直接影响。尤其对于本发明大型内台阶截面环件轧制，轧制比太小直接影响到轧制过程中金属流动分配和凹槽成形。对于本发明大型内台阶环件对称轧制，为了保证轧制过程中环件毛坯金属能充分填充凹槽，并获得细小均匀的晶粒组织且避免内部损伤和裂纹产生，值取2.5～4较合适。

3）确定径向和轴向进给量比值

轧制过程中，环件毛坯径向壁厚和轴向高度同时减小，径向和轴向进给量的匹配设计对轧制过程稳定性和成形环件几何精度影响重大。对于大型内台阶环件对称轧制，径向和轴向进给量比值可按下式确定：

其中，、分别为环件轧制径向和轴向进给量，、为环件毛坯壁厚和高度，为修正系数，取值范围为1~2。

4）确定环件毛坯壁厚和高度

根据轧制比、径向和轴向进给量比值，可确定环件毛坯壁厚和高度为

，，

5）确定环件毛坯内、外半径

根据毛坯壁厚、高度和环件体积，基于塑性变形体积不变原理，可确定环件毛坯外半径、内半径为

，

（2）轧制孔型设计：轧制孔型由驱动辊工作面和芯辊工作面确定。其中，驱动辊工作面为圆柱面，芯辊工作面为带有凸台的圆柱面（即芯辊工作面由中间的凸台工作面和芯辊上下工作面组成），用以成形环件凹槽。驱动辊和芯辊工作面尺寸按如下确定：

1）确定驱动辊工作面半径

为了保证环件轧制稳定性，驱动辊线速度通常取1.1～1.3m/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，为电机转速，为传动比，轧制设备确定后，即可确定、，进而确定。

2）确定芯辊凸台尺寸

芯辊凸台用来成形环件内表面凹槽，其尺寸与环件内表面凹槽相对应，可确定如下

其中，分别为芯辊凸台厚度和高度。