一种确定大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料结构尺寸的方法技术

一种确定大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料结构尺寸的方法，通过环盘件尺寸和芯辊直径确定轧比k。通过确定的轧比确定轧旋坯料矩形截面环的高度h0、壁厚b0、内径d0以及外径D0。通过确定的轧旋坯料矩形截面环外径D0和轧旋坯料弯曲时中性层长度确定轧旋坯料锥形截面环的小端内径d

【技术实现步骤摘要】
一种确定大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料结构尺寸的方法


[0001]本专利技术属于大锥度复杂异形环盘件轧旋成形加工领域，具体涉及一种确定大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料结构尺寸的方法。

技术介绍

[0002]大锥度复杂异形环盘件轧旋成形，是针对火箭、导弹发动机燃烧室壳体前、后接头等环盘类构件的制造而提出的一种新工艺方法，在申请号为201910958534.8的专利技术创造中提出了“一种大锥度复杂异形环盘类构件的轧旋成形方法”，在该工艺的方案设计过程中，轧旋坯料结构尺寸的确定对成形过程的稳定性、材料变形行为、环盘件尺寸精度具有重要影响作用，因而是该工艺迫切需要解决的首要关键技术。目前，轧旋坯料的设计仍依赖经验和试错，还缺乏科学有效的方法，导致轧旋成形的环盘件尺寸与目标尺寸相差较大，材料利用率低，成本高，且性能难以保证。郭良刚等针对矩形截面环件径轴向轧制过程，专利技术了一种基于轧比k和径轴向变形量分配比tanα的毛坯尺寸确定方法(郭良刚,杨合.一种确定环件径轴向轧制毛坯尺寸的方法,CN101829686A[P].2010)，为环件径轴向轧制毛坯尺寸的设计提供了重要科学依据，但该方法主要针对矩形截面环件轧制过程，由于径轴向环轧与轧旋过程中的材料变形行为不同，该方法并不适用于大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料的设计。Zhu X等基于体积分布特征曲线，提出了四种锥形截面环件轧制毛坯设计原则，基于此确定了四种具有不同形状和尺寸的毛坯(Zhu X,Liu D,Yang Y,et al.Effects of blank dimension on forming characteristics during conical
‑
section ring rolling of Inco718 alloy[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016,84(9
‑
12):2707
‑
2718.)，该研究为锥形截面毛坯的设计提供了一种重要方法，但主要是针对锥度较小的环件，由于轧旋环盘件锥度较大且轧旋成形原理与锥形截面环件轧制过程不同，因此该研究也不适用于轧旋成形过程。

技术实现思路

[0003]为克服现有技术中存在的由于缺乏合理的坯料尺寸设计方法导致的成形精度低、材料利用率低、成本高、性能难以保证的不足，本专利技术提出了一种确定大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料结构尺寸的方法。
[0004]本专利技术的具体过程是：
[0005]步骤一，确定轧旋坯料的结构；
[0006]在确定所述轧旋坯料时，首先将设计的大锥度复杂异形环盘件划分为矩形截面环和锥形截面环两部分。再根据划分后得到的该大锥度复杂异形环盘件的矩形截面环和锥形截面环确定轧旋坯料的结构。
[0007]所述确定轧旋坯料分为两部分，其中一部分为矩形截面环，另一部分为锥形截面环，并且所述轧旋坯料矩形截面环位于所述轧旋坯料锥形截面环的内缘。
[0008]所述划分的大锥度复杂异形环盘件的矩形截面环的纵截面的四个顶点分别为A、
B、C和M；该矩形截面环纵截面中，AB边为该环盘件矩形截面环的上表面，MC边为该环盘件矩形截面环的下表面，AM边为该环盘件矩形截面环的内表面，BC边为该环盘件矩形截面环的外表面。
[0009]所述环盘件矩形截面环的内径为d
f
，环盘件矩形截面环的外径为D
f
，环盘件矩形截面环的壁厚为b
f
，环盘件矩形截面环的高度为h
f
。环盘件锥形截面环的小端内径为d
f1
，环盘件锥形截面环的大端外径为D
f1
，环盘件锥形截面环的大端高度为h
1f
，环盘件锥形截面环的小端高度为h
2f
。
[0010]所述划分的大锥度复杂异形环盘件的锥形截面环的纵截面的四个顶点分别为E、B、G、F，所述G点位于B点与C点之间。所述BE边为该环盘件锥形截面环的上表面，GF边为该环盘件锥形截面环的下表面，BG边为该环盘件锥形截面环的内表面，EF边为该环盘件锥形截面环的外表面；所述环盘件锥形截面环的上表面和下表面均为曲面，所述环盘件锥形截面环的内表面和外表面均为平面。
[0011]所述锥形截面的BE边由水平直线段、圆弧段和斜直线段组成，并且该水平直线段与所述矩形截面环的外表面衔接，斜直线段为该锥形截面环的外缘；所述圆弧段的两端分别与该水平直线段和斜直线段连接。所述水平直线段的长度为L1，斜直线段的长度为L2。所述圆弧段的圆心为O，圆弧段半径为r，圆弧段的圆心角为α。t为圆弧段的材料平均厚度，所述t的值等于该圆弧段的角平分线的延长线分别与环盘件锥形截面的BE边的交点和GF边的交点之间的距离。所述圆弧段所对应的中性层为圆弧MN。中性层的半径即为该圆弧MN的半径，等于ρ。中性层的长度即为该圆弧MN的长度，等于L3。
[0012]所述划分的大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料的矩形截面环的纵截面的四个顶点分别为A0、B0、C0、M0；该轧旋坯料矩形截面环纵截面中，A0B0边为该轧旋坯料矩形截面环的上表面，M0C0边为该轧旋坯料矩形截面环的下表面，A0M0边为该轧旋坯料矩形截面环的内表面，B0C0边为该轧旋坯料矩形截面环的外表面。
[0013]所述划分的大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料的锥形截面环的纵截面的四个顶点分别为E0、B0、G0、F0，所述G0点位于B0点与C0点之间。所述B0E0边为该轧旋坯料锥形截面环的上表面，G0F0边为该轧旋坯料锥形截面环的下表面，B0G0边为该轧旋坯料锥形截面环的内表面，E0F0边为该轧旋坯料锥形截面的外表面；所述轧旋坯料锥形截面环的内表面、外表面和上表面均为平面，所述轧旋坯料锥形截面环的下表面为曲面。
[0014]步骤二，确定轧旋坯料结构尺寸的计算公式；
[0015]所述轧旋坯料结构尺寸包括轧旋坯料矩形截面环的内径d0、轧旋坯料矩形截面环的外径D0、轧旋坯料矩形截面环的壁厚b0、轧旋坯料矩形截面环的高度h0和轧旋坯料锥形截面环的小端内径d
01
、轧旋坯料锥形截面环的大端外径D
01
、轧旋坯料锥形截面环的大端高度h
10
、轧旋坯料锥形截面环的小端高度h
20
。
[0016]Ⅰ.分别确定轧旋坯料矩形截面环的内径d0、外径D0、壁厚b0和高度h0的计算公式：
[0017]轧比k为轧旋坯料矩形截面面积与环盘件矩形截面面积之比，如公式(1)所示：
[0018][0019]由于轧旋成形过程中，轧旋坯料矩形截面环的高度保持不变，故轧旋坯料矩形截面环的高度h0：
[0020]h0＝h
f
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(2)
[0021]由公式(1)和(2)知，轧比k取决于轧旋坯料矩形截面环的壁厚b0和环盘件矩形截面环的壁厚b
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种确定大锥度复杂异形环盘件轧旋坯料结构尺寸的方法，其特征在于：步骤一，确定轧旋坯料的结构；在确定所述轧旋坯料时，首先将设计的大锥度复杂异形环盘件划分为矩形截面环和锥形截面环两部分；再根据划分后得到的该大锥度复杂异形环盘件的矩形截面环和锥形截面环确定轧旋坯料的结构；所述确定轧旋坯料分为两部分，其中一部分为矩形截面环，另一部分为锥形截面环，并且所述轧旋坯料矩形截面环位于所述轧旋坯料锥形截面环的内缘；步骤二，确定轧旋坯料结构尺寸的计算公式；所述轧旋坯料结构尺寸包括轧旋坯料矩形截面环的内径d0、轧旋坯料矩形截面环的外径D0、轧旋坯料矩形截面环的壁厚b0、轧旋坯料矩形截面环的高度h0和轧旋坯料锥形截面环的小端内径d
01
、轧旋坯料锥形截面环的大端外径D
01
、轧旋坯料锥形截面环的大端高度h
10
、轧旋坯料锥形截面环的小端高度h
20
；Ⅰ.分别确定轧旋坯料矩形截面环的内径d0、外径D0、壁厚b0和高度h0的计算公式：轧比k为轧旋坯料矩形截面面积与环盘件矩形截面面积之比，如公式(1)所示：由于轧旋成形过程中，轧旋坯料矩形截面环的高度保持不变，故轧旋坯料矩形截面环的高度h0：h0＝h
f
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(2)由公式(1)和(2)知，轧比k取决于轧旋坯料矩形截面环的壁厚b0和环盘件矩形截面环的壁厚b
f
的比值；由公式(1)和(2)得到轧旋坯料矩形截面环的壁厚b0：b0＝kb
f
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(3)轧旋成形过程中，忽略轧旋坯料矩形截面环和轧旋坯料锥形截面环之间的材料流动；根据轧旋坯料矩形截面环和环盘件矩形截面环的体积相等，得到所述轧旋坯料矩形截面环外径与内径的关系为：D0＝d0+2b0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)联立公式(2)、(4)、(5)，得到轧旋坯料矩形截面环的内径d0：将公式(3)代入公式(6)，得到轧旋坯料矩形截面环的内径d0：将公式(3)和公式(7)代入公式(5)中，得到轧旋坯料矩形截面环的外径D0：
公式(1)～公式(8)中：k为轧比；d0、D0、b0和h0分别为轧旋坯料矩形截面环的内径、外径、壁厚和高度；d
f
、D
f
、b
f
和h
f
分别为环盘件矩形截面环的内径、外径、壁厚和高度；Ⅱ.分别确定轧旋坯料锥形截面环的小端内径d
01
、大端外径D
01
和小端高度h
20
的计算公式：轧旋坯料锥形截面环的小端内径与轧旋坯料矩形截面环的外径相等；结合公式(8)，得到轧旋坯料锥形截面环的小端内径d
01
：轧旋过程中，轧旋坯料锥形截面环的上平面发生弯曲变形而成形出环盘件锥形截面环的上曲面；所述环盘件锥形截面BE边的圆弧段所对应的中性层的长度，即圆弧MN的长度L3，通过公式(10)确定：公式(10)中：α为环盘件锥形截面BE边的圆弧段的圆心角；ρ为环盘件锥形截面BE边的圆弧段所对应的中性层的半径；环盘件锥形截面BE边的圆弧段所对应的中性层的半径ρ通过公式(11)确定：ρ＝r+xt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)公式(11)中：r为环盘件锥形截面BE边的圆弧段半径；t为环盘件锥形截面BE边的圆弧段的材料平均厚度；x为中性层位移系数，它的取值与所述圆弧段半径r和该圆弧段的材料平均厚度t的比值r/t的大小有关；根据弯曲过程的中性层长度不变原理，轧旋坯料锥形截面B0E0边的长度L通过公式(12)确定：L＝L1+L2+L3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)公式(12)中：L1为所述环盘件锥形截面BE边的水平直线段的长度；L2为所述环盘件锥形截面BE边的斜直线段的长度；L3为所述环盘件锥形截面BE边的圆弧段所对应的中性层长度；根据几何关系，轧旋坯料锥形截面环的大端外半径等于轧旋坯料矩形截面环的外半径与轧旋坯料锥形截面B0E0边的长度之和，故：由公式(13)得到轧旋坯料锥形截面环的大端外径D
01
：D
01
＝D0+2L
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(14)过所述轧旋坯料锥形截面的顶点F0，向该锥形截面的B0G0边做垂线，该垂线交B0G0边与点N0；所述轧旋坯料锥形截面分为矩形B0E0F0N0和直角三角形N0F0G0两部分；所述矩形B0E0F0N0绕轧旋坯料轴线旋转一周所成的体积V
01
通过公式(15)确定：
所述直角三角形N0F0G0绕轧旋坯料轴线旋转一周所成的体积V
02
通过公式(16)确定：通过公式(15)和(16)得到轧旋坯料锥形截面环的体积V0：根据弯曲过程中体积不变原理，轧旋坯料锥形截面环的体积V0与环盘件锥形截面环的体积V
f
相等，即有V0＝V
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)将公式(18)代入公式(17)，化简后得将公式(14)代入公式(19)，变换后得到轧旋坯料锥形截面环的小端高度h
20
：公式(20)中：V
f
为环盘件锥形截面环的体积；h
10
为轧旋坯料锥形截面环的大端高度；步骤三，分别确定轧比k和轧旋坯料锥形截面环的大端高度h
10
的取值范围；Ⅰ.确定轧比k的取值范围：大锥度复杂异形环盘件轧旋成形存在两种变形模式：第一种是纯旋压弯曲变形；第二种是先发生旋压弯曲变形，再发生异形环轧制变形；对于第一种变形模式，轧旋坯料主要发生弯曲收口变形，而壁厚不变，轧比k＝1；对于第二种变形模式，轧旋坯料先发生弯曲收口变形，再发生壁厚减薄和直径长大的变形，轧比k>1；因此，轧比k要满足k≥1；公式(25)中：k为轧比；d
m
为芯辊直径；D
f
为环盘件矩形截面环的外径；b
f
为环盘件矩形截面环的壁厚；Ⅱ.确定轧旋坯料锥形截面环的大端高度h
10
的取值范围：通过公式(29)确定轧旋坯料锥形截面环的大端高度h
10
的取值范围：公式(29)中：h
10
为轧旋坯料锥形截面环的大端高度；h
1f
为环盘件锥形截面环的大端高度；V
f
为环盘件锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭良刚，李学潮，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：