一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法技术

本发明专利技术公开了一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，该方法包括以下步骤：（1）环坯设计与制造：通过确定合适的轧制比和径轴向变形比优化环坯尺寸，然后采用离心浇铸制造环坯；（2）轧制成形参数设计：通过合理设计如下关键成形参数：环坯加热温度、轧制变形路径、环件长大速度，保障环件稳定轧制成形条件；（3）轧制成形过程控制：通过对轧辊预热和轧制过程环件温度监控，确保环件处于合适的热变形温度区间；通过对环件尺寸在线测量来调控轧辊进给速度，精确控制轧制变形路径和环件长大速度，确保环件处于稳定变形状态。本发明专利技术可实现大型铜合金环件的稳定轧制成形，成形锻件具有较高的尺寸精度和优良的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法
本专利技术涉及环件锻造领域，具体涉及一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法。
技术介绍
铜合金环件是一类重要的有色金属环件，由于其高强度、耐磨损、自润滑等性能优点，广泛用于中大型高速重载轴承保持架，这类环件在工作中要承受动、静载荷，工作条件差，因此，综合性能要求高。铜合金环件的传统加工方法为离心浇铸，易产生气孔、缩松等组织缺陷，严重影响产品性能和生产合格率。目前也有采用压铸成形和等温挤压成形方法，相比离心浇铸方法生产质量和效率有所改善，但是设备和模具要求很高、投入大，增加了生产成本，而且工件内部容易产生明显内应力，引起服役过程应力腐蚀失效。环件轧制是一种大型无缝环件先进制造方法，具有设备吨位小、生产效率高、材料利用率高、产品组织性能优良的特点。铜合金低温强度硬度高、塑性差不利于加工的进行，因此大型铜合金环件的制造采用径-轴向热轧工艺。铜合金材料热变形温度区间较窄，中温脆性区较宽，轧制过程中极易落入中温脆性区而产生裂纹。同时，大型铜合金环件径向尺寸大、壁厚薄、材料高温强度低，导致环件刚度差，轧制过程中容易发生失稳、爬辊等现象。因此，亟需开发一种大型铜合金环件高质量稳定轧制成形方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，该方法能保证大型铜合金环件轧制过程稳定进行，避免环件出现开裂或椭圆压扁等缺陷，最终获得具有高尺寸精度和圆度的环形锻件。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)环坯设计与制造：通过确定合适的轧制比和径轴向变形比优化环坯尺寸，然后采用离心浇铸制造环坯；(2)轧制成形参数设计：通过合理设计如下关键成形参数：环坯加热温度、轧制变形路径、环件长大速度，保障环件稳定轧制成形条件；(3)轧制成形过程控制：通过对轧辊预热和轧制过程环件温度监控，确保环件处于合适的热变形温度区间；通过对环件尺寸在线测量来调控轧辊进给速度，精确控制轧制变形路径和环件长大速度，确保环件处于稳定变形状态。进一步的，前述的一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，其中：步骤(1)中环坯设计与制造包括以下特征：1)轧制比设计轧制比是确定环件变形量的重要参数，即轧制前后环件截面积之比：其中A0、Af、H0、B0、Hf、Bf分别为环坯截面积、环件截面积、环坯厚度、环坯高度、环件厚度、环件高度；过大的轧制比会使铜合金在轧制过程中产生开裂等缺陷，通常铜合金环件的轧制比控制在2～4以内；对于塑性较差的铜合金材料，轧制比宜取较小值；2)径轴向变形比设计径轴向变形比是确定环件径向与轴向变形关系的重要参数，即环件壁厚和高度的减小量之比：其中Kα为形状系数；由于铜合金材料强度较低，为避免轧制过程中环件失稳、爬辊等现象，应适当增加径向变形量，因此Kα的取值范围为3)环坯几何尺寸设计根据塑性变形体积不变条件，π(Rf2-rf2)Bf＝π(R02-r02)B0其中Rf、rf、R0、r0分别为环件外半径、环件内半径、环坯外半径、环坯内半径；结合轧制比和径轴向变形比可确定环坯几何尺寸；环坯高度可根据下式确定：环坯厚度可根据下式确定：H0＝Hf+K(B0-Bf)环坯外半径可根据下式确定：环坯内半径可根据下式确定：4)环坯离心浇铸成形针对传统实心铸锭锻造成形环坯方式带来的流程长、效率低、环坯尺寸精度低的问题，本专利技术采用离心浇注方式成形环坯，流程短、效率高，成形环坯尺寸精度高且内部缺陷少；根据上述环坯尺寸设计离心浇铸模具内表面尺寸；由于铸造热态环坯冷却后会产生一定的体积收缩，将这种收缩视为均匀的，则收缩率表示为：其中，δ、Rt、Rc分别为材料热收缩率、热态环坯外半径、冷态环件外半径；因此，离心浇注所用模具内径根据与环坯外径的关系应满足：其中Rm为模具内半径。进一步的，前述的一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，其中：步骤(2)中轧制成形参数设计包括以下特征：1)加热温度设计将环坯放入加热炉加热至880℃～950℃后进行保温；由于铜合金材料强度较低，环件刚度差，成形过程易失稳，因此，对于壁厚较薄的环坯，为了提高环件刚度，宜取加热温度区间的较小值；对于壁厚较厚的环坯，可适当提高加热温度降低轧制力，因此可以取加热温度区间的较大值；环坯保温时间按0.7～1.1min/mm进行计算，加热炉的温度误差控制在±10℃以内；2)轧制变形路径设计考虑到铜合金环件刚度差，轧制后期易失稳以及设备轴向力能低，轧制曲线宜采用下凹型曲线，曲线方程由下式确定：其中，H为环件的瞬时壁厚，B为环件瞬时高度，n为曲率系数，决定了曲线的下凹程度；为了使大部分轴向变形在轧制初期完成，同时防止产生过大的轴向力矩导致爬辊现象的产生，轴向和径向瞬时速度之比应满足因此，曲率系数n的取值范围为：K2<n<2K23)环件长大速度设计环件长大速度是轧制过程稳定性的重要影响因素，对铜合金而言，合适的环件长大速度才能保证轧制过程的顺利进行；轧制过程主要分为四个阶段：加速阶段、主轧阶段、减速阶段、整圆阶段；环件长大速度基于四个阶段的特点进行设计；a)加速阶段：此阶段芯辊进给量△H1＝K1(H0-Hf)，K1一般为15～20％，壁厚较大时取大值，此阶段主要是为了使轧辊顺利咬入并锻透环件，该阶段结束时环件壁厚H1为H0-K1(H0-Hf)，环件高度B1可通过轧制曲线求得，环件外径D1为此阶段环件外径长大速度vD从0均匀增大至主轧阶段的长大速度v1，此阶段所需时间为t1：此阶段环件长大速度为：其中，vD、v1分别为环件瞬时外径长大速度和主轧阶段环件外径长大速度，D0、D1分别为环坯外径和加速阶段结束时的环件外径，t为时间；b)主轧阶段：此阶段芯辊进给量△H2＝K2(H0-Hf)，K2一般为60～65％，此阶段环件稳定长大，该阶段结束时环件壁厚H2为H0-(K1+K2)(H0-Hf)，环件高度B2可由轧制曲线求得，环件外径D2为此阶段环件外径长大速度为定值，对于铜合金环件，v1通常取8～15mm/s以内，此阶段所需时间为t2：c)减速阶段：此阶段芯辊进给量△H3＝K3(H0-Hf)，K3＝1-K1-K2，此阶段环件已完成大部分变形，环件长大速度开始下降，该阶段结束时环件壁厚H3可近似为Hf，环件外径D3可近似为Df，该阶段环件外径长大速度为关于壁厚H的函数：此方法得出的环件长大速度随壁厚减少而逐渐降低至v2，v2为整圆阶段环件长大速度，通常为1mm/s～3mm/s；减速阶段所需时间为t3，由于此阶段环件长大速度随壁厚的减少而均匀降低且壁厚减小量较小，因此可将环件长大速度近似本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)环坯设计与制造：通过确定合适的轧制比和径轴向变形比优化环坯尺寸，然后采用离心浇铸制造环坯；/n(2)轧制成形参数设计：通过合理设计如下关键成形参数：环坯加热温度、轧制变形路径、环件长大速度，保障环件稳定轧制成形条件；/n(3)轧制成形过程控制：通过对轧辊预热和轧制过程环件温度监控，确保环件处于合适的热变形温度区间；通过对环件尺寸在线测量来调控轧辊进给速度，精确控制轧制变形路径和环件长大速度，确保环件处于稳定变形状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)环坯设计与制造：通过确定合适的轧制比和径轴向变形比优化环坯尺寸，然后采用离心浇铸制造环坯；
(2)轧制成形参数设计：通过合理设计如下关键成形参数：环坯加热温度、轧制变形路径、环件长大速度，保障环件稳定轧制成形条件；
(3)轧制成形过程控制：通过对轧辊预热和轧制过程环件温度监控，确保环件处于合适的热变形温度区间；通过对环件尺寸在线测量来调控轧辊进给速度，精确控制轧制变形路径和环件长大速度，确保环件处于稳定变形状态。


2.根据权利要求1所述的一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，其特征在于：步骤(1)中环坯设计与制造包括以下特征：
1)轧制比设计
轧制比是确定环件变形量的重要参数，即轧制前后环件截面积之比：



其中A0、Af、H0、B0、Hf、Bf分别为环坯截面积、环件截面积、环坯厚度、环坯高度、环件厚度、环件高度；
过大的轧制比会使铜合金在轧制过程中产生开裂等缺陷，通常铜合金环件的轧制比控制在2～4以内；对于塑性较差的铜合金材料，轧制比宜取较小值；
2)径轴向变形比设计
径轴向变形比是确定环件径向与轴向变形关系的重要参数，即环件壁厚和高度的减小量之比：



其中Kα为形状系数；由于铜合金材料强度较低，为避免轧制过程中环件失稳、爬辊等现象，应适当增加径向变形量，因此Kα的取值范围为
3)环坯几何尺寸设计
根据塑性变形体积不变条件，
π(Rf2-rf2)Bf＝π(R02-r02)B0
其中Rf、rf、R0、r0分别为环件外半径、环件内半径、环坯外半径、环坯内半径；
结合轧制比和径轴向变形比可确定环坯几何尺寸；
环坯高度可根据下式确定：



环坯厚度可根据下式确定：
H0＝Hf+K(B0-Bf)
环坯外半径可根据下式确定：



环坯内半径可根据下式确定：



4)环坯离心浇铸成形
针对传统实心铸锭锻造成形环坯方式带来的流程长、效率低、环坯尺寸精度低的问题，本发明采用离心浇注方式成形环坯，流程短、效率高，成形环坯尺寸精度高且内部缺陷少；根据上述环坯尺寸设计离心浇铸模具内表面尺寸；
由于铸造热态环坯冷却后会产生一定的体积收缩，将这种收缩视为均匀的，则收缩率表示为：



其中，δ、Rt、Rc分别为材料热收缩率、热态环坯外半径、冷态环件外半径；
因此，离心浇注所用模具内径根据与环坯外径的关系应满足：



其中Rm为模具内半径。


3.根据权利要求1所述的一种大型铜合金环件稳定轧制成形方法，其特征在于：步骤(2)中轧制成形参数设计包括以下特征：
1)加热温度设计
将环坯放入加热炉加热至880℃～950℃后进行保温；由于铜合金材料强度较低，环件刚度差，成形过程易失稳，因此，对于壁厚较薄的环坯，为了提高环件刚度，宜取加热温度区间的较小值；对于壁厚较厚的环坯，可适当提高加热温度降低轧制力，因此可以取加热温度区间的较大值；环坯保温时间按0.7～1.1min/mm进行计算，加热炉的温度误差控制在±10℃以内；
2)轧制变形路径设计
考虑到铜合金环件刚度差，轧制后期易失稳以及设备轴向力能低，轧制曲线宜采用下凹型曲线，曲线方程由下式确定：



其中，H为环件的瞬时壁厚，B为环件瞬时高度，n为曲率系数，决定了曲线的下凹程度；
为了使大部分轴向变形在轧制初期完成，同时防止产生过大的轴向力矩导致爬辊现象的产生，轴向和径向瞬时速度之比应满足因此，曲率系数n的取值范围为：
K2＜n＜2K2
3)环件长大速度设计
环件长大速度是轧制过程稳定性的重要影响因素，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱东升，吴剑，邓加东，徐锋，
申请(专利权)人：张家港中环海陆高端装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32