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1、 大型环形件辗扩工艺主要内容环形件轧制概况大型环形件径轴向轧制条件大型环形件轧制过程运动及变形分析大型环形件径轴向轧制主要工艺参数环形件轧制设备及工艺规程一、环形件轧制概况 环形件轧制又称环件辗扩或扩孔，它是借助环形件轧 机和轧制制孔型使坏件产生连续局部塑性变形，进而实现 壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺，它 适用于生产各种形状尺寸的环形机械零件。用于轧制成形的环件材料主要有：碳素钢、合金工具 钢、不锈钢、铝合金、铜合金、钛合金、钴合金等。轧制 的环件外径尺寸为由15-10000mm，环件高度为15一 4000mm，环件的重量为02-82000Kg。与整体模锻成形工艺相比，它具有
2、环件精度高 、加工余量少、材料利用率高；环件内部质量好 ；设备吨位小、加工范围大；生产率高、生产成 本低等低等显著技术经济优点。环形件轧制根据其工艺特点可以分为径向轧制 和径轴向轧制。环形件径向轧制环形件径轴向轧制环形件轧制过程环件轧制分为5个过程：1、咬入过过程：实现环 件的咬入，消除环坯的径向壁厚差，提 高环坯圆度，使轧制过程稳定，避免设备颤动 。 2、加速轧轧制过过程：用较大的速度进给 ，目的是使环件快速长 大，提高生产率。 3、稳稳定轧轧制过过程：目的是使环件长大速度稳定，便以控制环 件尺寸。 4、减速过过程：减小进给 速度，目的是使环件的弹性变形得到 缓慢释放。 5、成形整圆过圆过
3、程：小进给 量加无进给 空转，目的在于提高环 件精度，降低环件椭圆 度。二、环形件轧制条件要实现环件的连续稳定轧制，必须满足以下条件： 1、咬入条件：环件要能够连续咬入孔型并连续转动。 2、锻透条件：环件塑性变形要能够穿透环件壁厚，使环 件产生壁厚减小，直径扩大的塑性变形。 3、刚度条件：环件轧制过程中能够承受导向辊定心力所 产生的弯矩。径向孔型咬入条件其中： R1-驱动辊半径 R2-芯辊半径 R-环件外圆半径 -环件内圆半径-摩擦角环件咬入径向孔型模型轴向孔型咬入条件环件咬入轴向孔型模型得到咬入条件与每转进给量的关系：其中： S-环件中径线与锥辊接触处与锥辊定点间的 距离 -锥形轧辊锥顶角的
4、一半-轴向孔型摩擦角两孔型咬入条件的相互影响在径轴向轧制中，两孔型咬入条件相互促进。例 如：若径向已咬入，驱动辊的旋转运动会对环件产生 盈余驱动力，即使轴向轧制每转进给量超出咬入条件 所允许的最大每转进给量，也能顺利咬入。如果咬入条件得不到满足，那么环件将不随驱动辊 转动，环件与驱动辊相对滑动，环件无法产生变形， 轧制过程终止。径向孔型锻透条件以平面滑移线理论为基础，通过简化 计算，得出每转进给量与锻透条件的 关系：其中： R1-驱动辊半径 R2-芯辊半径 R-环件外圆半径 r-环件内圆半径环件径向轧制锻透模型轴向孔型锻透条件通过简化计算，同样可以得到轴向 每转进给量与锻透条件的关系：环件轴向
5、轧制锻透模型其中： B-环件轴向高度 Si-锥辊与环件内径接触线与锥辊顶 点间距离 -锥形轧辊锥顶角的一半两孔型间锻透条件的影响两孔型间的轧制过程对彼此孔型中锻透条件的满足 起到相互促进的作用。例如：在实际生产中，由于径 向孔型的进给作用，会在变形区的端面形成一定的宽 展，进而增大了轴向孔型中的咬入量，间接增大了轴 向轧制进给量，有利于轴向孔型的锻透。如果环件在轧制过程中无法满足锻透条件，那么环 件将无法产生直径扩大的塑性变形，环件将只转动但 直径并不扩大。径轴向轧制的刚度条件环件受力分析图环件刚度条件的力学模型刚度条件径轴向轧制刚度条件与环件中经间的关系：其中： H-环件壁厚 R1-驱动辊半
6、径-导向辊的位置角 R2-芯辊半径 h-径向每转进给量 1-径向孔型摩擦系数 ha-轴向每转进给量 2-轴向孔型摩擦系数 B-环件高度 -锥辊锥顶角的一半 S-环件轴向端面变形区中心到锥顶的距离三、径轴向轧制的运动分析n环件的直径扩大运动n环件的旋转运动n驱动辊的旋转轧制运动n芯辊的直线进给运动n锥辊的旋转运动和轴向进给运动n导向辊的导向运动环件的直径扩大运动通过体积不变定理，简化计算出环件外径和内径的扩大速度 ：其中： B0-坯料高度 B-环件瞬时高度 H0-坯料厚度 H-环件瞬时壁厚 V-径向进给速度 R0-坯料外径 Va-轴向进给速度 r0-坯料内径环件的旋转运动忽略环件轧制中的滑动，则
7、驱动辊的线速度等于环件外圆的线速 度，也等于轴线锥辊与环件端面接触线处的线速度，即：可见，在驱动辊转速恒定时，随着环件直径的扩大，环件的 转速逐渐减小。轧制的直线进给运动n径向进给速度v=n1R1h/Rn轴向进给速度va=n1R1ha/Ra进给速度有极限值 ：驱动辊的旋转轧制运动驱动辊旋转转速 ：锥辊旋转转速：轧辊旋转速度有极限值：驱动辊转速要平衡轧制力矩和环件旋转线速度间的关系 。锥辊与环件接触区旋转运动分析环件和锥辊在X处的线速度：两者线速度间的差值：要保证稳定轧制，就要使Vx尽量小锥辊转速与环件转速关系分析环件在轴向轴向孔型中的受力简图环件轧制过程中切向受力图锥辊速度大于环件速度滑动摩擦
8、代替 滚动摩擦FaxFrx环件向轴向孔 型输出侧偏移锥辊转速小于环件转速Fax与Frx方向相同 ，环件向径向孔型 输出侧偏移导向辊的运动模型导向辊位置示意图四、径轴向轧制过程的工艺参数n毛坯尺寸n轧制比n轧辊尺寸n轧辊旋转速度n轧辊进给速度n轧制温度与轧制压力毛坯尺寸n轧制过程中，不同尺寸的毛坯配合相应的工艺参数均能获得质量 较好的同一环件产品。n毛坯尺寸的选取原则：根据体积不变原理进行计算，毛坯高度和 厚度选取要适宜，高厚比不能太大。高厚比太大导致的严重宽展高厚比太大导致： 径轴向变形量都比较大，轧制时 形成严重的宽展，轧制速度必须 取得很小才能保证轧制顺利进行 ，降低轧制效率。轧制比n轧制
9、比定义为轧制前毛坯环件的截面积与轧制 后产品环件的截面积之比。若轧比太大，因为毛坯高度不 能太大，则壁厚尺寸较大，轧 制时容易产生严重的轴向宽展 ，导致并且轧制时间较长。若轧比大小，轧制较容易，意 义不大。一般来说，轧比应在2-3.5之间 。径向轧辊尺寸n为了满足轧制条件，每转进给量有限制，因此轧辊存 在极限尺寸：驱动辊半径 ：芯辊半径 ：轴向锥辊尺寸锥辊形状示意图轴心线长度L：若L太小，那么环件变形过程中容易滑 出锥辊母线之外，影响轧制过程。 若L太大，那么机架尺寸也较大，增加 设备成本。锥顶角2 ：的增大有利于轴向孔型咬入条件， 锻透条件和刚度条件的满足。但是 角的增大会增加设备的载荷和制
10、造成 本，通常锥顶角的取值在30-45内 。轧辊的转速n驱动辊和锥辊转速的选取应使环件的线速度取值在0.4-1.6mm/s 内，线速度过大会导致轧制过程的不稳定，过小会导致每转进给 量增大而无法满足咬入条件，且环件冷却较快，增加变形抗力。n驱动辊和锥辊的线速度应该匹配，否则环件易产生折叠现象。轧辊进给速度n轧辊的进给速度直接影响环件直径长大速度，宽展情况，轧制力 和轧制力矩，进给速度太快会导致环件轧制过程不稳定，容易产 生塑性失稳，并且会增大设备负荷。太慢会造成径轴向宽展较大 ，延长轧制时间，降低生产效率。n综合考虑径轴向轧制过程中各种轧制条件对进给速度的限制，轧 制过程中应使环件直径长大速度在5-20mm/s范围内。轧辊进给速度 ：轧辊进给速度存在极限值 ：轧制温度与轧制压力n轧制温度按照材料的锻造温度选取，生产中采用两火加热，一火 制坯，一火轧环。n轧制压力由环件瞬时尺寸，进给速度，芯辊尺寸等因素确定，应 在设备允许的范围内。五、环环形件轧轧制工艺艺流程n大型环件轧制的基本工艺流程为：原材料检验下料称重加热制坯再加热 轧环热处理校验检验轧环设备立式轧环机轧环设备轧环设备 卧式轧环轧环 机
