[发明专利]薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法

权利要求书

1.一种薄壁带内环筋锥筒约束辗轧高筋成形极限的预测方法，所述薄壁带内环筋锥筒终锻件由锥形蒙皮和分布在蒙皮内锥面两端的环筋组成，约束辗轧终锻件的模具包括约束模、锥形轧辊和轴向挡板；将锥形环坯放置于约束模的锥形型腔，约束模两端均用轴向挡板连接，锥形轧辊与锥形环坯内表面贴合；约束模主动旋转并带动轴向挡板、锥形环坯绕自轴转动，锥形轧辊被动旋转并径向进给挤压锥形环坯内锥面；在约束模、轴向挡板和锥形轧辊的共同作用下，锥形环坯外径和轴向高度保持不变，锥形环坯壁厚不断减小，迫使金属流入由锥形轧辊和约束模组成的型腔，从而在锥形环坯内表面两端形成环筋，最终获得薄壁带内环筋锥筒终锻件，其特征在于，预测方法包括以下步骤：

S1、将约束辗轧过程中的锥形环坯划分为多个变形区，其中，大端环筋为I区，大端过渡段为II区，锥形蒙皮上段为III区，锥形蒙皮下段为IV区，小端过渡段为V区，小端环筋为VI区；III区与IV区的交界处为金属分流面，约束辗轧过程中，III区金属向上流动从而填充大端环筋，IV区金属向下流动从而填充小端环筋；在锥形蒙皮外锥面上选取一条母线，延长该母线使其与锥形蒙皮中心线相交于点O，以O点为原点建立柱坐标系，柱坐标系Z轴与锥形蒙皮中心线重合；将整个约束辗轧分成n个道次，每道次锥形轧辊的进给量相等；

S2、在S1建立的柱坐标系下，基于主应力法建立计算第i道次约束辗轧时锥形蒙皮处分流面的数学模型，如式(1)所示：

式中，Z_ki为第i道次约束辗轧时分流面对应的Z轴坐标值，Z_b为II区下端对应的Z轴坐标值，Z_s为V区上端对应的Z轴坐标值，t_i为第i道次约束辗轧前锥形蒙皮沿其径向的壁厚，m为坯料与模具之间的摩擦系数，β为锥形蒙皮锥角，f_bi为第i道次约束辗轧前II区下端处的轴向应力，f_si为第i道次约束辗轧前V区上端处的轴向应力，K为材料强度参数，K＝σ_s/2,σ_s为材料屈服强度；

S3，基于上限功率法，依次计算第i道次约束辗轧前II区下端处的轴向应力、V区上端处的轴向应力，如式(2)-(7)所示：

式中，η为折算系数，为第i道次约束辗轧前II区左端处的径向应力，为第i道次约束辗轧前V区左端处的径向应力，h₁为大端环筋的轴向宽度，h₂为小端环筋的轴向宽度；

S4，在S1建立的柱坐标系下，基于主应力法建立计算第i道次约束辗轧前I区右端处的径向应力VI区右端处的径向应力的数学模型；S4中分别等于第i道次约束辗轧前I区右端处的径向应力、VI区右端处的径向应力，如式(8)-(9)所示：

式中，w_bi为第i道次约束辗轧前大端环筋的径向高度，w_si为第i道次约束辗轧前小端环筋的径向高度，a为约束辗轧成形过程中约束模旋转1周时锥形轧辊的径向进给量，r_b为锥形轧辊大端半径，r_s为锥形轧辊小端半径；

S5，将S4中代入到S4建立的公式中，得到f_bi,f_si；将f_bi,f_si代入到S3建立的公式中，得到第i道次约束辗轧时分流面对应的Z轴坐标Z_ki；根据分流面位置和体积守恒原则，建立计算第i道次约束辗轧结束时大端环筋内径相对上一道次的减小量Δr_i的数学模型，如式(10)所示；建立计算第i道次约束辗轧结束时小端环筋内径相对上一道次的减小量ΔR_i的数学模型，如式(11)所示；根据Δr_i和ΔR_i，计算第i道次约束辗轧结束时大端环筋径向高度w_b(i+1)和小端环筋径向高度w_s(i+1)的数学模型，如式(12)所示；

式(10)-(12)中，t₀为锥形环坯沿其径向的壁厚，Δt为每道次约束辗轧时锥形轧辊的径向进给量，A_i为第i道次约束辗轧时分配给大端环筋的金属体积的倍，B_i为第i道次约束辗轧前大端环筋的内径，C_i为第i道次约束辗轧时分配给小端环筋的金属体积的倍，D_i为第i道次约束辗轧前小端环筋的内径；

S6，按照步骤S2-S5，编写计算第i道次约束辗轧结束时两端环筋径向高度的程序，并按照式(13)对参数w_b1,w_s1进行赋值；最终得到第n道次约束辗轧结束时终锻件两端环筋径向高度的预测值，如式(14)所示，从而确定终锻件两端环筋的成形极限；