[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

说明书

本发明涉及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，包括以下步骤：S1，将整个约束辗轧分为n个道次，并建立相应的柱坐标系；S2，基于柱坐标系，建立计算第i道次约束辗轧时分流面的数学模型；S3，建立计算第i道次约束辗轧时锥形蒙皮两端处轴向应力的数学模型；S4，将S3建立的模型代入S2建立的模型中，得到第i道次约束辗轧时分流面位置；S5，建立计算第i道次约束辗轧时两端环筋径向高度增加量的数学模型；S6，计算每个道次约束辗轧时两端环筋径向高度，得到薄壁带内环筋锥筒终锻件两端环筋的径向高度。本发明能够快速预测出约束辗轧结束时，薄壁带内环筋锥筒终锻件两端环筋的径向高度，从而获得终锻件两端环筋的成形极限。

技术领域

本发明涉及薄壁带内环筋锥筒约束辗轧领域，更具体地说，涉及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。

背景技术

运载火箭、人造卫星等运载装备是国际科技与国防竞争的战略制高点。新型运载装备为了提升运载能力、速度、航程等关键性能指标，其主体结构大量采用薄壁带筋整体构件。薄壁带内环筋锥筒是新型运载装备关键主承载构件，由锥形蒙皮和分布在蒙皮内锥面两端的环筋组成，其特点是蒙皮壁薄、筋高。针对这类结构极端的构件，现有的制造方法为切削加工。然而，切削加工会切断金属流线从而降低构件力学性能，导致其难以满足薄壁带内环筋锥筒高性能制造要求。通过塑性加工，构件能够获得均匀细小的组织和连续的金属流线，其力学性能可大幅提高。约束辗轧可以实现薄壁带内环筋锥筒高性能近净成形制造，但由于材料、结构和工艺复杂性，约束辗轧过程中薄壁带内环筋锥筒受力状态和金属流动模式十分复杂，高筋成形极限难以预测，从而导致环坯、模具和工艺参数难以设计，严重制约了高性能薄壁带内环筋锥筒约束辗轧制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供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，可以精确高效预测高筋成形极限。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造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，约束辗轧该构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，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)；