特种塑性成形——4特种轧制

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特种塑性成形——特种轧制 轧制基本原理 轧制的定义与特点定义——依靠工具的回转使工件横截面减小、长度增加的成形过程特点：连续成形，生产效率高适用于大、特大批量生产通用性差 轧制的基本原理材料在轧辊之间产生变形——变薄和展宽变薄——压下量展宽——宽展量依靠轧辊和材料间的摩擦力咬入属于局部变形，相对载荷较小 轧制的基本原理——咬入条件轧辊对轧件作用力正压力N切向摩擦力T咬入条件：Tcosα>Nsinα若轧辊与轧件之间的摩擦系数为μ，即T=μN则有：μ>tgα起始阶段最难咬入后加推力有助于咬入 轧制的基本原理——前滑与后滑轧件出口速度高于轧辊圆周速度——前滑轧件入口速度小于入口处轧辊圆周速度的水平分量——后滑γ为中性角，n-n为中性面前滑量(s)一般为2%~10% 轧制的基本原理——宽展垂直于轧制方向坯料尺寸的增加。表达：绝对宽展Δb=b1-b0，或相对宽展b1/b0分类：自由宽展：不受其他边界阻碍限制宽展：横向流动受型槽侧壁阻碍强迫宽展：在具有凸型部分的型槽中及具有强烈局部压缩的条件下得到的宽展 特种轧制——辊锻 辊锻原理锻造中的轧制实质——连续拔长，相当于纵轧，但型槽远较普通轧制复杂适合于减小毛坯断面的工艺 辊锻的特点与锻造的区别——模具（工具）运动方式——旋转运动与轧制的区别——仅扇形模具部分为轧制工作区连续静压，无振动生产效率高劳动条件好 辊锻的分类 辊锻机悬臂式：刚性差，型槽数不大于3个，扇形模包角小于270º，主要用于制坯双支撑式：刚性好，制坯成形均可，扇形模包角小于180º主参数为公称辊径（两辊中心距），mm线速度不能太高以利于操作0.5~1.0m/s(制坯)0.3~0.85m/s(成形) 几个基本概念——开/闭式型槽开式型槽：型槽刻在两个辊锻模上，分模线位于辊锻模槽中间。特点：宽展较自由，毛坯侧面的几何形状不十分精确；模槽较浅，有利于辊锻的强度；能耗较少闭式型槽：模槽刻制在一个辊锻模上，分模线在辊锻模槽之外。特点：宽展受限，可增大延伸量强化辊锻过程并得到截面几何尺寸精确的毛坯；模槽深，锻辊强度差；能耗大 几个基本概念——型槽的中性线辊锻中，上下模作用于坯料截面上的力对某一直线的力矩相等，此直线称为型槽的中性线简单对称截面的型槽的中性线与截面对称轴重合非对称的、截面形状比较复杂的型槽的中性线可用重心法求得 几个基本概念——上压力和下压力上下辊径不同导致线速度差，相当于附加一个弯曲力，由此得名一般尽量避免特殊情况可利用 辊锻的槽系——1.椭圆-方形槽系金属的四面均受到压缩，使坯料的角部经常变换位置，可使坯料周边的金属得到均匀的冷却，由于四面反复受压，对变形金属的组织与性能也有好影响可以得到大的延伸系数，利于减少辊锻道次，提高生产率辊锻时坯料的稳定性较好沿型槽宽度变形的分布不均匀 辊锻的槽系——2.椭圆-圆型槽系型槽周边皆由弧线构成，能使坯料周边和曲面形状平稳转变，能有效防止在局部区域呈现局部应力型槽没有尖角，坯料截面能均匀冷却，亦辊锻时不易产生裂纹，能得到良好的表面允许延伸系数较小，一般不超过1.4-1.5，使变形道次增加椭圆坯料在圆形型槽中的稳定性不好，往往要求使用导板 能使坏料得到准确的方形截面沿型槽宽度变形分布较为均匀，沿型槽宽度相对压下量几乎不变能采用较大的延伸系数，一般为1.4-1.8辊锻时坯料的稳定性较好金属只能在彼此垂直的两个方向受压缩四角处冷却较快，易出现缺陷辊锻的槽系——3.菱-方型槽系 坯料在整个截面宽度上变形均匀较高的矩形坯料在箱形型槽内辊锻时，不易发生歪扭模具的切槽较浅不能从箱形(矩形)系槽内得出方形和矩形的精确几何图形金属只能在两个方向受到压缩辊锻的槽系——4.矩形(箱形)型槽系 与椭圆-方型槽系相似坯料多向受压，有利于提高金属的组织与性能在坯料宽度上变形均匀，此处优于椭圆-方型槽系辊锻过程中坯料的稳定性较好辊锻的槽系——5.六角-方形型槽系 锻件模锻对辊锻毛坯几何形状的要求原始毛坯的几何形状(圆形、方形和矩形),在变形允许的条件下，尽量选用圆坯根据延伸系数确定辊锻道次，在多型槽辊锻时，在每辊锻完一道移向下一型槽时，往住需要翻转90°或45°辊锻型槽系的选择 辊锻工艺与模具设计主要步骤制定辊锻毛坯图确定辊锻工步数n选择孔型系分配拔长系数设计孔型断面计算各工步辊坯纵向尺寸确定型槽纵向尺寸计算型槽纵向尺寸对应中心角 制定辊锻毛坯图根据锻件加飞边作出断面图，并简化目的：使辊锻型槽不太复杂原则：曲线改直线，但体积不变断面图要按热态尺寸确定以此为依据作辊锻毛坯图 确定辊锻工步数n意义——要辊锻几次才能达到所要求的辊坯形状和尺寸总拔长系数——原毛坯断面积与辊坯最小断面积之比，λ总=A0/Aminλ总为每次拔长系数的乘积λ总=λ1λ1…λn若每次取相同拔长系数λ平，则λ总=(λ平)nn=lg(λ总)/lg(λ平)λ平一般取为1.3~1.7 选择孔型系一般不用平辊，目的——提高拔长效率常用孔型系：圆(方)—椭圆—圆：辊锻稳定性差，但形状简单，多用于变形长度小的辊坯圆(方)—椭圆—方：辊锻稳定性好，适用于变形长度大的辊坯圆(方)—菱形—方：辊锻稳定性好，适用于要求形状准确、角度填充好的方坯 分配拔长系数常用经验法进行λ平一般在1.3~1.7方辊坯取大值，圆辊坯取小值一般后道小于前道，即λi=(1.2~1.3)λi+1最终满足：λ总=λ1λ1…λn 设计孔型断面目的——计算各种孔型的实际尺寸要点——充满系数δ一般不能达到1δ=b/b孔，b为辊坯宽度，b孔为型槽宽度一般取δ=0.8~0.9原因——避免金属流入分模面，而有意放大型槽 计算各工步辊坯纵向尺寸B段，断面不变，ln-1=ln/λn式中：λn——第n道工步的拔长系数ln-1、ln——第n-1、n道工步辊坯的长度A、C段，过渡区段：式中：Aa、Ab——该工步斜锥段两端的断面积 确定型槽纵向尺寸存在前滑，影响轧件长度，必须计(估)算前滑率sA段：最小断面在前，变形量减小，前滑小，s=0.02~0.04C段：最大断面在前，变形量增大，前滑大，s=0.06~0.12B段：断面不变，前滑中等，介于A、C之间，s=0.04~0.06 计算型槽纵向尺寸对应的中心角任一段型槽长度对应角：θi=180×l辊/πRi式中：Ri=(D0-hi)/2，该区段型槽的工作半径其中：D0——公称辊径，即轧辊中心距hi——该区段型槽深度则：型槽总中心角：θ=θ1+θ2+…+θn+(10~15)° 辊锻模的结构型槽不直接加工在锻辊上，而是做成扇形或环形的辊锻模具，安装在锻辊上两种固定形式：扇形模压块固定整体模键固定型槽避开螺孔 辊锻模的模具材料辊锻为连续静压受力，对模具材料要求不高，多数用45钢即可，还可采用球墨铸铁型槽表面HRC45~50，其余部位HRC34~38锻件材料变形抗力较大（如辊锻耐热合金）时可用5CrMnMo或3Cr2W8V等材料 工艺实例——连杆辊锻制坯热模锻压力机锻造之前的连杆制坯锻件材料：40钢辊锻温度：1100~1150℃方形毛坯，热态尺寸：50.8×50.8辊锻机公称直径：Φ460mm 基本步骤绘制热锻件图绘制横断面积分布曲线确定锻坯形状确定最大/最小面积比，即拔长比制定辊锻工艺 工艺实例——货叉辊锻成形叉车前部起重部件细长板类件，多为自由锻成形大部分长度上为等截面矩形 辊锻视频 特种轧制——楔横轧 楔横轧的特点制件在相向运动的楔形模具间回转成形变形特点——径向压缩与轴向伸长制件为轴对称结构，多为轴类零件可直接生产轴类零件，又可用于模锻制坯生产效率高、材料利用率高、产品表面质量好 楔横轧的分类回转型楔横轧外回转楔形模横轧内回转楔形模横轧平面楔形模横轧（板式楔横轧） 楔横轧的模具结构楔形模通常为两部分——成形减径部分和精整部分主要参数为：倾角(成形角)α楔角(展宽角)β 楔横轧时的受力变形力可分解为：压缩力FZ、轧制力FX、轴向拉力FY标志变形程度的参数是压缩比εε=D/d或断面收缩率ψψ=(A0-A1)/A0ψ=1-(1/ε)2 工艺参数α的作用显著影响变形区尺寸和工件受力状态随着α的增大，毛坯的变形区减小、轧制力减小，但轴向拉力增大过大的轴向拉力会恶化毛坯旋转条件，产生附加拉伸变形，甚至缩颈或断裂一般取值为：18º≤α≤32º 工艺参数β的作用主要影响变形区沿毛坯轴线的传播速度、模具长度、最大许可压缩比，并对轧制力有较大影响随着β的增大，模具长度缩短，但轧制力与轧制力矩增大，毛坯旋转条件变差一般取值为：4º≤β≤12º 变形量的大小楔横轧的一次断面收缩率一般小于75%（压缩比小于2）过大易产生旋转困难、螺旋缩颈、拉断需更大变形量时采用两次以上辊轧但变形量过小，易出现轧件中心疏松一般取值为：断面收缩率40%~65% 楔形模设计要点——对称性原则目的：防止因轴向力不均衡引起轧件轴向窜动或扭曲方法：成对轧制——最理想对称力轧制——调整左右两侧斜楔的参数，使其轴向力均衡长棒料轧制——预轧楔后切断，实质还是结构对称轧制 楔形模设计要点——保证轧件旋转实质是保证轧制咬入条件，使轧件在轧辊间正常稳定旋转要点：提高轧辊与轧件间的摩擦系数（多用刻痕法）入口压下量不可过大 楔形模设计要点——防止产生缩颈产生缩颈的根本原因是轴向力过大主要取决于成形角α的大小要点：断面收缩率大时，α取小值生产前进行数值模拟或试验轧制确定α角的大小 楔形模设计要点——防止产生疏松原因——径向小变形压缩时，轧件内部的拉应力作用对策——尽量减少轧件在横向的拉应力，并使轴向拉应力保持一定水平方法——断面收缩率不小于35%，同时成形角α不要过小、展宽角β适中 楔形模设计要点——防止产生外部缺陷最普遍现象——外部折痕主要原因——毛坯表面缺陷、毛坯沿轴向产生窜动对策：轧前仔细检查毛坯表面防止出现不对称轧制 设计举例——汽车启动轴零件特点：尺寸不大、非对称轴件Φ20处断面收缩率达82%工艺构想：成对轧制Φ20部位两端对轧留3~5mm余量选50mm棒料 特种轧制——斜轧 斜轧的原理两轧辊的轴线交叉一个不大的角度，同向旋转轧件在两轧辊的交叉中心线上旋转前进与纵轧一样进出料靠轧辊自动完成制件受力类同横轧 斜轧的特点生产效率高、材料利用率高、产品质量好轧辊复杂、工艺调整困难、设计生产难度均较高适用于大批量生产的小件 斜轧的运动原理螺旋轧辊在交叉点0的圆周速度Va为：Va=ωR=2πRn/60将Va分解成垂直速度Vb与水平速度Vc，得Vb=Vacosα=ωRcosα=2πRncosα/60Vc=Vasinα=ωRsinα=2πRnsinα/60水平速度Vc使轧件得到前进运动,这正是在运动上斜轧区别于横轧的地方 斜轧的变形特点变形区是坯料的表层，心部三向拉应力咬入条件：Z/d≤μ2/(1+d/D)其中：Z=r0-r 斜轧的孔型特点（一）两螺旋面构成的凸起称为凸棱；相邻凸棱之间的型槽叫做孔型型腔孔型为螺旋形。孔型螺旋长度以度数表示，长度划分以凸棱为基准，通常按90º等分规定自棒料咬入、成形到精整、切断，按α值递减进行标注 斜轧的孔型特点（二）孔型成形区与精整区是连续的型腔槽底为等高面，即在同一圆周面上成形区凸棱由低变高，型腔由浅而深，反映了轧件的成形过程；精整区型腔深度基本上是不变的局部凸棱高度发生变化，是为了同时切断轧件两瑞的连接颈 斜轧的孔型特点（三）凸棱宽度是变化的，其变化规律因产品不同而异变化趋势，一般随凸棱升高而加宽，精整区凸棱高度不再升高，其宽度亦基本不变，维持原始宽度 斜轧的孔型特点（四）精整区凸棱顶侧有弧形小槽，可以储存多余金属，称之为储料槽类同于锻造的飞边槽 斜轧成形举例 斜轧成形举例 特种轧制——环形件碾压 工作原理环坯在主动辊和从动辊间变形导向辊随环径增大外移，并对工件整形控制辊控制环最大直径仅主动辊为动力驱动实质仍是纵轧 主要特点改善工件的组织和性能节约原材料，提高生产率减轻劳动强度