大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法
阅读说明：本技术 大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法 (Near-net composite rolling forming method for large inner contour abrupt cross-section ring piece ) 是由 钱东升 华林 邓加东 兰箭 汪小凯 王丰 吴荣文 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法,包括以下步骤：对镦粗冲孔后的矩形截面环坯通过开式轧制,获得大直径矩形截面环坯以用于后续对环坯内表面进行突变截面成形；将环件开式轧制预轧成形得到的大直径矩形截面环坯放置于轧制闭式模具中进行径向闭式轧制成形,当环件截面轮廓填充完成后,得到目标锻件,轧制闭式模具包括位于大直径矩形截面环坯内的第二芯辊、套于大直径矩形截面环坯外的环形约束模以及位于环形约束模外侧的第二驱动辊。本发明提出的大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法,可实现低原材料消耗、高效率成形,并提高产品综合力学性能。(The invention discloses a near-net composite rolling forming method for a large inner contour abrupt cross-section ring piece, which comprises the following steps of: open rolling the upset and punched rectangular section ring blank to obtain a large-diameter rectangular section ring blank for performing abrupt cross section forming on the inner surface of the ring blank; and placing the large-diameter rectangular-section ring blank obtained by ring open rolling and pre-rolling forming into a closed rolling die for radial closed rolling forming, and obtaining the target forge piece after the ring section contour is filled, wherein the closed rolling die comprises a second core roller positioned in the large-diameter rectangular-section ring blank, an annular restraining die sleeved outside the large-diameter rectangular-section ring blank and a second driving roller positioned outside the annular restraining die. The near-net composite rolling forming method for the large inner contour abrupt cross-section ring piece can realize low raw material consumption and high-efficiency forming and improve the comprehensive mechanical property of a product.)
技术领域
本发明涉及轧制方法技术领域，尤其涉及一种大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法。
背景技术
大型内轮廓突变截面环件是指直径1米以上、外表面直壁、内表面带有若干个突变台阶特征的环形构件，该类环件在航空、航天等重大装备的关键构件中有着广泛应用，对产品综合性能有较高要求。环件轧制是一种通过连续局部塑性成形制造高质量无缝环件的先进方法，其具有高效率、低消耗、高质量以及低耗材等生产优点。然而，对于这类内表面带有若干个突变截面环件轧制而言，其轧制所需的环坯设计和台阶成形较为困难。针对该类复杂环形构件，目前的主流制造工艺主要是通过环件径向或径轴向轧制成形获得矩形截面环件，再通过切削的方法加工出内表面突变台阶。这种方法不仅造成材料大量浪费、加工效率低，而且切削加工会破坏金属原有流线的完整性，削弱了环件的力学性能。因此，亟需开发一种适合于大型内轮廓突变截面环件的成形方法，实现该类环件低原材料消耗、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内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，旨在实现低原材料消耗、高效率成形，并提高产品综合力学性能。
为实现上述目的，本发明提供一种大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，包括以下步骤：
对镦粗冲孔后的矩形截面环坯通过开式轧制，获得大直径矩形截面环坯以用于后续对环坯内表面进行突变截面成形，开式轧制模具包括位于矩形截面环坯内的第一芯辊以及位于矩形截面环坯外侧的第一驱动辊；
将环件开式轧制预轧成形得到的大直径矩形截面环坯放置于轧制闭式模具中进行径向闭式轧制成形，当环件截面轮廓填充完成后，得到目标锻件，轧制闭式模具包括位于大直径矩形截面环坯内的第二芯辊、套于大直径矩形截面环坯外的环形约束模以及位于环形约束模外侧的第二驱动辊，通过第二驱动辊带动环形约束模转动，从而带动大直径矩形截面环坯转动，第二芯辊做进给运动并随大直径矩形截面环坯做从动的旋转运动。
优选地，开式轧制时得到的大直径矩形截面环坯尺寸如下：
其中，D、d、B分别为大直径矩形截面环坯的外径、内径、高度；Df为目标锻件的外径，Bf为目标锻件高度；V为目标锻件的体积， dfi分别为目标锻件由上到下各内孔台阶内孔直径，Bfi分别为目标锻件由上到下各台阶的高度，n为目标锻件台阶的数量；
镦粗冲孔后环坯的尺寸如下：
其中，D0、d0、B0分别为镦粗冲孔后环坯的外径、内径、高度，K为当量轧比。
优选地，所述第二芯辊工作表面的台阶的最大直径由下式确定：
0<DCi-max≤0.8d(i＝1,2,3,…,n)；
其中，DCi-max为芯辊工作表面的台阶的最大直径。
优选地，所述第二芯辊外表面各台阶的高度由下式确定：
Bci＝Bfi(i＝1,2,3,…,n)；
其中，BCi分别为第二芯辊由上到下各台阶高度。
优选地，所述环形约束模的内径等于目标锻件的外径，高度等于目标锻件的高度，环形约束模的尺寸由下式计算：
其中，dDie、BDie分别为环形约束模的内径、高度。
优选地，目标锻件壁厚最薄处的台阶内孔直径为dfi-min，第二芯辊的总进给量
优选地，所述第二芯辊的进给速度v满足以下条件:
vmin≤v≤vmax；
其中，R1为第二驱动辊半径，n1为第二驱动辊转速，R2为第二芯辊最大台阶半径，β为接触摩擦角，vmin为第二芯辊最小进给速度，vmax为第二芯辊最大进给速度。
优选地，第二芯辊分为初始轧制阶段、主轧制阶段、整圆阶段三个阶段进给，第二芯辊在主轧制阶段的进给速度大于初始轧制阶段和整圆阶段的进给速度。
优选地，初始轧制阶段进给量：ΔH1＝(0.05～0.2)ΔH；
初始轧制进给速度：
主轧制阶段进给量：ΔH2＝(0.6～0.8)ΔH；
主轧制阶段进给速度：
整圆阶段进给量：ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2；
整圆阶段进给速度：
优选地，采用闭式轧制时，第二驱动辊的两端均设有限位端板以限定环坯变形的最大高度。
本发明提出的大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，通过开式轧制成形大直径矩形截面环坯，其尺寸精度好，稳定性好，效率高；通过闭式轧制可近净成形内表面突变轮廓，成形精度高，极大的减少了后期机加工成本，提高了原材料的利用率，流线分布更完整，提高产品力学性能。此外闭式轧制过程增加环件高度方向变形量，改善环件的轴向力学性能。
附图说明
图1为本发明目标锻件一实施例的剖视结构示意图；
图2为本发明大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法的流程示意图；
图3a为图2所示A-A方向在大直径矩形截面环坯开始轧制时的结构示意图；
图3b为图2所示A-A方向在大直径矩形截面环坯轧制结束时的结构示意图；
图4a为本发明大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在闭式轧制开始时刻的俯视结构示意图；
图4b为本发明大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在闭式轧制开始时刻的剖视结构示意图；
图5a为本发明大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在闭式轧制结束时刻的俯视结构示意图；
图5b为本发明大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在闭式轧制结束时刻的剖视结构示意图；
图6为本发明大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法在闭式轧制时第二芯辊的进给曲线示意图。
图中，1-第二驱动辊，2-导向辊，3-第二芯辊，4-环形约束模，5-异形环件，6-限位端板。
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5b，本发明提出一种大型内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，对镦粗冲孔后的矩形截面环坯通过开式轧制，获得大直径矩形截面环坯以用于后续对环坯内表面进行突变截面成形，开式轧制模具包括位于矩形截面环坯内的第一芯辊以及位于矩形截面环坯外侧的第一驱动辊；
步骤S20，将环件开式轧制预轧成形得到的大直径矩形截面环坯放置于轧制闭式模具中进行径向闭式轧制成形，当环件截面轮廓填充完成后，得到目标锻件，轧制闭式模具包括位于大直径矩形截面环坯内的第二芯辊3、套于大直径矩形截面环坯外的环形约束模4以及位于环形约束模4外侧的第二驱动辊1，通过第二驱动辊1带动环形约束模4转动，从而带动大直径矩形截面环坯转动，第二芯辊3做进给运动并随大直径矩形截面环坯做从动的旋转运动。
图2左边为开式轧制示意图，右边为闭式轧制示意图。
步骤S10中，开式轧制时得到的大直径矩形截面环坯尺寸如下：
其中，D、d、B分别为大直径矩形截面环坯的外径、内径、高度；Df为目标锻件的外径，Bf为目标锻件的高度；V为目标锻件的体积， dfi分别为目标锻件由上到下各内孔台阶内孔直径，Bfi分别为目标锻件由上到下各台阶的高度，n为目标锻件台阶的数量。
步骤S10中，镦粗冲孔后环坯的尺寸如下：
其中，D0、d0、B0分别为镦粗冲孔后环坯的外径、内径、高度，K为当量轧比，K通常取1.2～3。
步骤S20中，采用闭式轧制时，第二驱动辊1的两端均设有限位端板6以限定环坯变形的最大高度。
第二芯辊3工作表面的台阶的最大直径由下式确定：
0<DCi-max≤0.8d(i＝1,2,3,…,n)；
其中，DCi-max为芯辊工作表面的台阶的最大直径。
第二芯辊3外表面各台阶的高度由下式确定：
Bci＝Bfi(i＝1,2,3,…,n)；
其中，BCi分别为第二芯辊3由上到下各台阶高度。
环形约束模4的内径等于目标锻件的外径，高度等于目标锻件的高度，环形约束模4的尺寸由下式计算：
其中，dDie、BDie分别为环形约束模4的内径、高度。
目标锻件壁厚最薄处的台阶内孔直径为dfi-min，第二芯辊3的总进给量
第二芯辊3的进给速度v满足以下条件:
vmin≤v≤vmax；
其中，R1为第二驱动辊1半径，n1为第二驱动辊1转速，R2为第二芯辊3最大台阶半径，β为接触摩擦角，vmin为第二芯辊3最小进给速度，vmax为第二芯辊3最大进给速度。
第二芯辊3分为初始轧制阶段、主轧制阶段、整圆阶段三个阶段进给，第二芯辊3在主轧制阶段的进给速度大于初始轧制阶段和整圆阶段的进给速度。在初始轧制阶段，第二芯辊3低速进给，使环坯满足咬入条件。在主轧制阶段，第二芯辊3高速进给，环件的突变截面逐渐成形，轴向高度会相应增加。并且由于环形约束模4的限制，在闭式轧制过程中，环件外径基本不变。此外，当环件的高度增加至接触第二驱动辊1的端面时，环件金属的轴向窜动被限制，高度基本保持不变。在整圆阶段，第二芯辊3低速进给，进行圆度修整。当环件截面轮廓填充完成后，轧制结束。
具体地，参照图6，初始轧制阶段进给量：ΔH1＝(0.05～0.2)ΔH；
初始轧制进给速度：
主轧制阶段进给量：ΔH2＝(0.6～0.8)ΔH；
主轧制阶段进给速度：
整圆阶段进给量：ΔH3＝ΔH-ΔH1-ΔH2；
整圆阶段进给速度：
以下以n＝5，即目标锻件有5个台阶具体为例，来说明本大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法。
目标锻件各尺寸为：Df＝3000mm，df1＝2262mm，Bf1＝100mm，df2＝2692mm，Bf2＝100mm，df3＝2346mm，Bf3＝100mm，df4＝2692mm,Bf4＝100mm，df5＝2187mm，Bf5＝100mm，复合轧制成形方法步骤如下：
(1)开式轧制成形大直径矩形截面环坯
如图3a和图3b所示，对镦粗冲孔后的矩形截面环坯通过环件开式轧制预轧成形获得大直径矩形截面环坯，在预成形过程中，在第一驱动辊和第一芯辊的共同作用下，实现坯料的壁厚减薄，内、外直径扩大，高度基本保持不变。其中，预轧成形环坯尺寸为：d＝2391mm，B＝460mm，D＝3000mm，预轧开始环坯尺寸为：d0＝996mm，B0＝460mm，D0＝2068mm，当量轧比K＝2.4。
(2)闭式轧制成形内轮廓突变截面环件
将开式轧制成形得到的大直径矩形截面环坯放置于环形约束模4中进行闭式轧制成形。在闭式轧制净近成形过程中，由第二驱动辊1带动环形约束模4转动，从而带动环坯转动，第二芯辊3做进给运动并随环坯做从动的旋转运动。在开始阶段，第二芯辊3低速进给，使环坯满足咬入条件。在主轧阶段，第二芯辊3高速进给，环件的突变截面逐渐成形，轴向高度会相应增加。并且由于环形约束模4的限制，在闭式轧制过程中，环件外径基本不变。此外，当环件的高度增加至接触第二驱动辊1的端面时，环件金属的轴向窜动被限制，高度也基本保持不变。在整圆阶段，芯辊低速进给，进行圆度修整。当环件截面轮廓填充完成后，轧制结束，如图4和图5所示。
如图4所示，采用闭式轧制，并且第二驱动辊1的两端均设有限位端板，所以在闭式轧制成形过程中，当环坯的变形高度达到预设的高度时，其轴向高度基本保持不变。
上述方案中，第二芯辊3工作表面的形状与尺寸和环件锻件内表面的形状与尺寸保持一致，第二芯辊3外表面各台阶的尺寸为：
DC1＝1005mm，BC1＝100mm，DC2＝1435mm，BC2＝100mm，DC3＝1089mm，BC3＝100mm，DC4＝1435mm，BC4＝100mm，DC5＝930mm，BC5＝100mm。
上述方案中，环形约束模4的内径等于环件锻件外径，高度等于锻件高度；环形约束模4的相关尺寸为：dDie＝3000mm，BDie＝500mm。其中，其外径DDie＝3300mm。
上述方案中，目标环形锻件壁厚最薄处的台阶内孔直径：
df2＝df4＝2692mm，
大直径矩形截面环坯的内孔直径为d＝2391mm，则第二芯辊3的总进给量ΔH＝151mm。
上述方案中，第二芯辊3进给速度按照初始轧制阶段、主轧制阶段、整圆阶段三个阶段规划，如图6所示：
初始轧制阶段进给量为30mm，初始轧制进给速度为1mm/s；
主轧制阶段进给量为100mm，主轧制阶段进给速度为2.5mm/s；
整圆阶段进给量为21mm，整圆阶段进给速度为1.5mm/s；
本发明提出的大型内轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法，通过开式轧制成形大直径矩形截面环坯，其尺寸精度好，稳定性好，效率高；通过闭式轧制可近净成形内表面突变轮廓，成形精度高，极大的减少了后期机加工成本，提高了原材料的利用率，流线分布更完整，提高产品力学性能。此外闭式轧制过程增加环件高度方向变形量，改善环件的轴向力学性能。
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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：大型外轮廓突变截面环件近净复合轧制成形方法