CN111250635A - 可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构，包括芯轴和环形芯辊片，芯轴是从上到下直径逐级增大、表面光滑的台阶轴结构，根据制件尺寸大小，芯轴上每一级台阶的高度比对应环形芯辊片的轴向长度大0.2～0.5mm，避免压死现象；环形芯辊片至少分为两段，分段时按芯辊直径大小，将存在直径差较大的区域分开；通过滑动配合方式将环形芯辊片逐级装配到芯轴上，以保证每段环形芯辊片可以自由转动，用紧固螺母和垫片从一端台阶处固定。本发明结构简单，用不同形状的环形芯辊片构成分体式芯辊，在环件轧制生产中，可降低模具制备成本、提高生产力、减小环件环轧时的表面材料流动速度差，使环件轧制时表面材料均匀流动，减少表面缺陷的产生。

Description

可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构

技术领域

本发明涉及金属塑性成形领域，具体涉及一种可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构。

背景技术

环轧(或“辗环”)工艺是一种利用环轧机使金属环形零件产生局部、连续塑性变形，实现环件的直径扩大、壁厚减小以及截面轮廓成型的特种成形工艺。相比整体模锻成形工艺，环轧具有所需设备吨位低、节省材料、生产成本低等优势，在环形零件的生产中应用极其广泛。

环轧机是实现环轧成形的核心设备，其工作部件主要包括驱动辊、芯辊、锥辊和导辊。成形过程中，驱动辊在环件的外侧，芯辊在环件内侧靠近驱动辊的位置，轧制时芯辊与驱动辊一起构成径向轧辊对，通过驱动辊的转动和芯辊的径向进给，将咬入上述径向轧辊对之间的金属环坯进行压制并成形。导辊和锥辊主要起到规整坯料形状以及轴向压制的作用。

矩形截面环件是最简单、最常见的环件形状。随着技术的发展，各种异形截面的环件应用越来越多。在环轧过程中，环坯在驱动辊带动下，各个部分均按照近似相等的角速度旋转。对于形状规则的矩形截面环件来讲，环件内侧圆柱面上各点都有相同的切向线速度，不同位置的切向线速度能够与芯辊表面的切向线速度相匹配。但对于异形截面环件而言，由于环件内侧不同位置的径向尺寸不同，在相同旋转角速度下其切向线速度必然不一致；对于芯辊而言，由于传统的芯辊通常设计为整体，因此其不同位置旋转的角速度相同，而且由于芯辊表面不同位置的径向尺寸不同，其线速度也存在差异。这种情况下，环件内表面与芯辊接触面的线速度始终存在不匹配的现象。实际生产中，这种不匹配通常靠环件内侧与芯辊接触面之间的少量“打滑”、以及环坯的异常变形来修正，但如果速度差超过一定幅度，环坯就会受到较大的不均匀附加作用力，可能导致表面裂纹、环体畸变等成形缺陷。因此，有必要减小环轧过程中环坯内表面与芯辊表面的切向速度差。

现有技术中，除了常规的整体芯辊以外，也有通过多片不同形状尺寸的辊片组合构成异形芯辊的设计方案，紧固螺母从一端将辊片紧固在中间芯轴的轴肩上，可以降低芯辊的制造成本。但由于所有辊片与中间芯轴上通过键连接，紧固螺母将所有辊片压在一起形成整体，因此实际上和普通的整体式芯辊一样，芯辊各个部分(辊片)以相同角速度进行同步旋转，同样存在上述接触面切向速度不匹配的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构，包括芯轴、紧固螺母和分体式芯辊套环。

所述芯轴为竖直设置的台阶轴，从上至下，芯轴的直径逐级增大。所述芯轴上装配有分体式芯辊套环，分体式芯辊套环包括N个环形芯辊片，N为大于等于2的正整数。

所述环形芯辊片的分段原则，是按芯辊外轮廓直径的大小，将直径相差较大的区域分开。

N个所述环形芯辊片分别安装到芯轴对应的台阶上，每个环形芯辊片与芯轴之间均滑动配合。

所述芯轴的上端旋入紧固螺母，紧固螺母对最上端的环形芯辊片轴向固定。

工作时，驱动辊带动环坯转动，N个所述环形芯辊片在环坯内表面摩擦力的带动下以各自的角速度自由转动，从而自动匹配环坯内表面的线速度。

进一步，相邻两个所述环形芯辊片的外表面平滑过渡。

进一步，所述芯轴上的其中一个台阶的高度记为H，该台阶所对应的环形芯辊片的轴向长度为h，H＞0，h＞0，根据制件尺寸大小，取H-h＝0.2～0.5mm。

进一步，所述紧固螺母与最上端的环形芯辊片之间设置有垫片。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，分体式环轧芯辊能使环坯内表面与芯辊接触部分分别自由变形，不受整体式芯辊的变形限制。对芯辊进行分体式设计，环形芯辊片数量增多，有益于增加芯辊与环件内表面的速度匹配度，减小环件内表面材料流动速度差，增加环件内表面材料流动的均匀性，减少环件内表面缺陷的生成。同时，本发明结构简单，加工成本低。

附图说明

图1为本发明的异形环件环轧的3段式芯辊结构示意图；

图2为本发明的异形环件环轧的5段式芯辊结构示意图；

图3为本发明的异形环件环轧的分体式芯辊与环坯内表面接触示意图；

图4为有限元模拟得到的分体式芯辊环轧件的材料流动速度差值-时间曲线；

图5为有限元模拟得到的分体式芯辊环轧件的径向轧制力-时间曲线。

图中：芯轴1、紧固螺母2、垫片3、分体式芯辊套环4和环坯5。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开了可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构，包括芯轴1、紧固螺母2和分体式芯辊套环4。

参见图1，本实施例的分体式芯辊结构为3段式芯辊结构。

所述芯轴1为竖直设置的台阶轴，从上至下，芯轴1的直径逐级增大，芯轴1的表面光滑。所述芯轴1上装配有分体式芯辊套环4，分体式芯辊套环4包括三个环形芯辊片，三个环形芯辊片的首尾相互靠近。

三个所述环形芯辊片分别安装到芯轴1对应的台阶上，每个环形芯辊片与芯轴1之间均滑动配合。相邻两个所述环形芯辊片的外表面平滑过渡。

所述芯轴1上的其中一个台阶的高度记为H，该台阶所对应的环形芯辊片的轴向长度为h，H＞0，h＞0，根据制件尺寸大小，取H-h＝0.2～0.5mm，从而避免环形芯辊片之间出现压死的现象，每段环形芯辊片可绕芯轴1自由转动，相互之间互不影响。

参见图1，所述芯轴1的上端旋入紧固螺母2，紧固螺母2对最上端的环形芯辊片轴向固定。所述紧固螺母2与最上端的环形芯辊片之间设置有垫片3。

参见图3，工作时，分体式芯辊与整体式芯辊轧制进给方式一样，驱动辊带动环坯5转动，三个所述环形芯辊片在环坯5内表面摩擦力的带动下以各自的角速度自由转动，从而自动匹配环坯5内表面的线速度。

所述的可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构在加工和使用时，包括以下步骤：

1)将整体式芯辊结构分解设计为分体式芯辊结构：所述分体式芯辊结构是将整体式芯辊结构分解为三段首尾接壤的环形芯辊片，中间为芯轴1，芯轴为从上到下直径逐级增大、表面光滑的台阶轴结构；

2)将三段所述环形芯辊片与芯轴1通过滑动配合方式装配为整体，再将该整体安装到环轧机上对应位置；

3)用步骤2)中的环轧机对环坯5进行环轧塑性变形：参见图3，所述塑性变形过程通过分体式芯辊和其它轧辊共同进行，三段首尾接壤的环形芯辊片和芯轴1组合成的分体式芯辊与环坯5的内表面相接触；在环坯5的摩擦力带动下，分体式芯辊的每段环形芯辊片能以不同的角速度分别进行转动，以增大环坯5与芯辊1的速度匹配度；所述环坯5在分体式芯辊径向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；

4)对步骤3)中得到的环件进行后续处理，得到成品环件。

本实施例的分体式芯辊结构主要是为了减小环轧件表面速度差，为此对环件表面速度变化做了理论分析。由于所述环坯5是在驱动辊的摩擦力带动下转动并成形，所以环坯5的转速与驱动辊有很大关系。假设所述环坯5与驱动辊之间无相对滑动，参见图3的速度参考点，在T时刻：

v_A＝v_驱 (1)

式中，v_A为所述环坯5外表面上的速度参考点，对应驱动辊上的速度点为v_驱。

v_驱＝R_驱·ω_驱 (2)

式中，R_驱为驱动辊上速度点v_驱对应的驱动辊半径，ω_驱为驱动辊角速度。

v_A＝R_A·ω (3)

式中，R_A为环件外表面速度点v_A对应的环件半径，ω为环坯5的角速度。

由公式(1)～(3)可推出环坯5的角速度ω：

已知环坯5的角速度ω，可得到环坯5的内表面速度v_B：

式中，R_B为环坯5的内表面速度点v_B对应的环件半径。

由公式(5)可得到环件轧制时环件内表面材料流动速度的理论值，此处取Δv(v_B-v_C)作为环件内表面材料流动速度变化的参考值。通过数值模拟可得到整体式芯辊和分体式芯辊轧制时环件内表面的材料流动速度，把它们与环件内表面的理论速度作比较，得到分体式芯辊对环件内表面材料流动速度的影响规律，进而知道表面材料流动的均匀性情况。

对分体式芯辊的数值模拟包括以下步骤：

a)如图1所示，利用三维建模软件建立3段式芯辊结构的环形芯辊片4、环坯模型和其它轧辊模型；所述3段式芯辊的自转速度和环件转速、3段式芯辊的进给速度有关；本实施例中的3段式芯辊为如图1所示的回转体结构；

b)将步骤a)中的模型导入有限元模拟软件SIMUFACT中，并输入环坯5的材料参数，设置驱动辊和分体式芯辊的运动参数，利用环坯5带动芯辊转动；

c)在数值模拟结果中输出环件内表面的参考点切向线速度，整合得到环件内表面速度差值-时间曲线，再输出环件径向轧制力-时间曲线。

如图4所示，即为有限元模拟得到的整体式芯辊环轧与3段式芯辊环轧得到的材料流动速度差值-时间曲线。

如图5所示，即为有限元模拟得到的整体式芯辊环轧与3段式芯辊环轧得到的径向轧制力-时间曲线。

参见图4，有限元模拟结果表明，3段式芯辊环轧时环件内表面的材料流动速度差值小于整体式芯辊轧制时的材料流动速度差值，并接近甚至低于理论速度差值。参见图5，3段式芯辊环轧制备环件的径向轧制力相对整体式芯辊略有上升。

上述数据结果说明：3段式芯辊制备环件时径向轧制力基本不变，而环件内表面材料流动速度差值减小，这有利于环件内表面材料均匀流动，减少内表面的成形缺陷。

实施例2：

本实施例公开了可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构，包括芯轴1、紧固螺母2和分体式芯辊套环4。

参见图2，本实施例的分体式芯辊结构为5段式芯辊结构。

所述芯轴1为竖直设置的台阶轴，从上至下，芯轴1的直径逐级增大。所述芯轴1上装配有分体式芯辊套环4，分体式芯辊套环4包括五个环形芯辊片。

五个所述环形芯辊片分别安装到芯轴1对应的台阶上，每个环形芯辊片与芯轴1之间均滑动配合。

参见图2，所述芯轴1的上端旋入紧固螺母2，紧固螺母2对最上端的环形芯辊片轴向固定。

工作时，驱动辊带动环坯5转动，五个所述环形芯辊片在环坯5内表面摩擦力的带动下以各自的角速度自由转动，从而自动匹配环坯5内表面的线速度。

所述的可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构在加工和使用时，包括以下步骤：

1)将整体式芯辊结构分解设计为分体式芯辊结构：所述分体式芯辊结构是将整体式芯辊结构分解为五段首尾接壤的环形芯辊片，中间为芯轴1，芯轴为从上到下直径逐级增大、表面光滑的台阶轴结构；

2)将五段所述环形芯辊片与芯轴1通过滑动配合方式装配为整体，再将该整体安装到环轧机上对应位置；

3)用步骤2)中的环轧机对环坯5进行环轧塑性变形：所述塑性变形过程通过分体式芯辊和其它轧辊共同进行，五段首尾接壤的环形芯辊片和芯轴1组合成的分体式芯辊与环坯5的内表面相接触；在环坯5的摩擦力带动下，分体式芯辊的每段环形芯辊片能以不同的角速度分别进行转动，以增大环坯5与芯辊1的速度匹配度；所述环坯5在分体式芯辊径向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；

4)对步骤3)中得到的环件进行后续处理，得到成品环件。

通过以下试验步骤验证本发明结构的效果：

a)如图2所示，利用三维建模软件建立5段式芯辊结构的环形芯辊片4、环坯模型和其它轧辊模型；所述5段式芯辊的自转速度和环件转速、5段式芯辊的进给速度有关；本实施例中的5段式芯辊为如图2所示的回转体结构；

b)将步骤a)中的模型导入有限元模拟软件SIMUFACT中，并输入环坯5的材料参数，设置驱动辊和分体式芯辊的运动参数，利用环坯5带动芯辊转动；

c)在数值模拟结果中输出环件内表面的参考点切向线速度，整合得到环件内表面速度差值-时间曲线，再输出环件径向轧制力-时间曲线。

如图4所示，即为有限元模拟得到的整体式芯辊环轧与5段式芯辊环轧得到的材料流动速度差值-时间曲线。

如图5所示，即为有限元模拟得到的整体式芯辊环轧与5段式芯辊环轧得到的径向轧制力-时间曲线。

参见图4，有限元模拟结果表明，5段式芯辊环轧时环件内表面的材料流动速度差值小于整体式芯辊轧制时的材料流动速度差值，并接近甚至低于理论速度差值。参见图5，5段式芯辊环轧制备环件的径向轧制力相对整体式芯辊略有上升。

上述数据结果说明：5段式芯辊制备环件时径向轧制力基本不变，而环件内表面材料流动速度差值减小，这有利于环件内表面材料均匀流动，减少内表面的成形缺陷。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，参见图2，相邻两个所述环形芯辊片的外表面平滑过渡。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述芯轴1上的其中一个台阶的高度记为H，该台阶所对应的环形芯辊片的轴向长度为h，H＞0，h＞0，H-h＝0.5mm，从而避免环形芯辊片之间出现压死的现象，每段环形芯辊片可绕芯轴1自由转动，相互之间互不影响。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例4，进一步，参见图2，所述紧固螺母2与最上端的环形芯辊片之间设置有垫片3。

Claims (4)

1.可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构，其特征在于：包括所述芯轴(1)、紧固螺母(2)和分体式芯辊套环(4)；

所述芯轴(1)为竖直设置的台阶轴，从上至下，芯轴(1)的直径逐级增大；所述芯轴(1)上装配有分体式芯辊套环(4)，分体式芯辊套环(4)包括N个环形芯辊片，N为大于等于2的正整数；

N个所述环形芯辊片分别安装到芯轴(1)对应的台阶上，每个环形芯辊片与芯轴(1)之间均滑动配合；

所述芯轴(1)的上端旋入紧固螺母(2)，紧固螺母(2)对最上端的环形芯辊片轴向固定；

工作时，驱动辊带动环坯(5)转动，N个所述环形芯辊片在环坯(5)内表面摩擦力的带动下以各自的角速度自由转动，从而自动匹配环坯(5)内表面的线速度。

2.根据权利要求1所述的可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构，其特征在于：相邻两个所述环形芯辊片的外表面平滑过渡。

3.根据权利要求1或2所述的可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构，其特征在于：所述芯轴(1)上的其中一个台阶的高度记为H，该台阶所对应的环形芯辊片的轴向长度为h，H＞0，h＞0，根据制件尺寸大小，取H-h＝0.2～0.5mm。

4.根据权利要求1或3所述的可减小异形环件环轧表面速度差的分体式芯辊结构，其特征在于：所述紧固螺母(2)与最上端的环形芯辊片之间设置有垫片(3)。

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