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1、大型环形件辗扩工艺,主要内容,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
2、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、加速轧制过程：用较大的速度进给，目的是使环件快速长大，提高生产率。 3、稳定轧制过程：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
3、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
4、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
5、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
6、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,环件的直径扩大运动 环件的旋转运动 驱动辊的旋转轧制运动 芯辊的直线进给运动 锥辊的旋转运动和轴向进给运动 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
7、件的转速逐渐减小。,轧制的直线进给运动,径向进给速度v=n1R1h/R 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
8、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,毛坯尺寸 轧制比 轧辊尺寸 轧辊旋转速度 轧辊进给速度 轧制温度与轧制压力,毛坯尺寸,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。 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,轧制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
9、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,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造成本，通常锥顶角的取值在30-45内。,轧辊的转速,驱动辊和锥辊转速的选取应使环件的线速度取值在0.4
10、-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。 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,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。 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,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。 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、环形件轧制工艺流程,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,轧环设备卧式轧环机,