[發明專利]一種大型銅合金環件穩定軋制成形方法

有效

• 申請號: 202110095472.X
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112974542B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 錢東升;吳劍;鄧加東;徐鋒
• 申請（專利權）人: 張家港中環海陸高端裝備股份有限公司
• 主分類號: B21B37/00
• 分類號: B21B37/00;B21B37/74;B21H1/06;B22D13/04
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 陶升;黃春松

1.一種大型銅合金環件穩定軋制成形方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)環坯設計與制造：通過確定合適的軋制比和徑軸向變形比優化環坯尺寸，然后采用離心澆鑄制造環坯；其中：環坯設計與制造包括以下特征：

1)軋制比設計

軋制比是確定環件變形量的重要參數，即軋制前后環件截面積之比：

其中A₀、A_f、H₀、B₀、H_f、B_f分別為環坯截面積、環件截面積、環坯厚度、環坯高度、環件厚度、環件高度；

過大的軋制比會使銅合金在軋制過程中產生開裂缺陷，銅合金環件的軋制比控制在2～4以內；對于塑性較差的銅合金材料，軋制比宜取較小值；

2)徑軸向變形比設計

徑軸向變形比是確定環件徑向與軸向變形關系的重要參數，即環件壁厚和高度的減小量之比：

其中K_α為形狀系數；由于銅合金材料強度較低，為避免軋制過程中環件失穩、爬輥現象，應適當增加徑向變形量，因此K_α的取值范圍為

3)環坯幾何尺寸設計

根據塑性變形體積不變條件，

π(R_f²-r_f²)B_f＝π(R₀²-r₀²)B₀

其中R_f、r_f、R₀、r₀分別為環件外半徑、環件內半徑、環坯外半徑、環坯內半徑；

結合軋制比和徑軸向變形比可確定環坯幾何尺寸；

環坯高度可根據下式確定：

環坯厚度可根據下式確定：

H₀＝H_f+K(B₀-B_f)

環坯外半徑可根據下式確定：

環坯內半徑可根據下式確定：

4)環坯離心澆鑄成形

由于鑄造熱態環坯冷卻后會產生一定的體積收縮，將這種收縮視為均勻的，則收縮率表示為：

其中，δ、R_t、R_c分別為材料熱收縮率、熱態環坯外半徑、冷態環件外半徑；

因此，離心澆注所用模具內徑根據與環坯外徑的關系應滿足：

其中R_m為模具內半徑；

(2)軋制成形參數設計：通過合理設計如下關鍵成形參數：環坯加熱溫度、軋制變形路徑、環件長大速度，保障環件穩定軋制成形條件；其中：軋制成形參數設計包括以下特征：

1)加熱溫度設計

將環坯放入加熱爐加熱至880℃～950℃后進行保溫；由于銅合金材料強度較低，環件剛度差，成形過程易失穩，因此，對于壁厚較薄的環坯，為了提高環件剛度，宜取加熱溫度區間的較小值；對于壁厚較厚的環坯，可適當提高加熱溫度降低軋制力，因此取加熱溫度區間的較大值；環坯保溫時間按0.7～1.1min/mm進行計算，加熱爐的溫度誤差控制在±10℃以內；

2)軋制變形路徑設計

考慮到銅合金環件剛度差，軋制后期易失穩以及設備軸向力能低，軋制曲線宜采用下凹型曲線，曲線方程由下式確定：

其中，H為環件的瞬時壁厚，B為環件瞬時高度，n為曲率系數，決定了曲線的下凹程度；

為了使大部分軸向變形在軋制初期完成，同時防止產生過大的軸向力矩導致爬輥現象的產生，軸向和徑向瞬時速度之比應滿足因此，曲率系數n的取值范圍為：

K²n2K²

3)環件長大速度設計

環件長大速度是軋制過程穩定性的重要影響因素，對銅合金而言，合適的環件長大速度才能保證軋制過程的順利進行；軋制過程主要分為四個階段：加速階段、主軋階段、減速階段、整圓階段；環件長大速度基于四個階段的特點進行設計；

a)加速階段：此階段芯輥進給量△H₁＝K₁(H₀-H_f)，K₁為15～20％，壁厚較大時取大值，此階段主要是為了使軋輥順利咬入并鍛透環件，該階段結束時環件壁厚H₁為H₀-K₁(H₀-H_f)，環件高度B₁可通過軋制曲線求得，環件外徑D₁為此階段環件外徑長大速度v_D從0均勻增大至主軋階段的長大速度v₁，此階段所需時間為t₁：

此階段環件長大速度為：

其中，v_D、v₁分別為環件瞬時外徑長大速度和主軋階段環件外徑長大速度，D₀、D₁分別為環坯外徑和加速階段結束時的環件外徑，t為時間；

b)主軋階段：此階段芯輥進給量△H₂＝K₂(H₀-H_f)，K₂為60～65％，此階段環件穩定長大，該階段結束時環件壁厚H₂為H₀-(K₁+K₂)(H₀-H_f)，環件高度B₂可由軋制曲線求得，環件外徑D₂為此階段環件外徑長大速度為定值，對于銅合金環件，v₁取8～15mm/s以內，此階段所需時間為t₂：

c)減速階段：此階段芯輥進給量△H₃＝K₃(H₀-H_f)，K₃＝1-K₁-K₂，此階段環件已完成大部分變形，環件長大速度開始下降，該階段結束時環件壁厚H₃可近似為H_f，環件外徑D₃可近似為D_f，D_f為環件所要達到的外徑；

該階段環件外徑長大速度為關于壁厚H的函數：

此方法得出的環件長大速度隨壁厚減少而逐漸降低至v₂，v₂為整圓階段環件長大速度，v₂為1mm/s～3mm/s；減速階段所需時間為t₃，由于此階段環件長大速度隨壁厚的減少而均勻降低且壁厚減小量較小，因此可將環件長大速度近似為關于時間的線性函數，可得：

d)整圓階段：此階段環件尺寸已基本達到要求，芯輥與錐輥停止進給作旋轉運動以消除壁厚和高度不均，同時降低環件橢圓度，此階段環件尺寸略微增加，環件長大速度在1mm/s～3mm/s；整圓階段環件軋制2～3圈；此階段所需時間為：

其中n_c、n_r、R_main分別為整圓圈數、驅動輥轉速、驅動輥工作半徑；

(3)軋制成形過程控制：通過對軋輥預熱和軋制過程環件溫度監控，確保環件處于合適的熱變形溫度區間；通過對環件尺寸在線測量來調控軋輥進給速度，精確控制軋制變形路徑和環件長大速度，確保環件處于穩定變形狀態。

2.根據權利要求1所述的一種大型銅合金環件穩定軋制成形方法，其特征在于：步驟(3)中軋制成形過程控制包括以下特征：

1)軋制溫度控制

為了降低環件溫度下降速率，需對軋輥進行預熱，避免軋制過程環件與軋輥接觸迅速降溫，軋輥需要預熱至250℃～350℃；

銅合金可軋溫度區間在650℃～950℃；軋制過程中環件溫度呈下降趨勢，表面溫度低于心部區域，因此控制環件表面溫度在可軋溫度區間即可保證整個環件的溫度在可軋溫度區間內；軋制過程中對環件表面溫度進行實時監測，控制環件表面溫度在可軋溫度區間，若表面溫度低于可軋溫度下限則停止軋制，對環件進行回爐加熱，回爐加熱的時間為正常加熱時間的

2)軋制速度控制

通過對環件尺寸在線測量來調控軋輥進給速度，精確控制軋制變形路徑和環件長大速度，確保環件處于穩定變形狀態；

芯輥進給速度V_f的實時表達式為：

為協調徑軸向變形，錐輥的進給依賴于軋制曲線和芯輥進給，錐輥進給速度V_a的實時表達式：

實際生產中采用上述參數所得環件長大速度偏小，因為軋制過程中環件產生局部連續的塑性變形，因此存在壁厚和高度不均的情況，而計算中所用B和H均為理想值；因此當出現實際長大速度偏小的情況時可引入一速度補償因子V_k，V_k用環件理想外徑和實測環件外徑之比來表示，理想外徑由體積不變原則求得，綜合可得V_k表達式：

其中R_t為環件瞬時外半徑實測值；

此時芯輥進給速度表達式變為：

錐輥進給速度表達式為：