用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法

摘要

本发明公开了一种用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法，将径、轴向轧制分割为以下阶段：阶段一，芯辊做径向进给运动，环件高度增大，锥辊随环件上抬；阶段二，所述锥辊做轴向进给运动，环件壁厚增大，所述芯辊随环件壁厚增大而后退；阶段三，所述芯辊继续做径向进给运动，环件高度增大，所述锥辊随环件上抬；阶段四，径向、轴向同时进给直至达到最终环件尺寸。本发明的台阶型的轧制过程，将径、轴向轧制分割为四个阶段，在整个轧制过程芯辊芯辊后退了一次，这种台阶型的轧制方法，有效地避免了径、轴向同时进给带来的角部大变形以及温降过快，从而提高了组织均匀性。

权利要求

1.一种用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法，其特征在于，将径、轴向轧制分割为以下阶段：阶段一，芯辊做径向进给运动，环件高度增大，锥辊随环件上抬；阶段二，所述锥辊做轴向进给运动，环件壁厚增大，所述芯辊随环件壁厚增大而后退；阶段三，所述芯辊继续做径向进给运动，环件高度增大，所述锥辊随环件上抬；阶段四，径向、轴向同时进给直至达到最终环件尺寸；

确定用于高温合金环件双向轧制台阶型轧制方法的轧制曲线的过程，包括如下步骤：步骤一：计算高温合金环件心部与角部的温差ΔT，ΔT由式(1)确定：式(1)中，ρ为材料密度，C为轧制温度下的材料比热，表示平均等效应变速率，表示相对应的平均等效应力，V为环件角部温降过快的区域体积，η为热功转化系数，表示机械能转换热能的比例，其中 V均通过有限元模拟结果得到；

步骤二：将高温合金环件心部与角部的温差ΔT与临界温度TC比较，判断是否满足使用台阶型轧制曲线的条件，当高温合金环件心部与角部的温差ΔT与临界温度TC满足下列条件时，使用台阶型轧制曲线：ΔT≥TC  (2)

式(2)中，TC为临界温度值，其取值范围为15～30℃，在此范围内根据合金的牌号选取具体的TC值；

步骤三：建立台阶型轧制曲线坐标系；

建立径向进给量为x和轴向进给量为y的坐标系，根据初始高温合金环坯与最终成型高温合金环件的尺寸，得到径、轴向的变形量，采用Δt和Δh分别表示径、轴向的变形量，在坐标系中，得到轧制曲线的起点A坐标为(Δt,Δh)，终点O坐标为(0,0)。各种轧制过程的轧制曲线用幂函数y＝mxn表示，m与径轴向的变形量有关，而n则取为0.8～1.2之间，具体数值则根据环件类型而定，OA表示的轧制曲线为：步骤四：计算台阶型轧制曲线各节点坐标；

OB与OD则分别表示了台阶型轧制曲线的上下极限，可分别表示为：式(4)、(5)中，k1、k2分别表示当径向、轴向进给到角部温降达到TC时则开始更换进给方向的极限进给，k1、k2与TC的关系表达式如下：k1＝0.000365TC2-0.000202TC+0.037  (6)k2＝0.00743TC2+0.01296TC+0.02015  (7)在2/5Δt处选取特征点C，即C点的坐标为(3/5Δt,(3/5)nΔh)；

B点的坐标通过宽展公式来确定，即在角部温降达到TC时径向的最大进给量所产生的宽展变形，采用的是采利柯夫宽展公式：c＝1.34(h/l-0.15)·e0.15-h/l+0.5  (9)式(8)、(9)中，R为主辊半径，Δt1为径向进给量，f为环件与轧辊之间的摩擦系数，h为环件高度，l为环件与轧辊的接触弧长，为Δt1下的等效应变用Δt1/Δt表示；

在临界条件下，Tc＝ΔT，此时，Δt1可由临界温度TC得到：B点坐标为(Δt-Δt1,Δh+Δh1)，线BC段的方程为：联立式(5)、(11)可以得到D点的坐标，为(Δt2,Δh2)；由于线ED与线AB平行，则两线的斜率相同，均为 可以由此得到ED的方程为：联立式(3)、(12)，得到E点的坐标(Δt3,Δh3)；

步骤五：绘制轧制曲线图形；

用步骤四得到的O、A、B、C、D、E点，即可确定、绘制用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法的轧制曲线。

说明书

用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及环件轧制成型加工领域，特别是涉及一种用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法。

背景技术

[0002] 环件轧制又称环件辗扩或扩孔，是借助环件轧制设备使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的加工工艺，轧制曲线描述了环件双向辗轧过程径向与轴向变形量的瞬时分配关系，进而决定了变形过程的历史与轧辊路径，因而对最终轧制环件的几何精度、特别是微观组织具有重要的影响作用，这对于高温合金这种材料组织敏感的环件辗轧来说，更是如此。

[0003] Keeton等提出一种双曲轧制曲线(Keeton CR."Ring rolling",in Metals handbook:forming and forging[M].ASM International,Metals Park,OH,1988)，但此类轧制曲线只适用于特定尺寸的毛坯，具有很大的局限性，也未考虑环件的热力参数及组织的均匀性。Boucly等人曾提到轧制曲线的设计原则(Boucly P,Oudin J,Ravalard Y.Simulation of ring rolling with new wax-based model materials on a flexible experimental machine[J].Journal of Mechanical Working Technology,1988,16:119-143.)，但对有关轧制曲线对双向轧制过程的影响并未做系统研究。营海燕等通过修正WAGNER轧制曲线研究了环件双向辗轧工艺(营海燕,陈志刚,宋涛.径轴向轧环机轧环工艺[J].锻压技术.1995,3:37-40)，但轧制曲线的修正依赖于经验，缺乏确定轧制曲线的科学方法。刘东等通过实验结合有限元软件研究了GH4169合金环件双向辗轧过程三种典型轧制曲线对环件温度、直径增长速率、以及轧制力的影响(刘东,付明杰,万自永.GH4169合金矩形截面环轧制曲线的实验研究[J].航空学报.2007,28(5),1276-1280)，该研究虽然提到采用幂函数描述轧制曲线，但并未公布轧制曲线确定的具体方法和步骤。郭良刚等在此基础上针对TC4合金，提出了一种环件双向辗轧过程轧制曲线的通用设计方法，并建立了相应的轧制曲线方程(郭良刚，邸伟佳，杨合等.难变形材料环件双向辗轧过程轧制曲的设计方法[J].机械工程学报.2014,8,50(16):83-88)，但并未考虑角部大温降对环件组织均匀性造成的影响，使得该方法具有一定的局限性。

[0004] 常规的轧制过程，径、轴向同时进给，角部变形剧烈，而环件全过程与锥辊和主芯辊接触，与模具的接触换热远远大于变形的生热，温降严重。对于高温合金这种组织敏感、热容量小的合金，在轧制过程中角部易出现局部大温降，而影响环件的组织均匀性。因此，如何有效提升轧制环件的组织均匀性，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术中轧制方法导致角部大变形、温降过快及环件组织均匀性差的不足，提出用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法，将径、轴向轧制分割为以下阶段：阶段一，芯辊做径向进给运动，环件高度增大，锥辊随环件上抬；阶段二，所述锥辊做轴向进给运动，环件壁厚增大，所述芯辊随环件壁厚增大而后退；阶段三，所述芯辊继续做径向进给运动，环件高度增大，所述锥辊随环件上抬；阶段四，径向、轴向同时进给直至达到最终环件尺寸。

[0007] 本发明还提出了用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法的轧制曲线，该轧制曲线的确定方法包括如下步骤：

[0008] 步骤一：计算高温合金环件心部与角部的温差ΔT，ΔT由式(1)确定：

[0009]

[0010] 式(1)中，ρ为材料密度，C为轧制温度下的材料比热，表示平均等效应变速率，表示相对应的平均等效应力，V为环件角部温降过快的区域体积，η为热功转化系数，表示机械能转换热能的比例，其中 V均通过有限元模拟结果得到；

[0011] 步骤二：将高温合金环件心部与角部的温差ΔT与临界温度TC比较，判断是否满足使用台阶型轧制曲线的条件，当高温合金环件心部与角部的温差ΔT与临界温度TC满足下列条件时，使用台阶型轧制曲线：

[0012] ΔT≥TC   (2)

[0013] 式(2)中，TC为临界温度值，其取值范围为1530℃，在此范围内根据合金的牌号选取具体的TC值；

[0014] 步骤三：建立台阶型轧制曲线坐标系；

[0015] 建立径向进给量为x和轴向进给量为y的坐标系，根据初始高温合金环坯与最终成型高温合金环件的尺寸，得到径、轴向的变形量，采用Δt和Δh分别表示径、轴向的变形量，在坐标系中，得到轧制曲线的起点A坐标为(Δt,Δh)，终点O坐标为(0,0)，一般的，各种轧制过程的轧制曲线用幂函数y＝mxn表示，m与径轴向的变形量有关，而n则取为0.8～1.2之间，具体数值则根据环件类型而定，OA表示的轧制曲线为：

[0016]

[0017] 步骤四：计算台阶型轧制曲线各节点坐标；

[0018] OB与OD则分别表示了台阶型轧制曲线的上下极限，可分别表示为：

[0019]

[0020]

[0021] 式(4)、(5)中，k1、k2分别表示当径向、轴向进给到角部温降达到TC时则开始更换进给方向的极限进给，k1、k2与TC的关系表达式如下：

[0022] k1＝0.000365TC2-0.000202TC+0.037   (6)

[0023] k2＝0.00743TC2+0.01296TC+0.02015   (7)

[0024] 在2/5Δt处选取特征点C，即C点的坐标为(3/5Δt,(3/5)nΔh)；

[0025] B点的坐标通过宽展公式来确定，即在角部温降达到TC时径向的最大进给量所产生的宽展变形，采用的是采利柯夫宽展公式：

[0026]

[0027] c＝1.34(h/l-0.15)·e0.15-h/l+0.5   (9)

[0028] 式(8)、(9)中，R为主辊半径，Δt1为径向进给量，f为环件与轧辊之间的摩擦系数，h为环件高度，l为环件与轧辊的接触弧长，为Δt1下的等效应变用Δt1/Δt表示；

[0029] 在临界条件下，Tc＝ΔT，此时，Δt1可由临界温度TC得到：

[0030]

[0031] B点坐标为(Δt-Δt1,Δh+Δh1)，线BC段的方程为：

[0032]

[0033] 联立式(5)、(11)可以得到D点的坐标，为(Δt2,Δh2)；由于线ED与线AB平行，则两线的斜率相同，均为 可以由此得到ED的方程为：

[0034]

[0035] 联立式(3)、(12)，得到E点的坐标(Δt3,Δh3)；

[0036] 步骤五：绘制轧制曲线图形；

[0037] 用步骤四得到的O、A、B、C、D、E点的坐标，即可确定、绘制用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法的轧制曲线。

[0038] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：台阶型的轧制过程，其实将径、轴向轧制分割为四个阶段，整个轧制过程芯辊后退了一次，这种台阶型轧制曲线，有效地避免了径、轴向同时进给带来的角部大变形以及温降过快，从而提高了组织均匀性。

附图说明

[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0040] 图1为本发明轧制方法的轧制曲线的示意图；

[0041] 图2为本发明轧制方法的轧制曲线的确定流程图；

[0042] 图3为基于现有技术轧制方法轧制环件的温度分布图；

[0043] 图4为基于本发明轧制方法轧制环件的温度分布图；

[0044] 图5为基于现有技术轧制方法轧制环件的追踪点温度变化图；

[0045] 图6为基于本发明轧制方法轧制环件的追踪点温度变化图；

[0046] 图7为基于现有技术轧制方法轧制环件的角部组织照片；

[0047] 图8为基于本发明轧制方法轧制环件的角部组织照片。

具体实施方式

[0048] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0049] 本发明的目的是为了克服现有技术中轧制方法导致角部大变形、组织均匀性差的不足，提出用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法。

[0050] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0051] 请参考图1至图8，图1为本发明轧制方法的轧制曲线的示意图，图2为本发明轧制方法的轧制曲线的确定流程图，图3为基于现有技术轧制方法轧制环件的温度分布图，图4为基于本发明轧制方法轧制环件的温度分布图，图5为基于现有技术轧制方法轧制环件的追踪点温度变化图，图6为基于本发明轧制方法轧制环件的追踪点温度变化图，图7为基于现有技术轧制方法轧制环件的角部组织照片，图8为基于本发明轧制方法轧制环件的角部组织照片。

[0052] 本发明提供一种用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法，将径、轴向轧制分割为以下阶段：阶段一，芯辊做径向进给运动，环件高度增大，锥辊随环件上抬；阶段二，锥辊做轴向进给运动，环件壁厚增大，芯辊随环件壁厚增大而后退；阶段三，芯辊继续做径向进给运动，环件高度增大，锥辊随环件上抬；阶段四，径向、轴向同时进给直至达到最终环件尺寸。

[0053] 所谓台阶型的轧制过程，其实将径、轴向轧制分割为四个阶段，在整个轧制过程芯辊后退了一次。对比图3和图4、图5和图6，可以很清楚地看出，采用台阶型的轧制方法轧制的环件与普通轧制方法轧制的环件相比，角部没有出现温降的现象，而且对比图7和图8能够明显看出，采用台阶型的轧制方法轧制的环件较普通轧制方法轧制的环件，晶粒更为均匀。这种台阶型轧制曲线，有效地避免了径、轴向同时进给带来的角部大变形以及大温降，从而提高了组织均匀性。

[0054] 本发明还提出了用于高温合金环件双向轧制的台阶型轧制方法的轧制曲线，该轧制曲线的确定方法包括如下步骤：

[0055] 给定初始高温合金环件坯料尺寸为φ460×φ180×100，成形高温合金环件尺寸为φ600×φ400×89.6，材料为GH4169，临界温度选为30℃，相应参数依据GH4169的材料参数而定。

[0056] 步骤一：计算高温合金环件心部与角部的温差ΔT，ΔT由式(1)确定：

[0057]

[0058] 式(1)中，ρ为材料密度，C为轧制温度下的材料比热，表示平均等效应变速率，表示相对应的平均等效应力，V为环件角部温降过快的区域体积，η为热功转化系数，表示机械能转换热能的比例，其中 V均通过有限元模拟结果得到；

[0059] 步骤二：将高温合金环件心部与角部的温差ΔT与临界温度TC比较，判断是否满足使用台阶型轧制曲线的条件，当高温合金环件心部与角部的温差ΔT与临界温度TC满足下列条件时，使用台阶型轧制曲线：

[0060] ΔT≥TC   (2)

[0061] 式(2)中，TC为临界温度值，其取值范围为1530℃，在此范围内根据合金的牌号选取具体的TC值；

[0062] 步骤三：建立台阶型轧制曲线坐标系；

[0063] 建立径向进给量为x和轴向进给量为y的坐标系，根据初始高温合金环坯与最终成型高温合金环件的尺寸，得到径、轴向的变形量，采用Δt和Δh分别表示径、轴向的变形量，在坐标系中，得到轧制曲线的起点A坐标为(Δt,Δh)，即A点坐标为(50,10.4)，终点O坐标为(0,0)，一般的，各种轧制过程的轧制曲线用幂函数y＝mxn表示，m与径轴向的变形量有关，而n则取为0.8～1.2之间，具体数值则根据环件类型而定，OA表示的轧制曲线为：

[0064]

[0065] 步骤四：计算台阶型轧制曲线各节点坐标；

[0066] OB与OD则分别表示了台阶型轧制曲线的上下极限，可分别表示为：

[0067]

[0068]

[0069] 式(4)、(5)中，k1、k2分别表示当径向、轴向进给到角部温降达到TC时则开始更换进给方向的极限进给，k1、k2与TC的关系表达式如下：

[0070] k1＝0.000365TC2-0.000202TC+0.037   (6)

[0071] k2＝0.00743TC2+0.01296TC+0.02015   (7)

[0072] 在高温合金的台阶型轧制过程中，整个轧制过程较短，只需一段式台阶型轧制过程，所谓一段式台阶型轧制过程，其中的一段式是基于在整个轧制过程中芯辊退后的次数而定，一段式及表示芯辊后退了一次。由于轧制过程较短，故一段式轧制方法的轧制曲线确定过程中，特征点C的位置取在2/5Δt处选取特征点C，即C点的坐标为(3/5Δt,(3/5)nΔh)；

[0073] B点的坐标通过宽展公式来确定，即在角部温降达到TC时径向的最大进给量所产生的宽展变形，采用的是采利柯夫宽展公式：

[0074]

[0075] c＝1.34(h/l-0.15)·e0.15-h/l+0.5   (9)

[0076] 式(8)、(9)中，R为主辊半径，Δt1为径向进给量，f为环件与轧辊之间的摩擦系数，h为环件高度，l为环件与轧辊的接触弧长，为Δt1下的等效应变用Δt1/Δt表示；

[0077] 在临界条件下，Tc＝ΔT及 同时联立式(1)，此时，Δt1可由临界温度TC得到：

[0078]

[0079] B点坐标为(Δt-Δt1,Δh+Δh1)，线BC段的方程为：

[0080]

[0081] 联立式(5)、(11)可以得到D点的坐标，为(Δt2,Δh2)；由于线ED与线AB平行，则两线的斜率相同，均为 可以由此得到ED的方程为：

[0082]

[0083] 联立式(3)、(12)，得到E点的坐标(Δt3,Δh3)；

[0084] 步骤五：绘制轧制曲线图形；

[0085] 用步骤四得到的O、A、B、C、D、E点坐标如下表，即可确定、绘制用于高温合金环件双向轧制的一段式台阶型轧制方法的轧制曲线。

[0086]n k1 k2 A B C D E
1 0.35944 7.09595 (50,10.4) (25,17.071) (30,6.240) (32.725,0.337) (19.1,3.973)
1.05 0.35944 7.09595 (50,10.4) (25,16.844) (30,6.083) (32.675,0.325) (19.182,3.803)
1.1 0.35944 7.09595 (50,10.4) (25,16.624) (30,5.929) (32.625,0.314) (19.261,3.642)
1.2 0.35944 7.09595 (50,10.4) (25,16.208) (30,5.634) (32.525,0.294) (19.409,3.341)
0.95 0.35944 7.09595 (50,10.4) (25,17.306) (30,6.401) (32.776,0.347) (19.010,4.150)
0.9 0.35944 7.09595 (50,10.4) (25,17.550) (30,6.567) (32.826,0.359) (18.919,4.337)
0.8 0.35944 7.09595 (50,10.4) (25,18.063) (30,6.911) (32.876,0.497) (18.910,4.778)[0087] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。