一种GCr15钢薄壁深筒环件双向联合辗轧成形的方法

摘要

一种GCr15钢薄壁深筒环件双向联合辗轧成形的方法，其步骤是：首先，确定薄壁深筒环件产品的材料属性为GCr15钢以及其几何尺寸取值，并确定环件双向联合辗轧时的毛坯和芯辊分别为矩形截面毛坯和矩形截面芯辊；其次，根据所确定的辗轧比和变形量分配比取值计算出矩形截面毛坯几何尺寸取值，并据此加工制作GCr15钢矩形截面毛坯；再次，将GCr15钢矩形截面毛坯放入加热炉中加热，当温度达到1150±30

说明书

技术领域

本发明属于环件辗轧精确塑性成形制造技术领域，具体涉及一种GCr15钢薄壁深筒环件双向联合辗轧成形的方法。

背景技术

薄壁深筒环件广泛应用于航空航天、能源、汽车、船舶、化工等工业领域中的高颈法兰和高压桶形阀等装备中。它不仅要求具有较高的精度，而且要求具有较好的性能。薄壁深筒环件传统的加工制造工艺为机械加工与马架扩孔工艺，但它们存在的变形抗力大、能源材料消耗大、后续机加工量大等缺点。

环件双向联合辗轧作为一种先进塑性成形技术，具有产品性能好、材料利用率高和生产成本低等优点，是目前世界各国石油化工、能源机械、汽车和航空航天等高技术领域中的零构件成形制造实现轻量化、精确化、柔性化、高性能、高效率、低成本和短周期的重要途径。因此，申请号为【201210472643.7】的发明专利公开了一种筒形件的精密轧制成形方法及装置，申请号【201310047547.2】的发明公开了一种双金属筒形件的精密轧制成形方法，环件双向联合辗轧近年来已被开始用来加工制造筒形环件。但在这两份发明专利中，虽然利用了环件双向联合辗轧技术，但在成形制造过程中是先进行径向轧制(即环件的壁厚减小、轴向高度不变、内外半径扩大)再进行轴向轧制(即环件的壁厚减小、轴向高度增大、内外半径不变)，这种方式未能充分发挥出环件双向联合辗轧的优点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种GCr15钢薄壁深筒环件双向联合辗轧成形的方法，具有生产效率高、生产成本低的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种GCr15钢薄壁深筒环件双向联合辗轧成形的方法，包括如下步骤：

步骤一，确定薄壁深筒环件的材料为GCr15钢；

步骤二，确定薄壁深筒环件几何尺寸的取值，薄壁深筒环件的几何尺寸包括薄壁深筒环件的外半径R_R、内半径r_R、径向壁厚W_R和轴向高度H_R；

步骤三，选定环件双向联合辗轧时的毛坯为矩形截面毛坯，且其材料为GCr15钢；

步骤四，确定环件双向联合辗轧时的芯辊为矩形截面芯辊，且其外半径取值为R_M；

步骤五，确定出辗轧比λ值，先按不等式(1)计算出辗轧比λ的合理取值范围，再在所计算出的辗轧比λ合理取值范围选择确定出一个辗轧比λ值；

$1<\lambda <\frac{-R_M+\sqrt{R_M^2+W_R(2R_R-W_R)}}{W_R}---\left(1\right)$

步骤六，确定出变形量分配比k值，先按不等式(2)计算出变形量分配比k的合理取值范围，再在所计算出的变形量分配比k合理取值范围选择确定出一个变形量分配比k值；

$\frac{(W_R+\lambda R_M+{\lambda }^2{W}_R-2R_R)\lambda H_R}{(2R_R-W_R-\lambda R_M)(2R_R-W_R-\lambda R_M-\lambda W_R)}<k<0---\left(2\right)$

步骤七，计算确定出矩形截面毛坯几何尺寸的取值，矩形截面毛坯几何尺寸具体为矩形截面毛坯的径向壁厚W_B按式(3)计算取值、矩形截面毛坯的轴向高度H_B按式(4)计算取值、矩形截面毛坯的内半径r_B按式(5)计算取值、矩形截面毛坯的外半径R_B按式(6)计算取值；

$W_B=\frac{(W_{R}k-H_R)-\sqrt{{(W_{R}k-H_R)}^2+4\lambda W_R{H}_{R}k}}{2k}---\left(3\right)$

$H_B=\frac{\lambda W_R{H}_R}{W_B}---\left(4\right)$

$r_B=\frac{(2R_R-W_R)W_R{H}_R}{2W_B{H}_B}-\frac{W_B}{2}---\left(5\right)$

$R_B=\frac{(2R_R-W_R)W_R{H}_R}{2W_B{H}_B}+\frac{W_B}{2}---\left(6\right)$

步骤八，加工制作出GCr15钢矩形截面毛坯，将GCr15钢棒料段从室温均匀加热到1150±30℃，然后将热态GCr15钢棒料段镦粗、冲孔、去应力退火，按步骤七中计算出的矩形截面毛坯几何尺寸取值加工制作成环件双向联合辗轧用的GCr15钢矩形截面毛坯；

步骤九，将GCr15钢矩形截面毛坯放入加热炉中加热，当温度达到1150±30℃时取出并立刻将其放入双向联合辗轧机内，对其进行双向联合辗轧，使其产生径向壁厚减小、轴向高度增大、内外半径扩大的塑性变形而成为GCr15钢薄壁深筒环件产品。

本发明的有益效果是：

本发明采用环件双向联合辗轧工艺，对GCr15钢矩形截面毛坯经过多转连续的辗轧，使其产生径向壁厚减小、轴向高度增大、内外半径扩大的塑性变形，从而成形制造出达到预定 几何尺寸的GCr15钢薄壁深筒矩形截面环件产品。本发明能有效提高GCr15钢薄壁深筒环件产品的生产效率、缩短生产时间、降低生产成本，有利于促进环件辗轧精确塑性成形制造技术的进一步发展。

附图说明

图1为本发明的薄壁深筒矩形截面环件产品结构示意图。图中，环件产品的外半径为R_R、内半径为r_R、径向壁厚为W_R、轴向高度为H_R。

图2为本发明的矩形截面毛坯结构示意图。图中，矩形截面毛坯的外半径为R_B、内半径为r_B、径向壁厚为W_B、轴向高度为H_B。

图3为本发明的环件双向联合辗轧时的芯辊结构示意图。图中，芯辊的外半径为R_M。

图4为本发明的环件双向联合辗轧过程中环件截面变化示意图。其中，图4(a)为环件双向联合辗轧开始时的毛坯截面形状，其外半径为R_B、内半径为r_B、径向壁厚为W_B、轴向高度为H_B；图4(b)为环件双向联合辗轧开始后在P1时刻时的环件截面形状，此时环件的外半径为R_P1、内半径为r_P1、径向壁厚为W_P1、轴向高度为H_P1，且满足R_P1>R_B、r_P1>r_B、W_P1<W_B和H_P1>H_B；图4(c)为环件双向联合辗轧开始后在P2时刻时的环件截面形状，此时环件的外半径为R_P2、内半径为r_P2、径向壁厚为W_P2、轴向高度为H_P2，且满足P2>P1、R_P2>R_P1、r_P2>r_P1、W_P2<W_P1和H_P2>H_P1；图4(d)为环件双向联合辗轧结束时的环件截面形状，此时环件的外半径为R_R、内半径为r_R、径向壁厚为W_R、轴向高度为H_R，且满足R_R>R_P2、r_R>r_P2、W_R<W_P2和H_R>H_P2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但是所给出的实施例不会构成对本发明的限制。

一种GCr15钢薄壁深筒环件双向联合辗轧成形的方法，包括以下步骤：

步骤一，确定薄壁深筒环件的材料为GCr15钢；

步骤二，确定(如图1所示)薄壁深筒环件几何尺寸取值，薄壁深筒环件的几何尺寸包括薄壁深筒环件的外半径R_R、内半径r_R、径向壁厚W_R和轴向高度H_R；

步骤三，选定环件双向联合辗轧时的毛坯为(如图2所示)矩形截面毛坯，且其材料为GCr15钢；

步骤四，确定环件双向联合辗轧时的芯辊为(如图3所示)矩形截面芯辊，且其外半径 取值为R_M；

步骤五，确定出辗轧比λ值，先按不等式(1)计算出辗轧比λ的合理取值范围，再在所计算出的辗轧比λ合理取值范围选择确定出一个辗轧比λ值；

$1<\lambda <\frac{-R_M+\sqrt{R_M^2+W_R(2R_R-W_R)}}{W_R}---\left(1\right)$

步骤六，确定出变形量分配比k值，先按不等式(2)计算出变形量分配比k的合理取值范围，再在所计算出的变形量分配比k合理取值范围选择确定出一个变形量分配比k值；

$\frac{(W_R+\lambda R_M+{\lambda }^2{W}_R-2R_R)\lambda H_R}{(2R_R-W_R-\lambda R_M)(2R_R-W_R-\lambda R_M-\lambda W_R)}<k<0---\left(2\right)$

步骤七，计算确定出矩形截面毛坯几何尺寸的取值，矩形截面毛坯几何尺寸具体为矩形截面毛坯的径向壁厚W_B按式(3)计算取值、矩形截面毛坯的轴向高度H_B按式(4)计算取值、矩形截面毛坯的内半径r_B按式(5)计算取值、矩形截面毛坯的外半径R_B按式(6)计算取值；

$W_B=\frac{(W_{R}k-H_R)-\sqrt{{(W_{R}k-H_R)}^2+4\lambda W_R{H}_{R}k}}{2k}---\left(3\right)$

$H_B=\frac{\lambda W_R{H}_R}{W_B}---\left(4\right)$

$r_B=\frac{(2R_R-W_R)W_R{H}_R}{2W_B{H}_B}-\frac{W_B}{2}---\left(5\right)$

$R_B=\frac{(2R_R-W_R)W_R{H}_R}{2W_B{H}_B}+\frac{W_B}{2}---\left(6\right)$

步骤八，加工制作出GCr15钢矩形截面毛坯，将GCr15钢棒料段从室温均匀加热到1150±30℃，然后将热态GCr15钢棒料段镦粗、冲孔、去应力退火，按步骤七中计算出的矩形截面毛坯几何尺寸取值加工制作成环件双向联合辗轧用的GCr15钢矩形截面毛坯；

步骤九，将GCr15钢矩形截面毛坯放入加热炉中加热，当温度达到1150±30℃时取出并随即将其放入双向联合辗轧机内，对其进行双向联合辗轧，使其产生(如图4所示)径向壁厚减小、轴向高度增大、内外半径扩大的塑性变形而成为GCr15钢薄壁深筒环件产品。

实施例：假设最终的GCr15钢薄壁深筒矩形截面环件产品的外半径为200mm、内半径为180mm、径向壁厚为20mm、轴向高度为150mm。

步骤一，确定薄壁深筒环件的材料为GCr15钢；

步骤二，确定(如图2所示)薄壁深筒环件几何尺寸取值，薄壁深筒环件的几何尺寸包 括薄壁深筒环件的外半径R_R＝300mm、内半径r_R＝270mm、径向壁厚W_R＝30mm和轴向高度H_R＝150mm；

步骤三，选定环件双向联合辗轧时的毛坯为(如图3所示)矩形截面毛坯，且其材料为GCr15钢；

步骤四，确定出环件双向联合辗轧时的芯辊为(如图4所示)矩形截面芯辊，且假定其外半径取值为R_M＝120mm；

步骤五，确定辗轧比λ值，先按不等式(1)计算出辗轧比λ的合理取值范围为[1,1.92]，再在所计算出的辗轧比λ合理取值范围[1,1.92]内选择确定出一个辗轧比λ值为1.4；

步骤六，确定变形量分配比k值，先按不等式(2)计算出变形量分配比k的合理取值范围为[-0.82,0]，再在所计算出的变形量分配比k合理取值范围[-0.82,0]内选择确定出一个变形量分配比k值为-0.7；

步骤七，计算确定出矩形截面毛坯几何尺寸的取值，矩形截面毛坯几何尺寸具体为矩形截面毛坯的径向壁厚W_B＝45.2mm、矩形截面毛坯的轴向高度H_B＝139.4mm、矩形截面毛坯的内半径r_B＝181.0mm、矩形截面毛坯的外半径R_B＝226.2mm；

步骤八，加工制作矩形截面GCr15钢毛坯，将GCr15钢棒料段从室温均匀加热到1150℃，然后将热态GCr15钢棒料段镦粗、冲孔、去应力退火，按步骤七中计算出的矩形截面毛坯几何尺寸取值加工制作成环件双向联合辗轧用的GCr15钢矩形截面毛坯；

步骤九，将矩形截面GCr15钢毛坯放入加热炉中加热，当温度达到1150℃时取出并随即将其放入双向联合辗轧机内，对其进行双向联合辗轧，使其产生径向壁厚减小、轴向高度增大、内外半径扩大的塑性变形过程而成为GCr15钢薄壁深筒环件产品。