如何让复杂零件的几何尺寸精确成形？回弹补偿技术给你答案
(文摘精选)
如何让复杂零件的几何尺寸精确成形？回弹补偿技术给你答案
零件制造的本质是使design的几何尺寸经过机床设备和工艺配备精确地传递到实物工件上。钣金零件是飞机的次要结构件，构成飞机的气动外形和骨架，其制造的尺寸传递经历零件design数据、外形控制数据、成形模具再到零件的过程，模具是零件外形控制数据的载体。随着制造技术的发展，成形模具的根据从模仿量到数字量不断衍变，制造效率和质量随之逐渐进步。在模仿量尺寸传递体系中，飞机产品信息以模线、样板、标准样件等模仿量作为载体传递至模具，存在的突出成绩包括3个方面，一是模具制造需严厉按尺寸传递协调路线规定的先后次序进行，周期长；二是模具可复制性和协调性差，尤其在新型号的研制过程中，靠实验的方法进行修模，返工景象更为明显，新型模具返修率达100%；三是尺寸传递环节多，成形模具外形误差往往达0.2~0.3mm，局部甚至高达0.5mm，零件成形精度低。随着数字化技术的发展运用，三维建模已成为design中的基本选择，从飞机产品数字模型中提取零件三维模型，根据工艺要求建立工艺模型作为模具design的根据，再进行成形模具制造，可以省掉用于移形的样板和标准工艺配备，进步了成形模具的制造精确度和加工效率，延长零件消费预备周期。然而，由于零件在赋形后存在回弹变形，仅以design模型型面数字量传递到成形模具并不能完成高效、高精度制造，航空制造企业在工程理论中为了防止拆卸干涉仅在下陷区进行了加深。如果不进行零件级回弹变形补偿，只能采用“成形+热处理”的工艺方式和“设备和模具粗成形＋手工精校形”的制造方式，手工校形工作量大、零件功能和表面质量不高。随着古代飞机产品功能要求的不断进步，外形变化更为复杂，结构复杂度全面添加，材料日益轻量化，我国航空制造企业面临着繁重的飞机研制和消费任务，制造周期和质量要求不断进步。以框肋零件为例，在大型客机中，该类零件尺寸长达3m、外缘型面为双曲率且通常带有下陷，其制造质量要求不只是符合外形外形和尺寸，而且要有良好的表面质量和波动的功能形状，也就意味着从毛坯到零件一步达到design外形、尺寸和功能要求，这对现有成形工艺极限提出了新的应战，迫切要求发展基于回弹补偿的零件成形模具design技术体系。本文在给出了基于回弹补偿的成形模具design及其运用过程的基础上，总结了成形模具型面回弹补偿技术研讨现状，给出了以框肋零件回弹补偿模型为根据的模具design实例并分析了成形效果。基于回弹补偿的成形模具design及其运用过程“一步法”成形是顺应钣金零件成形质量和周期要求不断进步而必须采用的制造方式，即在铝合金零件热处理后的新淬火形状成形，一步达到外形和功能要求。这要求面向制造全过程考虑成形工艺要素，根据design模型建立零件工艺模型传递至成形模具；控制零件外形的工艺模型是根据控形节点工件外形，考虑成形工艺要素而对回弹变形进行预测和补偿后生成的几何模型，目标在于高效、精确制造工件。回弹是钣金零件成形的次要缺陷，回弹量取决于成形工艺过程、成形模具等要素，经过对成形工艺过程的调整，虽然能在一定程度上减小回弹量，但是效率低且不能完全消弭回弹的影响；经过对控形型面的修正来完成对回弹的补偿，使得回弹后的工件外形与所需求的零件外形尽量分歧，理论上可以彻底消弭回弹对零件的影响。因此，零件精确成形制造的关键不在于作为赋形载体的模具的加工精度，而在于在design模型和工艺过程基础上预测和补偿于弹性恢复内力作用所产生的回弹变形以建立工艺模型作为成形模具design的根据。如图1所示，采用“一步法”成形完成零件的精确成形。零件数字化制造包括框肋零件design、工艺模型design、成形模具design、成形模具制造、零件液压成形和零件三维检测等次要环节，具体过程是：以零件design所得的零件design数模为基础，对零件design数模进行回弹修正建立工艺数模；零件成形模具的design以零件工艺数模为独一的数据来源，经过对工艺数模型面进行移形，并design加强结构、定位孔等辅助结构，得到模具数模；根据模具数模采用数控加工得到成形模具；由于回弹补偿后成形模具的工作型面已不同于零件最终外形，无法再作为检验根据，因此，对成形后工件可经过数字化测量，逆向建立工件的数字模型，与design零件数模进行比对检测其成形精确零件成形模具型面回弹补偿技术研讨现状国内外诸多企业和研讨机构围绕飞机、汽车等产品零件精确成形技术的发展，对回弹补偿开展了大量研讨，相关论文数量逐年添加。数字化制造条件下经过数字化技术预测变形并对design模型进行补偿以用于模具design。近年来，数字化仿真在零件成形预测与补偿中得到了广泛运用，采用数值模仿软件把零件型面离散为网格，运用不同的后置处理算法对变形进行预测，沿不同方向补偿回弹变形，直至成形后外形满足精度要求。代表性方法包括应力反向补偿法，适于外形对称、回弹量较小的零件；节点几何位移补偿法，补偿方向有多种，可以有效对简单二维零件进行补偿；光顺补偿法和曲面控制过弯法是对节点几何位移补偿法进行改进而用于曲面零件的探求，对复杂曲面的拟合仍是难点所在，典型方法如呼应面法。从模型补偿的角度来看，目前几乎一切大型软件对复杂零件回弹数值模仿的误差和离散性都较大，预测精度仍较低，预测精确性仍然是国际上的一大难题，仿真结果精确度常经过与物理实验结果进行对比来确定，因此，需求针对复杂零件结构和变形特点发展一种可调控的模具型面回弹补偿方法，这样才能完成精确成形。与基于点离散的型面回弹补偿方法不同，复杂外形零件基于线离散化后，采用解析法或智能化方法进行变形预测后来补偿，重构构成用于模具design的型面。对复杂型面零件离散，首先划分截面，对任不测形截面线，按照离散点曲率分为圆弧段，将回弹修正后各弧段组合得到整个截面线的回弹。对于飞机钣金零件而言，不但外形尺寸各异、型面复杂，而且通常带有多个下陷；回弹不只发生在一个方向，因此，需求在分析其变形的基础上建立基于线的定量离散表达方法。对变形预测，解析计算法是针对各种简单几何外形基于塑性成形基础理论建立描述零件弯曲成形的力学模型或根据经验规律建立预测函数，但计算结果与实践值有一定差距。随着人工智能的不断发展，人工神经网格、基于实例推理等方法在回弹预测之中也广泛运用。从知识运用看，可采用人工神经网络模型建立起影响要素和回弹量之间关系，前提是有足够量的知识作为样本，相关研讨中知识多源于仿真结果，知识数量要求和精确度限制了其运用；也可采用基于实例推理的方法，知识检索简捷、快速，但由于实践零件尺寸各不相反，仅采用类似度评价算法也不足以完成精确成形。可见，面向精确成形的成形模具型面回弹补偿技术综合运用了计算模型、仿真工具、知识工程方法和科学实验手腕，由零件几何精度和物理功能驱动，经过对成形工艺过程回弹变形的数字化建模、精确化预测和定量化控制，建立控制零件外形的工艺数模再传递到成形模具，以使零件成形后不需求加工或仅需大批加工就可满足质量要求。零件成形模具型面回弹补偿实例及其效果分析框肋零件是一类重要飞机结构件，包括腹板、弯边、下陷等多种结构要素，肋零件实例如图2所示，材料为LY12，厚度为1.0mm，运用本项目组开发的回弹补偿软件工具集阐明成形模具design过程及其成形效果。（1）零件信息提取：首先经过框肋零件弯边离散公用工具针对弯边进行离散，将弯边与腹板边界线均匀离散，经过各离散点分别做弯边边界线的法平面，与弯边面圆角区和凸缘区相交构成各截面线，见图3。&（2）回弹预测与补偿：如表1所示，回弹预测知识库零碎根据零件材料牌号、材料厚度、圆角半径和斜角值计算得到对应的回弹角及回弹补偿后弯边角度和半径。运用型面补偿与重构工具对回弹补偿后各弯边截面进行重构（图4），根据零件design模型建模过程建立零件工艺模型，见图5。（3）模具design与制造：根据零件工艺模型完成其成形模具工作型面部分的design，非工作部分根据模具的结构方案进行design（图6），采用数控加工制形成形模具（图7）。（4）成形实验与检测：采用橡皮囊液压成形，成形压力30MPa，保压工夫为3s，橡皮硬度为A70。运用三维影像扫描仪（扫描精度为0.01mm）对成形加工的零件进行扫描，运用三维测量软件对逆向重构的工件模型与零件design模型进行比对检测，云图如图8所示。实例零件弯边高度最大处18mm，小于20mm，零件外形公差要求为±0.5mm，弯边弯曲角度精度要求为1°30′，换算为弯边外缘边界点的偏差约为0.471mm。检测结果表明，零件外形满足精度要求；除了4处弯边与下陷的过渡区处超差外，其余弯边的角度偏差均符合精度要求，超差的缘由在于工艺模型型面补偿中未考虑过渡区的回弹，这也是在复杂结构零件回弹补偿方法完善和优化中需求进一步处理的成绩。结束语面向精确成形的零件成形模具design的关键在于型面回弹补偿，而型面回弹补偿技术的难点源于零件外形面为不连续的双曲面，变形方向不独一，结构要素之间互相影响以及铝锂合金等新型轻质材料逐渐运用。传统依赖于手工校形的制造方式无法顺应飞机产品快速、高质量研制的要求，只要发展回弹变形的预测、补偿和定量调控方法，才能为该类零件精确成形工艺与技术手腕打破提供理论基础，促使零件制造活动由部分定量、基于经验的试错模式向全面数字化的计算和推理模式转变，完成对零件成形、成性过程的定量自动控制。本研讨经过实验验证对钣金件回弹补偿技术进行了完善，技术成熟度逐渐进步，该项技术的进一步推行转化将推进航空制造企业钣金件成形技术向高效、精确方向发展。 作者：刘闯 , 路骐安 , 杨忆湄
TA的最新收藏世界最大金属零件高精度激光3D打印装备通过鉴定
资料图：激光3D打印机打印出的金属零件原标题：世界最大金属零件高精度激光3D打印装备通过鉴定新闻网讯（通讯员 冀娴贤）4月26日，由我校完成的“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备（俗称激光3D打印技术）”顺利通过了湖北省科技厅成果鉴定。深度融合了信息技术和制造技术等特征的激光3D打印技术，由4台激光器同时扫描，为目前世界上效率和尺寸最大的高精度金属零件激光3D打印装备。该装备攻克了多重技术难题，解决了航空航天复杂精密金属零件在材料结构功能一体化及减重等“卡脖子”关键技术难题，实现了复杂金属零件的高精度成形、提高成形效率、缩短装备研制周期等目的。随着航空航天装备不断向轻量化、高可靠性、长寿命、低成本方向发展，一些关键金属零件复杂程度越来越高，制造周期要求越来越短，使得我国现有制造技术面临系列共性难题，如复杂薄壁精密零件结构-性能一体化制造技术，航空航天发动机叶片、涡轮等复杂精密零件的成形技术等，严重制约了航空航天装备技术水平的提高。金属零件的激光3D打印技术是各种3D打印技术中难度系数最大也最受国内外关注的方向之一。其中基于自动铺粉的激光选区熔化成形技术（Selective Laser Melting，SLM），主要特点是加工精度高、后续几乎不需要机械加工，可以制造各种复杂精密金属零件，实现结构功能一体化、轻量化，在航空航天领域有广泛的应用需求。但是，成形效率低、成形尺寸有限是该类技术的发展瓶颈。此前，我国在SLM技术领域与国际先进水平相比有较大差距，大部分装备依赖进口。华中科技大学武汉光电国家实验室教授曾晓雁领导的激光先进制造研究团队，在国家863和自然科学基金项目等资助下，经过十年的长期努力，在SLM成形理论、工艺和装备等诸多方面取得了重要成果，特别是突破了SLM成形难以高效制备大尺寸金属零件等瓶颈。项目率先在国际上提出并研制出成形体积为500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造装备，它由4台500W光纤激光器、4台振镜分区同时扫描成形，成形效率和尺寸迄今为止同类设备中世界最大。而此前，该装备最多使用两台光纤激光器，成形效率低。项目攻克了多光束无缝拼接、4象限加工重合区制造质量控制等众多技术难题，实现了大型复杂金属零件的高效率、高精度、高性能成形。先后自主研制出SLM系列多种装备，并采用国产的钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金粉末，实现了各种复杂精密零件的成形，其关键技术指标与国外水平相当。首次在SLM装备中引入双向铺粉技术，其成形效率高出同类装备的20-40%，标志着我国自主研制的SLM成形技术与装备达到了国际先进水平。已经有45种零件在20余种航天型号研制中得到应用，先后为航天发动机、运载火箭、卫星及导弹等装备中6种型号20余种产品进行了样件研制，5种产品通过了热试车，其中4种产品已经定型。先后有多台SLM装备被航天科技集团三大总体研究院用于航天零件的研制与批产，所研制的零件不仅大大缩短了产品的研制周期，简化了工序，更重要的是将结构-功能一体化，获得性能优良的、轻质的零件。SLM技术成形精度高、性能好、且不需要工模具，属于典型的数字化过程,目前在复杂精密金属零件的成形中具有不可替代性，在精密机械、能源、电子、石油化工、交通运输等几乎所有的高端制造领域都具有广阔的工业应用前景。
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一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法
来源：广搜网
公益为中国网民提供数字化信息
发布日期： 18:04:24
&&&&发明人：钱东升 华林 汪小凯 邓加东（摘要：本发明涉及一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，包括如下步骤：（1）根据零件的非对称度确定毛坯形状，再根据金属流动规律确定体积分配比，进而确定毛坯尺寸；（2）根据三辊横轧成形原理和设备结构以及毛坯、零件尺寸要求，先设计副轧辊工作面尺寸和位置，再确定主轧辊尺寸；（3）根据三辊横轧咬入条件以及轧辊尺寸、毛坯尺寸、零件尺寸依次设计主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间。（4）按步骤（3）轧制参数轧制成形所述零件。本发明能够合理确定零件三辊横轧成形工艺参数，保障零件稳定轧制成形，降低轧制废、次品率，以实现双联齿轮、双边支重轮轮体、高压阀体等机械零件低耗、高效、优质成形制造。）
一次稳定成形非对称双台阶回转体零件；具体包括如下步骤：（1）根据零件尺寸和非对称度，选定合适的毛坯形状，再根据金属流动规律确定体积分配比，进而确定毛坯尺寸并制坯；所述毛坯截面形状为矩形、锥台型或台阶型；（2）根据三辊横轧成形原理和设备结构以及毛坯、零件尺寸要求，先设计副轧辊工作面尺寸和位置，再确定主轧辊尺寸；（3）根据三辊横轧咬入条件以及轧辊尺寸、毛坯尺寸、零件尺寸依次设计轧制成形参数，所述轧制成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间；（4）按步骤（3）的轧制成形参数一次稳定轧制成形所述零件；轧制时主轧辊作主动旋转运动并同时向下作直线进给运动；左副轧辊、右副轧辊为轴心固定的空转辊，在毛坯带动下作被动旋转运动；零件在主动辊的旋转和径向进给作用下咬入三辊构成的孔型，产生连续旋转和局部塑性变形，经过多转变形积累，毛坯截面轮廓充满轧制孔型，完成轧制成形。2. 根据权利要求1 所述的成形方法，其特征在于：步骤（1）按照如下顺序进行：1）计算零件的非对称度KD设R1、R2、R3、r 分别为零件上台阶半径、凹槽半径、下台阶半径和内孔半径；对于实心类零件，r=0 ；B1、B2、B3 分别为零件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度，则零件总高度B=B1+B2+B3 ；VLu、VLd 分别为零件上台阶体积和下台阶体积；非对称系数非对称度KD=|KL-1| ；当KD<0.1 时，采用矩形截面毛坯；当0.1 ≤ KD ≤ 0.3，采用锥台型毛坯；当KD>0.3 时，采用台阶型毛坯；2）计算毛坯体积V对于中心带小孔的零件，经三辊横轧变形后，内孔会出现轻微的腰鼓现象，因此毛坯尺寸要设计比零件内孔尺寸略小，计算毛坯体积时需将零件内孔尺寸进行调整；毛坯内孔半径r0 取（0.9~1）r，零件壁厚越小，r0 的取值越小；对于实心零件，不存在上述现象，即r0=r=0 ；故所需毛坯体积V=πR12B1+πR22B2+πR32B3-πr02B ；将零件内孔半径r 取r0 进行修正，以Kr 表示零件凹槽半径与内孔半径之比，即以凹槽一半高度处为界，将零件分为上下两部分，以Vu、Vd 分别表示修正后零件上、下部分体积，则修正后零件上、下部分体积比为：修正后零件上半部分体积与总体积之比毛坯上半部分体积与总体积之比KU′ =kKU，k 取0.8~1，非对称度越大，修正系数k 值越小；3）确定毛坯尺寸并制坯毛坯高度B0 与零件高度B 相等，B0=B=B1+B2+B3①对于矩形毛坯毛坯外半径②对于锥台型毛坯毛坯外表面与回转轴间的夹角其中毛坯小端外半径③对于台阶型毛坯毛坯小端外半径台阶高度BL=B3台阶长度3. 根据权利要求1 或2 所述的成形方法，其特征在于：步骤（2）轧辊尺寸按如下步骤确定：1）确定副轧辊工作面尺寸和位置副轧辊以主辊圆心与毛坯圆心连线为轴线对称布置，初始轧制时，两副轧辊紧贴毛坯，为了较好的支撑零件，保证轧制运动稳定，副轧辊圆心与毛坯中心的连线与轴线的夹角θ0设计为45°～ 60° ；两个副轧辊设计为一样，副轧辊工作面半径通常根据设备空间尺寸确定，为了防止零件从副轧辊间被挤出以及两副轧辊工作面间相互干涉，副轧辊凸台半径Rc2 要满足下列要求：其中R0′为毛坯与轧辊的初始接触半径，对于矩形截面和台阶型毛坯R0′＝ R0，对于锥台形截面R0′＝ R0+（B1+B2）tanβ ；由于采用闭式孔型，副轧辊下型腔宽度Lcd 应满足：R3-R2<Lcd<R3-r ；由零件的几何尺寸可确定副轧辊上型腔宽度Lcu=Lcd+R1-R3，Rc2 确定后，根据几何关系可确定副轧辊上型腔面半径Rc1=Rc2-(R1-R2)，副轧辊下型腔面半径Rc3=Rc2-(R3-R2) ；为了保证成形环件截面尺寸精度，根据环件上台阶高度B1、凹槽高度B2 和下台阶高度B3 可确定副轧辊上型腔高度Bc1、凸台高度Bc2、下型腔高度Bc3 为Bc1=B1+0.3 ～ 0.6mm，Bc2=B2，Bc3=B3+0.3 ～ 0.6mm，副轧辊上侧壁高度Bcu、下侧壁高度Bcd 根据设备具体安装尺寸确定，考虑到强度，其高度不能过小；2）确定主轧辊工作面尺寸为保证孔型对应，可确定主轧辊上侧壁高度Bmu=Bcu，主轧辊下侧壁高度Bmd=Bcd，主轧辊上型腔高度Bm1=Bc1，主轧辊凸台高度Bm2=Bc2，主轧辊下型腔高度Bm3=Bc3，主轧辊下型腔宽度Lmd=Lcd，主轧辊上型腔宽度Lmu=Lmd+R1-R3 ；为了防止主轧辊与副轧辊接触干涉，主轧辊凸台半径Rm2 需满足：根据上式，结合设备空间尺寸以及强度要求，可确定Rm2 ；进而根据几何关系可确定，主轧辊上型腔面半径Rm1=Rm2-(R1-R2)，主轧辊下型腔面半径Rm3=Rm2-(R3-R2)。4. 根据权利要求3 所述的成形方法，其特征在于：步骤（3）按照下列方式确定轧制成形参数：1）主轧辊转速nm为了保证轧制过程稳定，主轧辊线速度Vm 取1.1 ～ 1.3m/s ；根据主轧辊工作面半径Rm2，计算主轧辊转速为2）主轧辊进给速度v为了保证毛坯能够咬入由轧制孔型而产生连续轧制变形，主轧辊进给速度不能过大，根据下式进行设计：式中，μ 为零件与轧辊间摩擦系数；3）轧制时间轧制时间由主动辊进给时间和圆整时间两部分组成，轧制过程采用匀速进给，轧制时间T 可确定为T=T1+T2 ；主动辊进给时间其中h 为轧制总进给量圆整时间应至少保证零件转动一周，取圆整时间5. 根据权利要求1 或2 或4 所述的成形方法，其特征在于：步骤（4）中，先将轧辊安装于轧制设备内，然后将处理好的毛坯放入轧制设备内，按步骤（3）确定的轧制成形参数轧制成所需零件。一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法技术领域[0001] 本发明涉及一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法。背景技术[0002] 非对称双台阶回转体零件，如图1 所示，其几何特征为表面由长度或高度不对称的上下台阶构成一个深槽，中心带小孔或不带孔，典型的应用为工程机械中的双联齿轮、双边支重轮轮体等。此类零件的表面深槽难以通过锻造直接精确成形，目前通常是采用自由锻或模锻简单成形，再通过切削加工成形，加工能耗高、材料利用率低，大量切削加工不仅消耗工时且易破坏零件金属纤维流线，导致生产效率低、成本高、产品性能差。[0003] 三辊横轧是利用回转塑性变形而成形多台阶回转体零件的一种塑性加工新工艺，其原理如图2 所示。三个轧辊轴线平行布置，主轧辊1 作主动旋转运动并同时向下作直线进给运动；左副轧辊2、右副轧辊3 为轴心固定的空转辊，在零件带动下作被动旋转运动；零件在主动辊的旋转和径向进给作用下咬入三辊构成的孔型，产生连续旋转和局部塑性变形，经过多转变形积累，零件截面轮廓充满轧制孔型，完成轧制成形。三辊横轧过程中，零件变形区为零件与三个轧辊接触的局部区域，属于局部成形，因而变形抗力小，所需设备吨位小；轧制过程中，当零件外形台阶轮廓充满孔型时，变形就结束，不产生飞边，成形精度高；此外零件凹槽经过塑性变形而成形，其纤维流线和晶粒分布好，零件性能高。因此，采用三辊横轧工艺成形多台阶回转体零件具有显著的技术经济优点。[0004] 然而，三辊横轧变形是一个多参数耦合作用下的复杂动态变形过程，而由于非对称双台阶回转体零件的几何非对称性，使得零件轧制过程中金属流动和几何成形规律十分复杂，影响参数众多，需要合理匹配的设计轧制工艺参数，有效控制轧制过程金属流动和运动变形，否则，轧制中容易产生零件挤扁、截面充不满等缺陷。由于未掌握有效的轧制方法，实际生产中经常出现各种轧制缺陷，轧制废、次品率高，导致该类零件目前仍然以传统的锻造联合切削加工方法生产制造。发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题是：针对上述不足，提供一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，通过合理设计轧制工艺参数，实现非对称双台阶回转体零件三辊横轧一次稳定成形，有效降低该类零件制造能源和材料消耗，提高了生产效率和产品性能。[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：[0007] 一种非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，其特征在于：采用三辊横轧方法一次稳定成形非对称双台阶回转体零件；具体包括如下步骤：（1）根据零件尺寸和非对称度，选定合适的毛坯形状，再根据金属流动规律确定体积分配比，进而确定毛坯尺寸并制坯；所述毛坯截面形状为矩形、锥台型或台阶型；（2）根据三辊横轧成形原理和设备结构以及毛坯、零件尺寸要求，先设计副轧辊工作面尺寸和位置，再确定主轧辊尺寸；（3）根据三辊横轧咬入条件以及轧辊尺寸、毛坯尺寸、零件尺寸依次设计轧制成形参数，所述轧制成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间；（4）按步骤（3）的轧制成形参数一次稳定轧制成形所述零件；轧制时主轧辊作主动旋转运动并同时向下作直线进给运动；左副轧辊、右副轧辊为轴心固定的空转辊，在毛坯带动下作被动旋转运动；零件在主动辊的旋转和径向进给作用下咬入三辊构成的孔型，产生连续旋转和局部塑性变形，经过多转变形积累，毛坯截面轮廓充满轧制孔型，完成轧制成形。[0008] 按上述技术方案：步骤（1）按照如下顺序进行：[0009] 1）计算零件的非对称度KD[0010] 设R1、R2、R3、r 分别为零件上台阶半径、凹槽半径、下台阶半径和内孔半径；对于实心类零件，r=0 ；B1、B2、B3 分别为零件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度，则零件总高度B=B1+B2+B3 ；VLu、VLd 分别为零件上台阶体积和下台阶体积；[0011] 非对称系数非对称度KD=|KL-1| ；[0012] 当KD<0.1 时，采用矩形截面毛坯；[0013] 当0.1 ≤ KD ≤ 0.3，采用锥台型毛坯；[0014] 当KD>0.3 时，采用台阶型毛坯。[0015] 2）计算毛坯体积V[0016] 对于中心带小孔的零件，经三辊横轧变形后，内孔会出现轻微的腰鼓现象，因此毛坯尺寸要设计比零件内孔尺寸略小，计算毛坯体积时需将零件内孔尺寸进行调整。毛坯内孔半径r0 取（0.9~1）r，零件壁厚越小，r0 的取值越小。对于实心零件，不存在上述现象，即r0=r=0 ；[0017] 故所需毛坯体积V=πR12B1+πR22B2+πR32B3-πr02B ；[0018] 将零件内孔半径r 取r0 进行修正，以Kr 表示零件凹槽半径与内孔半径之比，即[0019] 以凹槽一半高度处为界，将零件分为上下两部分，以Vu、Vd 分别表示修正后零件上、下部分体积，则修正后零件上、下部分体积比为：[0020][0021] 修正后零件上半部分体积与总体积之比[0022] 毛坯上半部分体积与总体积之比KU′ =kKU，k 取0.8~1，非对称度越大，修正系数k值越小；[0023] 3）确定毛坯尺寸并制坯[0024] 毛坯高度B0 与零件高度B 相等，B0=B=B1+B2+B3[0025] ①对于矩形毛坯[0026] 毛坯外半径[0027] ②对于锥台型毛坯[0028] 毛坯外表面与回转轴间的夹角[0029] 其中[0030][0031] 毛坯小端外半径[0032] ③对于台阶型毛坯[0033] 毛坯小端外半径[0034] 台阶高度VL=B3[0035] 台阶长度[0036] 按上述技术方案，步骤（2）轧辊尺寸按如下步骤确定：[0037] 1）确定副轧辊工作面尺寸和位置[0038] 副轧辊以主辊圆心与毛坯圆心连线为轴线对称布置，初始轧制时，两副轧辊紧贴毛坯，为了较好的支撑零件，保证轧制运动稳定，副轧辊圆心与毛坯中心的连线与轴线的夹角θ0 设计为45°～ 60° ；[0039] 两个副轧辊设计为一样，副轧辊工作面半径通常根据设备空间尺寸确定，为了防止零件从副轧辊间被挤出以及两副轧辊工作面间相互干涉，副轧辊凸台半径Rc2 要满足下列要求：[0040][0041] 其中R0′为毛坯与轧辊的初始接触半径，对于矩形截面和台阶型毛坯R0′＝ R0，对于锥台形截面R0′＝ R0+（B1+B2）tanβ ；[0042] 由于采用闭式孔型，副轧辊下型腔宽度Lcd 应满足：R3-R2<Lcd<R3-r ；[0043] 由零件的几何尺寸可确定副轧辊上型腔宽度Lcu=Lcd+R1-R3，[0044] Rc2 确定后，根据几何关系可确定副轧辊上型腔面半径Rc1=Rc2-(R1-R2)，副轧辊下型腔面半径Rc3=Rc2-(R3-R2) ；[0045] 为了保证成形环件截面尺寸精度，根据环件上台阶高度B1、凹槽高度B2 和下台阶高度B3 可确定副轧辊上型腔高度Bc1、凸台高度Bc2、下型腔高度Bc3 为[0046] Bc1=B1+0.3 ～ 0.6mm，Bc2=B2，Bc3=B3+0.3 ～ 0.6mm，[0047] 副轧辊上侧壁高度Bcu、下侧壁高度Bcd 根据设备具体安装尺寸确定，考虑到强度，其高度不能过小。[0048] 2）确定主轧辊工作面尺寸[0049] 为保证孔型对应，可确定主轧辊上侧壁高度Bmu=Bcu，主轧辊下侧壁高度Bmd=Bcd，主轧辊上型腔高度Bm1=Bc1，主轧辊凸台高度Bm2=Bc2，主轧辊下型腔高度Bm3=Bc3，主轧辊下型腔宽度Lmd=Lcd，主轧辊上型腔宽度Lmu=Lmd+R1-R3 ；[0050] 为了防止主轧辊与副轧辊接触干涉，主轧辊凸台半径Rm2 需满足：[0051][0052] 根据上式，结合设备空间尺寸以及强度要求，可确定Rm2 ；[0053] 进而根据几何关系可确定，主轧辊上型腔面半径Rm1=Rm2-(R1-R2)，主轧辊下型腔面半径Rm3=Rm2-(R3-R2)。[0054] 按上述技术方案，步骤（3）按照下列方式确定轧制成形参数：[0055] 1）主轧辊转速nm[0056] 为了保证轧制过程稳定，主轧辊线速度Vm 取1.1 ～ 1.3m/s ；根据主轧辊工作面半径Rm2，计算主轧辊转速为[0057] 2）主轧辊进给速度v[0058] 为了保证毛坯能够咬入由轧制孔型而产生连续轧制变形，主轧辊进给速度不能过大，根据下式进行设计：[0059][0060] 式中，μ 为零件与轧辊间摩擦系数；[0061] 3）轧制时间[0062] 轧制时间由主动辊进给时间和圆整时间两部分组成，轧制过程采用匀速进给，轧制时间T 可确定为T=T1+T2 ；[0063] 主动辊进给时间[0064] 其中h 为轧制总进给量[0065][0066] 圆整时间应至少保证零件转动一周，取圆整时间[0067] 按上述技术方案，步骤（4）中，先将轧辊安装于轧制设备内，然后将处理好的毛坯放入轧制设备内，按步骤（3）确定的轧制成形参数轧制成所需零件。[0068] 本发明提出的非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，可确定合理的轧制毛坯、孔型和成形参数，避免由零件非对称性引起金属流动分配不合理而导致的轧制缺陷，从而实现了非对称双台阶回转体零件低耗、高效、高性能稳定成形制造。附图说明:[0069] 下面结合附图和各实施例对本发明作进一步详细说明：[0070] 图1 是本发明非对称双台阶回转体零件截面示意图；[0071] 图2 是本发明三辊横轧成形原理图（正视图）；[0072] 图3 是本发明三辊横轧原理图（侧视图，毛坯阶段）；[0073] 图4 是本发明三辊横轧成形原理图（侧视图，零件已成形）；[0074] 图2-4 中，附图标记对应如下：1- 主轧辊，2- 左副轧辊，3- 右副轧辊，4- 零件毛坯，5- 零件；[0075] 图5 是本发明矩形截面毛坯截面示意图；[0076] 图6 是本发明锥台型截面毛坯截面示意图；[0077] 图7 是本发明台阶型截面毛坯截面示意图；[0078] 图8 是本发明主轧辊的结构示意图；[0079] 图9 是本发明副轧辊的结构示意图；[0080] 图10 是本发明轧制初始与结束时刻各轧辊及零件位置对比示意图（左部分为轧制初始时刻，右部分为轧制结束时刻）。具体实施方式[0081] 根据本发明实施的非对称双台阶回转体零件三辊横轧成形方法，，通过合理设计轧制工艺参数，实现非对称双台阶回转体零件三辊横轧稳定成形，具体包括如下主要步骤：[0082] （1）确定毛坯形状和尺寸[0083] 对于非对称双台阶回转体零件，若零件的上、下台阶尺寸差别较大即非对称性显著，采用圆筒形毛坯轧制时，金属在充填孔型过程中可能会出现一端充不满而另一端金属堆积的现象，最终导致无法获得所需几何尺寸的零件。因此，首先需要确定合理的毛坯形状和尺寸。[0084] 1）计算零件的非对称度KD[0085] 如图1 所示，设R1、R2、R3、r 分别为成形零件的上台阶半径、凹槽半径、下台阶半径和内孔半径（对于实心类零件，r=0），B1、B2、B3 分别为环件上台阶高度、凹槽高度和下台阶高度，零件总高度B=B1+B2+B3 ；VLu、VLd 分别为零件上台阶和下台阶体积。（其中，图1 中台阶体积小者为上台阶）。[0086] 非对称系数非对称度KD=|KL-1|，KD 越大，非对称性越显著，越难以成形。[0087] 当KD<0.1 时，采用矩形截面毛坯；（如图5）；[0088] 当0.1 ≤ KD ≤ 0.3，采用锥台型毛坯；（如图6）；[0089] 当KD>0.3 时，采用台阶型毛坯。（如图7）。[0090] 2）计算毛坯体积V[0091] 对于中心带小孔的零件，经三辊横轧变形后，内孔会出现轻微的腰鼓现象，因此毛坯尺寸要设计比零件内孔尺寸略小，计算毛坯体积时需将零件内孔尺寸进行调整。一般毛坯内孔半径r0 取（0.9~1）r，零件壁厚越小，r0 的取值越小；对于实心零件，不存在上述现象，即r0=r=0。[0092] 故所需毛坯体积V=πR12B1+πR22B2+πR32B3-πr02B[0093] 将零件内孔半径r 取r0 进行修正，以Kr 表示零件凹槽半径与内孔半径之比，即[0094] 以凹槽一半高度处为界，将零件分为上下两部分，以Vu、Vd 分别表示修正后零件上、下部分体积，则修正后零件上、下部分体积比为[0095][0096] 修正后，零件上半部分体积与总体积之比[0097] 毛坯上半部分体积与总体积之比KU′ =kKU，k 一般取0.8~1，非对称度越大，修正系数k 值越小。[0098] 3）确定毛坯尺寸[0099] 毛坯高度B0 与零件高度B 相等，如图1 所示，B0=B=B1+B2+B3[0100] ①对于圆筒形毛坯，如图5 所示：[0101] 毛坯外半径[0102] ②对于锥台型毛坯，如图6 所示：[0103] 毛坯外表面与回转轴间的夹角[0104] 其中[0105][0106] 毛坯小端外半径[0107] ③对于台阶型毛坯，如图7 所示：[0108] 毛坯小端外半径[0109] 台阶高度BL=B3 ；[0110] 台阶长度[0111] （2）确定轧制孔型结构和尺寸并加工轧辊[0112] 如图2-4、10 三辊横轧孔型由主轧辊1 和两个副轧辊2 和3 构成；为了防止毛坯4在轧制过程中因轴向金属流动产生端面凹陷，轧制孔型均设计为闭式孔型；主轧辊1 和两个副轧辊2 和3 的工作面型腔与零件截面形状相对应（如图4 所示），轧辊尺寸设计如下：[0113] 1）确定副轧辊工作面尺寸和位置[0114] 副轧辊以主辊圆心与毛坯圆心连线为轴线对称布置，初始轧制时，两副轧辊紧贴毛坯4，为了较好的支撑零件，保证轧制运动稳定，副轧辊圆心与毛坯4 中心的连线与轴线的夹角θ0 可设计为45°～ 60°（如图10 左半部分轧制开始时刻）；[0115] 两个副轧辊2 和3 设计为一样，如图9 所示，副轧辊工作面半径通常根据设备空间尺寸确定，为了防止零件从副轧辊间被挤出以及两副轧辊工作面间相互干涉，副轧辊凸台半径Rc2 要满足下列要求：[0116][0117] 其中R0′为毛坯与轧辊的初始接触半径，对于圆筒形截面和台阶型毛坯R0′＝R0，对于锥台形截面R0′＝ R0+（B1+B2）tanβ ；Lcd 为副轧辊下型腔宽度；[0118] 由于采用闭式孔型，副轧辊下型腔宽度Lcd 应满足：R3-R2<Lcd<R3-r[0119] 由零件的几何尺寸可确定副轧辊上型腔宽度Lcu=Lcd+R1-R3，[0120] Rc2 确定后，根据几何关系可确定副轧辊上型腔面半径Rc1=Rc2-(R1-R2)，副轧辊下型腔面半径Rc3=Rc2-(R3-R2) ；[0121] 为了保证成形环形零件截面尺寸精度，根据零件上台阶高度B1、凹槽高度B2 和下台阶高度B3 可确定副轧辊上型腔高度Bc1、凸台高度Bc2、下型腔高度Bc3 为[0122] Bc1=B1+0.3 ～ 0.6mm，Bc2=B2，Bc3=B3+0.3 ～ 0.6mm，[0123] 副轧辊上侧壁高度Bcu、下侧壁高度Bcd 可根据设备具体安装尺寸确定，考虑到强度，其高度不能过小。[0124] 2）确定主轧辊工作面尺寸[0125] 如图8 所示，为保证孔型对应，可确定主轧辊上侧壁高度Bmu=Bcu，主轧辊下侧壁高度Bmd=Bcd，主轧辊上型腔高度Bm1=Bc1，主轧辊凸台高度Bm2=Bc2，主轧辊下型腔高度Bm3=Bc3，主轧辊下型腔宽度Lmd=Lcd，主轧辊上型腔宽度Lmu=Lmd+R1-R3[0126] 为了防止主轧辊与副轧辊接触干涉，主轧辊凸台半径Rm2 需满足：[0127][0128] 根据上式，结合设备空间尺寸以及强度要求，可确定Rm2 ；[0129] 进而根据几何关系可确定，主轧辊上型腔面半径Rm1=Rm2-(R1-R2)，主轧辊下型腔面半径Rm3=Rm2-(R3-R2)[0130] （3）确定轧制成形参数[0131] 轧制成形参数包括主轧辊转速、主轧辊进给速度和轧制时间，可按如下确定：[0132] 1）主轧辊转速nm[0133] 为了保证轧制过程稳定，主轧辊线速度Vm 通常取1.1 ～ 1.3m/s ；根据主轧辊工作面半径Rm2，可计算主轧辊转速为[0134] 2）主轧辊进给速度v[0135] 为了保证毛坯能够咬入由轧制孔型而产生连续轧制变形，主轧辊进给速度通常不能过大，可根据下式进行设计：[0136][0137] 式中，μ 为零件与轧辊间摩擦系数；[0138] 3）轧制时间[0139] 轧制时间由主动辊进给时间和圆整时间两部分组成，轧制过程采用匀速进给，轧制时间T 可确定为T=T1+T2 ；[0140] 其中，进给时间[0141] h 为轧制总进给量，[0142][0143] 圆整时间应至少保证零件转动一周，一般取[0144] 圆整时间[0145] （4）轧制成形：将轧辊安装于轧制设备内，将处理好的毛坯放入轧制设备内，按上述轧制成形参数轧制成所需零件；主轧辊1 作主动旋转运动并同时向下作直线进给运动；左副轧辊2、右副轧辊3 为轴心固定的空转辊，在零件带动下作被动旋转运动；零件在主动辊的旋转和径向进给作用下咬入三辊构成的孔型，产生连续旋转和局部塑性变形，经过多转变形积累，零件截面轮廓充满轧制孔型，完成轧制成形。[0146] 以下以图1 所示双联齿轮为具体实施例说明本成形方法：[0147] 要求轧制成形的零件上台阶半径R1、凹槽半径R2、下台阶半径R3 和内半径r 分别为95mm、80mm、105mm 和25mm，零件上台阶高度B1、凹槽高度B2 和下台阶高度B3 分别为15mm、28mm、13mm，其三辊横轧成形方法包括以下内容：[0148] （1）确定毛坯形状和尺寸并制坯[0149] 1）计算零件的非对称度KD=0.345>0.3，因此宜采用台阶型毛坯，其截面形状如图7所示。[0150] 2）取毛坯内孔半径r0=0.92r=23mm，修正后所需毛坯体积V ＝ mm3，修正后零件上半部分体积与零件总体之比KU′ =0.959，取修正系数k=0.95，毛坯上半部分体积与总体积之比KU=0.465。[0151] 3）毛坯总高度B0=B=56mm，毛坯小端外半径R0=86.00mm，台阶高度BL=B3=13mm，台阶长度L=13.51mm。[0152] 按所设计毛坯尺寸，将棒料段（具体材料为Q345 钢）从室温均匀加热到高塑性、低抗力的热变形温度（1150 ～ 1250℃），然后将热态的棒料段进行经压力机锻造制成轧制用毛坯；[0153] （2）确定轧制孔型结构和尺寸并加工轧辊[0154] 1）副轧辊工作面尺寸和位置[0155] 如图10，将副轧辊圆心与毛坯中心的连线与轴线的夹角θ0 设计为60° ；根据副轧辊工作面尺寸设计方法，设计副轧辊结构如图9 所示，副轧辊凸台面直径Rc2、上型腔面半径Rc1、下型腔面半径Rc3 分别为100mm、85mm、75mm，上、下型腔宽度Lcu 和Lcd 分别为50mm 和60mm，上型腔高度Bc1、凸台高度Bc2、下型腔高度Bc3、上侧壁高度Bcu、下侧壁高度Bcd 分别为15.5mm、28mm、13.5mm、20mm、20mm。[0156] 2）主轧辊工作面尺寸[0157] 根据主轧辊工作面尺寸设计方法，设计主轧辊结构如图8 所示，主轧辊凸台面直径Rm2、上型腔面半径Rm1、下型腔面半径Rm3 分别为300mm、285mm、275mm，上、下型腔宽度Lmu和Lmd 分别为50mm 和60mm，上型腔高度Bm1、凸台高度Bm2、下型腔高度Bm3、上侧壁高度Bmu、下侧壁高度Bmd 分别为15.5mm、28mm、13.5mm、20mm、20mm。[0158] （3）确定轧制成形参数[0159] 1）主轧辊转速nm[0160] 主辊线速度Vm 取1.257m/s，根据主轧辊转速设计公式确定主轧辊转速nm 为40r/min。[0161] 2）主轧辊进给速度v[0162] 根据主轧辊转速设计公式确定主轧辊进给速度为1.5mm/s。[0163] 3）轧制时间T[0164] 轧制总进给量h 为18.68mm，进给时间[0165] 圆整时间[0166] 轧制时间T 可确定为T=T1+T2=13.45s。[0167] （4）轧制成形：将轧辊安装于轧制设备内，将加工好的环件毛坯放入轧制设备内，按上述轧制参数轧制成图1 所示双联齿轮。[0168] 其它材料和尺寸规格的双边支重轮轮体、高压球阀体等零件三辊横轧轧制成形工艺与上述实例相同，在此不逐一列举实施例。
发明人：钱东升 华林 汪小凯 邓加东
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